超臨界CO2制冷技術在PVC生產中的應用

李 毅，陳 雷

（安徽華塑股份有限公司，安徽 滁州 233290）

安徽華塑股份公司電石法PVC生產裝置采用法國ARKEMA技術，聚合裝置分2條線布置，每條線3臺三葉后掠式單層底伸攪拌的143 m3聚合釜。聚合釜在反應過程中主要采取夾套循環冷卻水和釜頂冷凝器撤熱的方式，同時在聚合反應過程中的脫鹽水注水也是直接吸收聚合反應熱的一種方式。當地夏季溫度較高，極端最高氣溫可達39.1℃，夏季循環水溫度較高，聚合反應釜熱量難以移除，反應時間延長，單體轉化率降低，聚合釜產能下降明顯。即便采用上述3種撤熱方式，夏季仍然難以有效提高單釜產能，因此考慮若能將注水用的脫鹽水溫度降至20℃，6～9月PVC單釜產量可提高1 t左右。

華塑公司了解到某公司具有適用于脫鹽水降溫冷卻的CO2熱泵制冷技術。經過多次技術交流，決定采用其MW級跨臨界CO2熱泵制冷制熱成套機組，一邊將脫鹽水水溫由35～40℃降至20℃左右，送入聚合釜，另一邊將水溫由35℃左右加熱至90℃左右，送入熱脫鹽水槽，供生產工藝使用。

跨臨界CO2熱泵技術，采用天然環保的CO2為介質，專門用于回收各種低品位余熱資源，如低于40℃的各類水源、空氣源等。低溫（可在－40～15℃可調）的CO2吸熱后，經過壓縮，可將低品位熱源轉化為120℃以上的高品位熱源，也可將15℃冷水一次加熱至90℃以上。

CO2是一種天然工質，無毒，不燃燒，對大氣臭氧層沒有破壞作用，溫室效應影響小。傳統的制冷劑如CFCs、HCFCs等對大氣臭氧層有破壞作用、對地球溫室效應有明顯影響。

1 超臨界CO2熱泵原理

MW級超級跨臨界CO2冷熱聯供技術，采用天然的CO2為介質，在制冷的同時，回用回收的熱量，實現單機冷熱聯供。冷端可根據需要將水溫降至15～20℃，熱端可將常溫水一次加熱至85℃以上，最高95℃。單機制冷功率1 300 kW，制熱功率1 670 kW，綜合能效COP可達7以上。

技術原理：低溫（在－10～15℃可調）的 CO2從需要降溫的脫鹽水中吸熱，將脫鹽水溫度降至生產需要的溫度。CO2吸熱后溫度上升再經過CO2專用壓縮機壓縮，將CO2溫度升高至100℃以上（最高可達140℃），用此高溫CO2可將常溫的脫鹽水加熱至85℃左右，供至熱水箱，超級跨臨界CO2熱泵原理圖見圖1。左側為制冷端，右側為制熱端，中間為CO2超級熱泵。CO2在熱泵內部循環，正常運行，不泄漏，無需補充。

圖1 超級跨臨界CO2熱泵原理圖

2 超級跨臨界CO2熱泵（冷熱聯供）機組特點

（1）采用自然界中“生態精靈”之稱的CO2為工質；

（2）單機制熱功率可達6 MW；

（3）一臺機組實行冷熱聯供，綜合COP達7以上；

（4）冷端可以實現大溫差降溫（大于30℃）；

（5）冷側制冷最低可達－80℃；

（6）制冷COP高（取決于低溫程度），常規制冷COP大于3，制熱COP大于4；

（7）熱端實現高溫再利用（正常在85℃左右，最高可達95℃）；

（8）制熱速度快，15℃水可一次加熱至90℃以上；

3 PVC車間脫鹽水降溫技術改造需求分析

（1）PVC裝置反應釜補充水采用脫鹽水，脫鹽水溫度基本等同于環境溫度，夏季正常大于35℃，最高可達40℃。而生產工藝需要脫鹽水溫度20℃左右，反應效果最佳，用水量40t/h。因水溫高，需要降低原料投入，整個生產線產能受影響非常大，而夏季是PVC價格最高時期，因減產給公司造成巨大損失。

（2）PVC生產工藝中還需要85℃左右的脫鹽水，目前采用的是低壓蒸汽加熱的方法，使用量40 t/h左右。

（3）夏季聚合釜由于未能及時撤熱，在聚合反應后期頻繁出現超溫超壓現象，采用跨臨界CO2熱泵對脫鹽水注水進行降溫后，有利于降低PVC生產過程的安全風險，并且起到穩定產品質量的作用。脫鹽水降溫技術改造工藝流程簡圖見圖2。

圖2 脫鹽水降溫工藝流程圖

圖3 跨臨界CO2熱泵系統冷側系統圖

圖4 跨臨界CO2熱泵熱側原理圖

4 PVC車間脫鹽水降溫改造整體方案

（1）在除鹽水箱南側、袋裝化學品庫與儀表機電房間空地，建設跨臨界CO2熱泵機組一臺；

（2）注入水泵出口總管改接至熱泵蒸發器入口。蒸發器出口（降溫后的脫鹽水）接至反應釜；

（3）從大流量除鹽水泵出口接一路管道至熱泵冷卻器，冷卻器出口高溫水接至熱脫鹽水槽和燒堿車間。

5 管道與系統技術改造方案

（1）注入水泵出口總管為DN100，熱泵系統冷側系統圖見圖3。

脫鹽水需要降溫時，關閉直通閥，打開進出熱泵蒸發器閥門，啟動CO2熱泵機組，將除鹽水降溫運行。

（2）從大流量除鹽水泵出口總管支接DN80三通，引一路水源至熱泵冷卻器，熱泵熱側原理圖見圖4。

熱泵冷卻器出口高溫水，接入脫鹽水熱水箱頂部，另一路送燒堿車間。

6 電氣與控制

（1）電氣部分

MW級超級跨臨界CO2熱泵機組由12臺壓縮機并聯運行，6臺壓縮機共用一路電源。共有2個電源柜，單柜正常運行3～5臺壓縮機，單電源柜運行功率不大于200 kW。需要從配電房連接二路電源，開關容量630 A。電纜參數為3X185+2X95。

（2）控制部分

跨臨界CO2熱泵機組采用DCS控制方式，可實現一鍵啟停。可就地操作，也可以遠程操作。

7 投資概算及主要設備

總投資預計400萬元（不含稅），含設備及基本材料供應、儀表等。主要設備清冊如下。

（1）MW級跨臨界CO2熱泵主機一臺套。

進口CO2專用跨臨界壓縮機12臺；蒸發器1臺套；氣體冷卻器1臺套；回熱器1臺套；輔助降溫換熱器1臺；分離器1臺；減壓裝置1套；熱泵機組控制系統1套。

（2）脫鹽水增壓泵2臺。

（3）冷凍水回水增壓泵2臺。

（4）DN100、DN80不銹鋼管道約 450 m。

（5）DN100、DN80不銹鋼閥門共20個。

CO2熱泵機組冷側端脫鹽水進水溫度35.1℃，出水12.7℃；熱側脫鹽水進水溫度21.51℃，出水92.3℃；出水溫度滿足工藝要求。

8 投資回報分析

40 m3脫鹽水，由40℃降溫至15℃，CO2熱泵制冷量：1 172.3 kW；熱泵產生熱量：1 498 kW，將21 m3冷水升溫60℃。

夏季按4個月計算：

冷量合計：1 172.3×4×30×24=3 376 224（kW），約合 29×108（kcal）；

熱量合計：1 498×4×30×24=4 314 240（kW），約合 37.1×108（kcal）；

冷/熱價按0.32元/kW·h計算，冷量價值約合108萬元，熱量價值約合138萬元，冷、熱合計約246萬元，耗電937 840 kW·h，約合30萬元；

效益合計246－30=216（萬元）。即：夏季僅運行4個月，產生效益約216萬元。若考慮夏季之外將冷凍水降溫，年度產生的效益將大于300萬元。

9 結語

PVC裝置采用超臨界CO2熱泵機組對脫鹽水進行降溫技術改造至今，滿足生產需要，已安全平穩運行兩個多月。符合國家綠色、環保、低碳、節能減排的政策要求。為該公司創造了可觀的經濟效益和環保效益，同時也履行了該公司“發展低碳經濟，改善生態環境，共建和諧社會”的發展使命。