煤制乙二醇工藝余熱ORC 發(fā)電技術(shù)及應(yīng)用效果分析

況國(guó)華 湯得昌 陳玉紅 張冬海 尚振杰

1.北京華航盛世能源技術(shù)有限公司 北京 100029；2.中鹽安徽紅四方股份有限公司 安徽合肥 231602；3.冰輪環(huán)境技術(shù)股份有限公司 北京 100010

乙二醇主要用于生產(chǎn)滌綸纖維和包裝材料用的聚酯樹脂、防凍劑和不飽和聚酯樹脂。 由于滌綸纖維和包裝用PET 材料的迅速發(fā)展，對(duì)乙二醇的需求量不斷增大，目前乙二醇已成為世界上消費(fèi)量最大的多元醇。 當(dāng)前我國(guó)已成為世界上最大的乙二醇進(jìn)口國(guó)， 也是世界上乙二醇最大消費(fèi)國(guó)。 由于生產(chǎn)技術(shù)受制于國(guó)外，我國(guó)乙二醇產(chǎn)能增長(zhǎng)緩慢，進(jìn)口依存度較大。 眾所周知，我國(guó)是缺油、少氣、煤炭資源相對(duì)豐富的國(guó)家，因此，煤制乙二醇受到越來越多的關(guān)注， 成為煤化工產(chǎn)業(yè)的新亮點(diǎn)。

1 煤制乙二醇工藝余熱利用

根據(jù)后期工藝處理方式的不同， 煤制乙二醇裝置會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)數(shù)量的副產(chǎn)低壓蒸汽或蒸汽冷凝液， 它們必須經(jīng)過冷卻降溫之后進(jìn)入除氧工藝。 其冷卻方式通常為循環(huán)冷卻水或空冷器，冷卻成本（循環(huán)冷卻水量或空冷器電耗）非常可觀。 因此，對(duì)該部分副產(chǎn)蒸汽或凝液的余熱進(jìn)行利用成為企業(yè)的優(yōu)選方案， 不僅可以節(jié)約冷卻成本，還能產(chǎn)生不菲的收益。

一般而言，對(duì)于200℃以下的低溫余熱，成熟的利用技術(shù)包括供暖、制冷和低溫發(fā)電等。 其中，供暖或制冷需考慮的因素較多，不僅用量由用戶需求決定、使用時(shí)間受季節(jié)影響、應(yīng)用場(chǎng)合受地域限制，而且極大地受輸送距離的制約，通用性較差。

針對(duì)該類低溫余熱，有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）發(fā)電技術(shù)是國(guó)內(nèi)近年來發(fā)展起來的一種非常有效的余熱利用技術(shù)。 由于電能是高品質(zhì)的一級(jí)能源，一般可由企業(yè)用戶自行就地消納，通用性非常強(qiáng)，成功案例可在全國(guó)范圍內(nèi)復(fù)制。

2 低溫余熱ORC 發(fā)電技術(shù)

ORC 發(fā)電技術(shù)采用低沸點(diǎn)有機(jī)工質(zhì)進(jìn)行閉式熱力循環(huán)，將低品位熱能轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)電能。 通過合理選擇有機(jī)工質(zhì)， 可在較低溫度下獲得一定壓力的工質(zhì)蒸汽，從而推動(dòng)膨脹機(jī)做功，因此特別適合中低品位余熱的回收利用。

ORC 技術(shù)本質(zhì)上是利用冷源與熱源的溫差，在工質(zhì)側(cè)建立壓力差，驅(qū)動(dòng)膨脹機(jī)做功。 其熱力循環(huán)效率與熱源及冷源溫度直接相關(guān)。 熱源溫度過低將導(dǎo)致熱電轉(zhuǎn)換效率偏低，影響余熱回收利用的經(jīng)濟(jì)性。

3 典型30 萬t 煤/a 制乙二醇工藝余熱發(fā)電方案

根據(jù)調(diào)研，30 萬t/a 煤制乙二醇典型的副產(chǎn)低壓飽和蒸汽參數(shù)為：流量50t/h，溫度108℃；30 萬t/a 煤制乙二醇典型的副產(chǎn)蒸汽凝液參數(shù)為：流量400t/h，溫度132℃。 以下針對(duì)兩種余熱資源分別給出相應(yīng)的ORC 發(fā)電技術(shù)方案。

表1 為典型30 萬t/a 煤制乙二醇裝置副產(chǎn)低壓蒸汽的余熱發(fā)電系統(tǒng)性能及經(jīng)濟(jì)性分析。其中，電價(jià)按0.6元/kW·h 計(jì)， 煤電供電煤耗按320g 標(biāo)煤/kW·h（2014 年）計(jì)。從表中可以看到，該低壓蒸汽余熱若用于回收發(fā)電，可配置余熱發(fā)電系統(tǒng)3.9MW，每年直接發(fā)電效益高達(dá)1327.7 萬元，這還不包括所節(jié)約的蒸汽冷卻成本。 按1 萬元/kW 的系統(tǒng)投資成本估算，該技術(shù)方案的投資回報(bào)期在3 年以內(nèi)，經(jīng)濟(jì)效益顯著。 此外，該余熱發(fā)電系統(tǒng)每年可節(jié)約標(biāo)煤7081t， 減排CO2約17411t，節(jié)能環(huán)保的社會(huì)效益突出。

表2 為典型30 萬t/a 煤制乙二醇裝置副產(chǎn)蒸汽凝液的余熱發(fā)電系統(tǒng)性能及經(jīng)濟(jì)性分析。其中，電價(jià)按0.6元/kW·h 計(jì)， 煤電供電煤耗按320g 標(biāo)煤/kW·h（2014 年）計(jì)。從表中可以看到，該蒸汽凝液余熱若用于回收發(fā)電，可配置余熱發(fā)電系統(tǒng)3.0MW，每年直接發(fā)電效益高達(dá)1026.7 萬元，這還不包括所節(jié)約的凝液冷卻成本。 按1 萬元/kW 的系統(tǒng)投資成本估算，該技術(shù)方案的投資回報(bào)期在3 年以內(nèi)，經(jīng)濟(jì)效益顯著。 此外，該余熱發(fā)電系統(tǒng)每年可節(jié)約標(biāo)煤5476t， 減排CO2約13465t，節(jié)能環(huán)保的社會(huì)效益突出。

從以上分析可以看出， 無論煤制乙二醇裝置的余熱形式是低壓蒸汽還是蒸汽凝液， 其余熱量都是巨大的，若應(yīng)用ORC 技術(shù)進(jìn)行回收發(fā)電，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益都非常可觀。

4 實(shí)踐效果分析

表1 副產(chǎn)低壓蒸汽余熱發(fā)電系統(tǒng)性能及經(jīng)濟(jì)性分析

表2 副產(chǎn)蒸汽凝液余熱發(fā)電系統(tǒng)性能及經(jīng)濟(jì)性分析

中鹽安徽紅四方股份有限公司位于安徽省合肥市循環(huán)經(jīng)濟(jì)示范園，目前有一個(gè)年產(chǎn)30 萬t/a 的煤制乙二醇裝置。

根據(jù)廠區(qū)蒸汽平衡設(shè)計(jì)， 二期項(xiàng)目西區(qū)1.0MPa及以上蒸汽冷凝液經(jīng)閃蒸后與0.5MPa 蒸汽冷凝液混合，進(jìn)入緩沖罐與回流冷液混合后，溫度為132℃，壓力為0.3MPa， 正常流量為436 t/h， 經(jīng)泵加壓至0.7MPa。

圖1 蒸汽冷凝液余熱發(fā)電工藝流程圖

上述132℃冷凝液分為兩股， 一股約350 t/h，送往余熱制冷裝置制備-20℃以乙二醇為載體的冷凍液。 該股冷凝液降溫至約110℃，然后與剩余的另一股86t/h、132℃冷凝液合并，送往余熱發(fā)電裝置；將余熱回收發(fā)電后再送至空冷器， 降至45℃送至東區(qū)脫鹽水站進(jìn)行處理，工藝流程如圖1 所示。

該余熱發(fā)電系統(tǒng)共配置了3 臺(tái)ORC 發(fā)電機(jī)組，機(jī)組之間并聯(lián)布置。 ORC 發(fā)電機(jī)組由北京華航盛世供貨，采用了先進(jìn)可靠的向心渦輪透平技術(shù)。 該余熱發(fā)電系統(tǒng)的配置及設(shè)計(jì)性能如表3 所示。

表3 余熱發(fā)電系統(tǒng)配置及設(shè)計(jì)性能（3 臺(tái)）

余熱發(fā)電系統(tǒng)建成后， 進(jìn)行了連續(xù)4d 共計(jì)100.3h 的驗(yàn)收測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表4 所示。 由于乙二醇工藝產(chǎn)生的蒸汽冷凝液流量遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)值， 溫度也偏低，測(cè)試期間采用發(fā)電機(jī)組2 臺(tái)同時(shí)運(yùn)行。 將單臺(tái)機(jī)組運(yùn)行效果與設(shè)計(jì)工況進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表5，可以看出，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件下，單臺(tái)ORC 發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行性能完全滿足并超過了設(shè)計(jì)要求。 因此，該項(xiàng)目順利通過了驗(yàn)收。

5 結(jié)論

表4 余熱發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行性能驗(yàn)收測(cè)試（2 臺(tái)）

表5 運(yùn)行效果分析（單臺(tái)平均）

（1） 近年來，國(guó)內(nèi)煤制乙二醇項(xiàng)目越來越多，其生產(chǎn)過程會(huì)產(chǎn)生大量的余熱，通常以低壓蒸汽或蒸汽凝結(jié)水的形式存在。

（2） ORC 技術(shù)是近年來在國(guó)內(nèi)興起的低溫余熱發(fā)電技術(shù)，特別適用于煤制乙二醇工藝余熱的回收利用，其經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益的十分顯著。

（3） 通過幾年的發(fā)展，ORC 發(fā)電技術(shù)日趨成熟。從應(yīng)用效果來看，國(guó)內(nèi)部分制造商的產(chǎn)品性能優(yōu)良，完全可以滿足設(shè)計(jì)要求。

（4）建議ORC 余熱發(fā)電技術(shù)在國(guó)內(nèi)煤制乙二醇項(xiàng)目上推廣應(yīng)用。