煤化工一氧化碳變換單元低位熱能利用初探

盧利飛，于戈文

（1.內(nèi)蒙古科技大學，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.神華榆林能源化工有限公司，陜西 榆林 719302）

能源問題已經(jīng)逐漸成為制約我國經(jīng)濟發(fā)展的重要因素，節(jié)能減排已是當今的主要課題，在化工行業(yè)的各生產(chǎn)裝置中存在大量的低溫余熱，如何充分回收利用這些低溫余熱顯然已成為節(jié)能降耗、提高企業(yè)競爭力的重要舉措。

本文以180萬t/a煤基甲醇的生產(chǎn)裝置為例，研究一氧化碳變換單元的余熱回收。以煤為原料氣化制得的粗煤氣中，主要組份為氫氣、一氧化碳、二氧化碳、硫化物等。粗煤氣中的氫氣和一氧化碳可以用來合成甲醇，但粗煤氣中氫碳比例不符合甲醇合成反應的要求，粗煤氣需要通過一氧化碳變換反應調(diào)整其中組分的氫碳比[1]。變換單元產(chǎn)生的余熱大多用于富產(chǎn)蒸汽和加熱鍋爐給水，高品位余熱用于富產(chǎn)高溫、高壓蒸汽，以提高高品位工藝余熱利用效率；通過鍋爐給水及脫鹽水回收低品位工藝余熱，避免使用循環(huán)水換熱，不僅可以減少循環(huán)水的消耗，而且可以提高低品位工藝余熱的利用率[2]。典型一氧化碳變換單元流程為提高工藝氣余熱的利用率，按照溫度高低逐級利用，將高溫工藝氣依次用來過熱中壓蒸汽、副產(chǎn)中壓蒸氣（4.1MPa）、過熱低壓蒸汽、富產(chǎn)低壓蒸汽（1.1MPa）、過熱低低壓蒸汽、副產(chǎn)低低壓蒸汽（0.46MPa）、加熱鍋爐給水、加熱脫鹽水，最后在水冷器用循環(huán)水冷卻，使溫度降至40℃。但在實際生產(chǎn)運行過程中，煤基甲醇生產(chǎn)裝置副產(chǎn)大量的低壓蒸汽，特別是非采暖期，低壓蒸汽富裕明顯，因這些蒸汽的熱品位較低，無法通過簡單的途徑進行回收利用，大多采取直接放空的方式處理，這不僅造成大量的熱能浪費，而且造成廠區(qū)環(huán)境污染。某180萬t/a煤基甲醇生產(chǎn)裝置，1.1MPa蒸汽每小時放空約168t，造成大量蒸汽、脫鹽水、熱量浪費，若能將該多余的1.1MPa蒸汽實現(xiàn)回收利用，既能節(jié)約企業(yè)生產(chǎn)成本，也符合國家節(jié)能減排的方針。

1 低溫余熱回收技術(shù)

低溫余熱的回收效率和回收量，與生產(chǎn)工藝運行條件、環(huán)境溫度等有著緊密的關(guān)系，保證裝置穩(wěn)定長周期運行是提高余熱的利用效率的關(guān)鍵。常見的余熱回收方式有以下四種：（1）熱交換技術(shù)；（2）熱泵技術(shù)；（3）余熱制冷技術(shù)；（4）余熱發(fā)電技術(shù)。

1.1 熱交換技術(shù)

熱交換技術(shù)是石油化工等行業(yè)應用最廣、最為常用的熱量回收形式，高溫介質(zhì)通過各種換熱設(shè)備與低溫工藝物料換熱，將熱量直接傳遞給低溫物料，提高被加熱介質(zhì)的溫度，是余熱回收利用技術(shù)中最為直接、熱效率最高的方法之一[3]。在工藝設(shè)計過程或技改技措中，強化裝置間熱聯(lián)合和熱集成，將余熱資源直接與低溫的工藝物料換熱，最終實現(xiàn)節(jié)省高品位的蒸汽或燃料的目的；在環(huán)境溫度較低的北方可以利用低溫熱產(chǎn)生熱水，為居民區(qū)或辦公樓供暖。

1.2 熱泵技術(shù)

化工生產(chǎn)過程中在消耗大量的燃料和蒸汽能量的同時，又會副產(chǎn)許多低品位能量，例如70～90℃的低壓飽和蒸汽或50℃左右的熱水等，因為無法有效回收這些低溫余熱大多以廢熱的形式被排放到自然環(huán)境中，然而通過熱泵技術(shù)可以將這部分余熱回收利用。熱泵技術(shù)包括吸收式熱泵和壓縮式熱泵。吸收式熱泵對熱源的品位沒有限制，可直接使用各種熱能進行驅(qū)動，經(jīng)過自身循環(huán)實現(xiàn)升溫的目的，是一種特別理想的能量回收裝置。壓縮式熱泵在運行過程中，需要消耗部分高品位能量（電能、機械能及高溫熱能）來驅(qū)動制冷機，在熱力循環(huán)的過程中將低溫余熱源的熱量“泵送”至高溫熱媒。例如使用熱泵技術(shù)將進入鍋爐的除氧水溫度由20～25℃提高到50℃以上，通常熱泵系統(tǒng)利用電能驅(qū)動制冷劑循環(huán)，制冷劑經(jīng)蒸發(fā)器、冷凝器等部件進行相變，將低溫介質(zhì)的熱量輸送到高溫介質(zhì)中，回收低溫介質(zhì)的熱量提高高溫介質(zhì)的溫度。

1.3 余熱制冷技術(shù)

在傳統(tǒng)的工業(yè)和民用制冷方式中應用最多的是壓縮式制冷，其利用外力做功進行壓縮制冷，但能耗較大。近年來，利用吸收式和吸附式制冷技術(shù)回收廉價能源及低品位熱能的技術(shù)被廣泛使用，比較典型的技術(shù)是使用溴化鋰-水、氨-水等天然制冷劑進行制冷，采用這些制冷劑對臭氧層沒有破壞作用，節(jié)電能力和環(huán)保效益顯著。吸收式制冷和吸附式制冷是工質(zhì)循環(huán)特性非常類似制冷方式，循環(huán)過程包括：蒸發(fā)→吸附（吸收）→解吸（發(fā)生）→冷凝→蒸發(fā)[4]。吸收式制冷循環(huán)工質(zhì)的特點：低沸點易于蒸發(fā)汽化、流動性能良好的液體；吸附式制冷技術(shù)的吸附劑一般為固體介質(zhì)，廣泛采用氯化鈣-氨、分子篩-水等工質(zhì)[5]。低溫制冷技術(shù)已在石油化工企業(yè)中得到了普遍的應用，特別是在南方煉廠，利用制冷機產(chǎn)生的冷凍水冷卻精餾塔頂溫度，可以有效降低精餾塔塔頂排放氣的冷后溫度，降低高附加值產(chǎn)品損耗，將溴化鋰吸收式制冷作為一種低溫余熱利用的新途徑。但將低品位熱源用作冬季供暖或夏季制冷都是周期性的運行。

1.4 余熱發(fā)電技術(shù)

有機朗肯循環(huán)低溫余熱發(fā)電技術(shù)，一般選擇低沸點的有機物作為循環(huán)介質(zhì)，而不使用水作為工作介質(zhì)[6]。循環(huán)有機工質(zhì)被余熱介質(zhì)加熱在蒸發(fā)器蒸發(fā)汽化，氣相有機工質(zhì)進入汽輪機或螺桿機膨脹做功，帶動發(fā)電機發(fā)電，整個工藝流程簡單，布局緊湊[7]。該技術(shù)的優(yōu)點是：有機工作流體與廢熱物流沒有直接接觸；由于有機工作流體具有高密度和小體積的特性，因此透平所需的工藝管道尺寸較小和流體流量較低，對溫度較低的低品位熱源效率更高。而且如果有機工質(zhì)選擇比較恰當，蒸發(fā)器及過熱器的制造費用都可以降低。

有機朗肯循環(huán)與傳統(tǒng)朗肯循環(huán)工作具有幾乎相同的原理。主要區(qū)別是有機朗肯循環(huán)采用低沸點有機工質(zhì)。與水相比有機工質(zhì)具有沸點低、飽和蒸汽壓力高的特點。因此，工質(zhì)的改變導致有機朗肯循環(huán)比傳統(tǒng)的蒸汽朗肯循環(huán)整體性能和循環(huán)效率有明顯的提高。圖1是有機朗肯循環(huán)示意圖。

圖1 有機朗肯循環(huán)示意圖

如圖1所示，整個有機朗肯循環(huán)包括四個步驟：步驟一，1→2為絕熱加壓；步驟二，2→3為等壓加熱；步驟三，3→4為絕熱膨脹；步驟四，4→1等壓冷卻。有機朗肯的循環(huán)過程由這四個步驟依次循環(huán)進行，有機朗肯循環(huán)中的四個主要設(shè)備依次為加壓泵、蒸發(fā)器、膨脹機及冷凝器。

2 變換1.1MPa富余蒸汽回收探討

2.1 1.1MPa過熱蒸汽用于余熱發(fā)電探討

若將多余的低位蒸汽用于余熱發(fā)電，既可以回收蒸汽，減少脫鹽水的浪費，又可以發(fā)電產(chǎn)生效益。利用ASPEN模擬1.1MPa過熱蒸汽余熱發(fā)電，模擬工藝流程圖如圖2所示。

該模擬流程采用的熱源是1.1MPa過熱蒸汽，溫度為250℃，冷源是25℃循環(huán)水，采用異丁烷（C4H10）作為循環(huán)工質(zhì)，工質(zhì)在汽輪機內(nèi)絕熱膨脹對外做功后排出，然后進入冷凝器與冷卻水換熱。再經(jīng)加壓泵加壓至2.75MPa（A）至送往蒸發(fā)器完成有機朗肯的循環(huán)過程。設(shè)置參數(shù)如下：

蒸 發(fā) 器 (B5)：specification/HOT steam outlet vapor fraction=0

汽輪機(B9)：turbine/discharge pressure=0.55MPa

冷 凝 器 (B20)：specification/HOT steam outlet degrees subcooling=1

加壓泵(B13)：pump/discharge pressure=2.75MPa

圖2 低壓蒸汽模擬發(fā)電流程圖

表1模擬1.1MPa過熱蒸汽余熱發(fā)電模擬數(shù)

通過模擬，若回收1.1MPa過熱蒸汽168t/h，回收蒸汽冷凝液168t/h，同時可發(fā)電10981kWh/h，脫鹽水價格按14.5元/t、循環(huán)水按0.188元/t、電按0.47元/kWh計，運行時間按8000h/a計，每年可增收：(168*14.5+10981*0.47-6000*0.188)*8000=5175.256萬元。經(jīng)濟效益良好。

2.2 1.1MPa富余蒸汽用于廢水多效蒸發(fā)探討

多余低品位蒸汽用于煤化工廢水多效蒸餾，煤化工項目不僅耗水，而且廢水排放量也大。要實現(xiàn)煤化工廠污水零排放關(guān)鍵要將廢水中的鹽類脫除，目前煤化工裝置排放的廢水雖然COD、氨氮等指標達到環(huán)保排放標準，但一些在水中溶解度較大的鹽類（氯化鈉、氯化鈣、硫酸鈉、氯化鎂、硫酸鎂等）無法去除，直接引入系統(tǒng)再利用將會帶來設(shè)備結(jié)垢、腐蝕及軟泥沉積等問題。為了真正實現(xiàn)工廠廢水零排放，煤化工企業(yè)必須對廢水進行脫鹽處理。

廢水處理蒸發(fā)裝置的設(shè)計依據(jù)：不同物質(zhì)在相同壓力下沸點不同，將混合物加熱至某種溶劑的沸點，通過蒸發(fā)的方式將溶劑分離出來，從而脫除廢水中的鹽類[8]。多效蒸發(fā)（MED）是將多個蒸發(fā)器串聯(lián)起來，通過加熱將廢水中的鹽類脫除，上一個蒸發(fā)器產(chǎn)生的二次蒸汽用于加熱下一個蒸發(fā)器，蒸汽的利用次數(shù)就是蒸發(fā)效數(shù)。多效蒸發(fā)過程需要消耗大量熱量，而煤化工裝置都會有大量的廢熱無法回收利用，所以煤化工企業(yè)配套多效蒸發(fā)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)勢互補。利用生產(chǎn)裝置多余的低位蒸汽處理煤化工污水，既可以達到回收蒸汽的目的，又可以節(jié)省污水的處理成本。

3 結(jié)論

針對煤制甲醇生產(chǎn)裝置副產(chǎn)1.1MPa蒸汽無法有效利用的現(xiàn)狀，本文探討了熱交換技術(shù)、熱泵技術(shù)、余熱制冷技術(shù)和余熱發(fā)電技術(shù)的特點，通過模擬計算了使用1.1MPa過熱蒸汽進行余熱發(fā)電的可行性和經(jīng)濟效益，并且提出了將煤化工裝置產(chǎn)生的低位蒸汽用于廢水多效蒸發(fā)，提高廢熱回收效率，同時減少裝置水耗，提高企業(yè)競爭力。