工業領域液體能量回收裝置的應用

文/李小龍 陳先春

工業領域液體能量回收裝置的應用

文/李小龍 陳先春

將工藝系統的液體余壓能通過能量回收裝置進行回收利用，有效降低能耗占比——本文通過對液體壓力能能量回收裝置，在石油化工領域和海水淡化領域不同工藝中的應用進行總結和分析，得出結論：液體壓力能能量回收裝置按原理分為液力透平（離心式）和正位移式兩類，液力透平式效率在70%～80%之間；正位移式效率在90%～96%之間；液力透平式主要應用于石油化工領域，正位移式主要應用于海水淡化領域。

近年來，國家高度重視節能減排工作。“十二五”期間，全國單位國內生產總值能耗降低了18.4%，“‘十三五’節能減排工作方案通知”提出，到2020年，全國單位國內生產總值能耗比2015年下降15%，節能減排任務依然嚴峻。工業生產中的余壓能是可再生能源，用能量回收裝置代替減壓閥，避免余壓能的浪費。液體能量回收利用技術的發展具有重要意義，在石油化工領域、海水淡化領域和鋼鐵冶金領域等工藝流程中有大量余壓液體，這些高壓液體可以通過壓力能量回收裝置回收做功，將其壓力能轉換為被驅動部件的機械能，有效節約工藝系統的電力成本。

壓力能能量回收裝置分類

壓力能回收技術形式各有不同，從工作原理上分為液力透平（離心式）和正位移式兩大類。液力透平能量回收裝置是把流體壓力能轉化為機械能的裝置，液力透平為旋轉式能量回收裝置。工業上應用最多的是反轉離心泵，其效率一般在70%～80%之間。反轉離心泵是指把泵反轉作為能量回收裝置使用，是近幾十年國內外水力機械行業比較熱門的研究方向，反轉離心泵作液力透平使用時，泵的出口作為透平的入口，泵的入口作為液力透平的出口，特點是結構簡單、價格低廉和檢查維護方便。

正位移能量回收裝置是把高壓流體直接增壓低壓流體，不需要經過轉化成軸功這一過程，即能量轉換為壓力能到壓力能，從而減少中間轉換的損失，能量轉換效率高達90%～96%。正位移能量回收裝置按照結構一般分為活塞式、旋轉直接接觸式和閥控直接接觸式3類，但受開發時間、技術條件和制造成本所限，使用范圍尚不如液力透平廣。

石油化工領域壓力能能量回收裝置的應用

石油冶煉工藝壓力能能量回收

1. 主要工藝應用

在石油冶煉工藝中，主要工藝系統均需要在高壓環境下進行反應，如加氫裂化工藝系統中，反應蠟油富余壓力為14.2 MPa，需要用減壓閥降到2.8 MPa，貧胺液富余壓力為13.9 MPa，需要用減壓閥降到2.5 MPa；渣油加氫工藝中，反應蠟油富余壓力為16.9 MPa，需要用減壓閥降到2.8 MPa，貧胺液富余壓力為16.7 MPa，需要用減壓閥降到2.5 MPa。在沒有壓力能回收裝置之前，從高壓反應器工藝系統流出的高壓介質，通常通過減壓裝置（減壓閥等）減壓而白白浪費掉，通過設置能量回收裝置可以有效地回收這部分浪費掉的壓力能，提高整個工藝系統的經濟性。

根據回收壓力能介質的溫度，可分為熱液力透平和冷液力透平，工藝流程圖如圖1所示，熱液力透平是熱高壓分離器至熱低壓分離器降壓區的液力透平的應用。冷液力透平指的是在高壓循環氫脫硫塔的降壓區的液力透平的應用。

圖1 熱液力透平（左）和冷液力透平（右）工藝流程

2. 裝置結構及布置方式

石油冶煉工藝中壓力能回收裝置中，考慮到輸送的介質多為易燃、易爆或有毒介質和大多介質不允許摻混，壓力能回收裝置均使用離心泵反轉的液力透平方式。一般認為液力透平單級泵功率在22 kW以上，多級泵在75 kW以上是經濟合理的。

石油冶煉工藝中液力透平布置方式主要分兩種，第一種是液力透平直接與驅動泵相連，省去泵電機、超越離合器等部件，其優點是結構簡單，效率高，費用少以及維護方便，其缺點是對工藝系統的穩定性要求極高，運行參數固定。第二種是液力透平通過離合器與電機相連，電機同時與泵相連，即使透平不工作，電機也具有獨立驅動泵的能力，當液力透平工作后，通過離合器連接到電機，液力透平和電機共同驅動泵運轉，或獨立由液力透平通過電機驅動泵運轉，達到節能的目的。

化肥加工工藝壓力能能量回收

1. 主要工藝應用

化肥加工工藝主要是指合成氨和尿素加工。氨是化肥工業和基本有機化工的主要原料，合成氨的產業在我國的農業和工藝中都非常重要，合成氨為高耗能工業，所使用的能源占到了社會總能耗的3%，因此合成氨工藝中的節能顯得尤為重要。

合成氨工藝中可回收壓力能的工藝主要有兩種。

（1）合成氨廢銅氨液壓力能回收工藝

如圖2所示，在合成氨工藝中，壓力回收裝置安裝在銅洗塔出口端，經過銅洗塔出來的12 MPa廢銅氨液通過壓力回收裝置后變為0.4 MPa低壓液體，流向再生系統，通過再生系統出來后的新鮮銅氨液流向壓力回收裝置的驅動泵端，經過驅動泵加壓后壓力變為13 MPa，重新流入到銅洗塔，再經銅洗塔反應后的12 MPa廢銅氨液流入到壓力回收裝置降壓到0.4 MPa，然后流入到再生系統，這樣重復回收廢銅氨液能量。

圖2 合成氨氨銅液壓力能回收系統工藝流程

（2）合成氨尿素生產工藝

在尿素的生產工藝中，由尿素裝置CO2汽提塔出口管線上安裝壓力能能量回收裝置，汽提塔出口壓力為14.3 MPa的高壓尿液，在經過壓力能能量回收裝置后，壓力降為0.3 MPa，然后直接進入低壓分解系統精餾塔，壓力能能量回收裝置回收的高壓尿液的壓力，能用來驅動由低壓回收系統低壓甲銨冷凝器液位槽來的壓力為0.3 MPa的低壓甲銨液，使之壓力升至16 MPa后進入高壓系統高壓洗滌器，其工藝流程簡圖見圖3所示。

2. 裝置結構及特點

合成氨相關的壓力能能量回收裝置按照原理分為如下兩種，一種是利用液力透平（離心式），第二種是正位移式功交換器（活塞式）。液力透平技術成熟，應用較多，正位移式轉換效率高，但技術成熟度不如液力透平，應用相對較少。

圖3 尿素工藝壓力能回收系統流程

圖4 帶壓力能回收裝置的反滲透海水淡化工藝流程

海水淡化領域壓力能能量回收裝置的應用

國際上主流的海水淡化法主要有熱法和膜法，反滲透法以投資少、能耗低、占地少和操作方便等特點而得到廣泛應用，與其他技術相比，反滲透海水淡化過程不發生相變，是最節能的海水淡化技術之一。反滲透海水淡化工藝中的壓力為6～8 MPa，淡水分離后從膜組件中排放出的濃水壓力仍高達5～6.5 MPa。據統計，濃水壓力能直接釋放所造成的損失約占產水總成本的30%～50%、運行費用的75%，回收濃鹽水壓力能是降低反滲透海水淡化成本的有效途徑。為此，人們針對反滲透海水淡化系統的壓力能回收技術進行了大量研究工作，除了反滲透海水滲透法工藝外，新興起的納濾膜技術中有3.5 MPa的富余高壓濃水壓力能也可進行回收利用。

壓力能回收裝置工藝

設計壓力能回收裝置的反滲透海水淡化工藝流程簡圖如圖4所示，從過濾器內流出的海水經高壓泵加壓后流入到反滲透裝置中（海水壓力為6～8 MPa），高壓海水流經反滲透裝置后一部分低壓純水流入到產水箱內，另一部分高壓濃水（5～6.5 MPa）作為動力輸入源流入到壓力能回收裝置中帶動驅動泵端做功，做功后的低壓濃水排出到廢水回收系統，從過濾器流出的低壓海水引入到壓力能回收裝置的驅動泵端入口，做工后從驅動端泵出口流出到增壓泵入口，此時的增壓泵代替最初的高壓泵對增壓海水進一步增壓達到6～8 MPa，然后流入到反滲透裝置內產水，壓力能回收裝置正常工作后可關閉高壓泵，同時增壓泵也只需要增加部分壓力，大大降低了增壓泵的功率，達到較高的節能效果。

壓力能回收裝置結構及特點

反滲透海水淡化的壓力能回收裝置按工作原理可分為液力透平（離心式）和正位移式兩種壓力能回收裝置。

1. 離心式壓力能回收裝置

離心式壓力能回收裝置按照結構可分為兩大類，第一類是傳統的液力透平組合模式，即液力透平、高壓泵和電機三者通過離合器連接在一起，這種結構比較簡單，價格低廉，在早期反滲透海水淡化工藝中應用較多，但這種結構效率低、穩定性差，隨著新技術的出現，在海水淡化領域應用越來越少。

第二類是液力透平與高壓泵做成一體，省去電機和中間的離合器，如圖5所示，由于液力透平和離心泵做成了一體，較大提高了系統的效率、減小了裝置體積，提高了裝置的可靠性，目前該類裝置被廣泛應用于反滲透海水淡化能量回收系統工藝中。

2. 正位移式壓力能回收裝置

離心式壓力能回收裝置能量的轉換過程為“壓力能-機械能（軸功）-壓力能”，其能量回收效率相對較低。為提高能量回收效率，開發了正位移式壓力能回收裝置，利用流體的不可壓縮性使高壓流體壓縮低壓流體，將高壓濃水的壓力能直接傳遞給進料海水，實現“壓力能-壓力能”的直接傳遞，不需要機械輔助裝置，減少了能量轉化的中間環節，能量回收效率大大提高，一般在90%～96%。

圖5 一體式透平流程

正位移式壓力能回收裝置應用最多的主要是活塞式和旋轉直接接觸式。

（1）活塞式正位移壓力能回收裝置

活塞式正位移能量回收系統的結構比較簡單，利用兩個活塞腔室和進出口的閥門實現高壓介質推動活塞加壓低壓介質，如圖6所示，該技術開發應用較早，技術相對比較成熟。

（2）旋轉直接接觸式正位移壓力能回收裝置

旋轉直接接觸式正位移能量回收裝置中，低壓流體與高壓流體在轉子軸向孔道中直接接觸，在轉子高速旋轉中通過碰撞實現壓力能交換，工藝原理圖如圖7所示，在實際應用中，可達到95 %以上的能量轉換效率。

圖6 活塞式正位移壓力能回收裝置流程

圖7 旋轉直接接觸式正位移壓力能回收裝置流程

結論

本文對壓力能回收裝置的應用進行了概述，主要結論如下：

（1）液體壓力能能量回收裝置被廣泛應用于石油冶煉工藝、海水淡化工藝、化肥加工工藝及其他可安裝液體壓力能能量回收系統的其它工藝流程中，具有較高的節能效果。

（2）石油冶煉工藝中壓力能回收裝置，以離心泵反轉作液力透平的方式居多，結構型式參照API標準。

（3）化肥加工工藝中的壓力能回收裝置主要應用在合成氨、尿素工藝，以離心式壓力能回收裝置居多，在一些中小型合成氨工藝中也有正位移能量回收裝置（活塞式）的應用。

（4）海水淡化工藝既有離心式又有正位移式壓力能能量回收裝置，是壓力能能量回收裝置應用最廣的領域，也是引領能量回收裝置技術進步的領域。

本文作者來自合肥華升泵閥股份有限公司。