煉油廠利用低溫余熱進行有機朗肯循環(huán)發(fā)電及其效益分析

張美瓊，何 軍，馬蕊燕，張 靜，羅慶華

(中石油克拉瑪依石化有限責任公司，新疆 克拉瑪依 834000)

我國工業(yè)領域的能源消耗量約占全國能源消耗總量的70%[1]。除了生產(chǎn)工藝相對落后、產(chǎn)業(yè)結構不合理的因素外，工業(yè)余熱利用率低、能源沒有得到充分綜合利用是造成能耗高的重要原因。隨著能源危機的壓力不斷加大和人們追求循環(huán)經(jīng)濟、可持續(xù)性發(fā)展的要求越來越高，如何合理高效地利用工業(yè)廢熱，成為節(jié)能減排工作的重要內(nèi)容[2]。

我國能源利用率僅約33%，大部分的能源是以熱量的形式排放到大氣中。隨著生產(chǎn)工藝的進步以及科技水平的逐步提升，我國利用中溫或高溫余熱的技術已經(jīng)成熟，并且已經(jīng)走向工業(yè)化。低溫余熱量雖大，但其利用技術尚不成熟，尤其是在實際工業(yè)生產(chǎn)過程中，85～150 ℃的低品質(zhì)廢熱大量被廢棄，例如煉油廠分餾塔側線、加熱爐煙氣、凝結水、富余蒸汽、富余干氣等含有的低溫余熱被大量浪費[3]。如何充分利用這部分低溫余熱，是設計煉油廠裝置時的難題之一，也是各煉油廠降低能耗、節(jié)能挖潛的重要課題。

近年來，我國煉油廠在低溫余熱利用方面做了很多研究，并通過引進國外技術、設備以及學習回收利用低溫余熱經(jīng)驗，開始將低溫余熱應用于需要的工藝環(huán)節(jié)和其他用戶，并取得了不錯的成效，降低了低溫余熱的直接排放量[4-5]。

低溫余熱的回收有同級利用和升級利用兩種方式。同級利用就是利用低溫余熱直接或間接代替高、中位熱源滿足適宜的用戶需求，可以避免使用高、中位熱源所造成的過大溫差帶來的能量傳遞損失，達到節(jié)能降耗的目的。同級利用主要有兩種用途，一是加熱裝置低溫物流，另一種是加熱生活用水。同級利用是低溫余熱利用中最具有吸引力的方案。升級利用主要包括低溫余熱發(fā)電、低溫余熱制冷和低溫余熱海水淡化等。大多數(shù)低溫余熱的升級利用技術都是用來發(fā)電，低溫余熱發(fā)電技術將企業(yè)在生產(chǎn)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的廢棄的熱能轉(zhuǎn)換為高級能源——電能，是一項變廢為寶的節(jié)能技術[6]，回收投資費用的時間短，經(jīng)濟效益顯著[2，7]。

有機朗肯循環(huán)(ORC)發(fā)電就是為利用低溫余熱而開發(fā)的發(fā)電技術，該技術可以將85～150 ℃的熱水、蒸汽或其他介質(zhì)所攜帶的熱量加以利用來產(chǎn)生電能。以下介紹某石化公司利用凝結水、蒸汽、乏汽中的低溫余熱進行ORC發(fā)電的過程，并進行投資效益分析，旨在為煉油廠的低溫余熱利用方式提供參考建議。

1 公司低溫余熱資源現(xiàn)狀

該石化公司在工藝生產(chǎn)過程中存在大量凝結水和低壓蒸汽，具體為：①溫度為110～115 ℃、壓力為0.25～0.35 MPa的裝置凝結水，其量約為140 th；②溫度為120～125 ℃、壓力為0.25～0.35 MPa的系統(tǒng)乏汽，其量約為25 th；③每年夏季都有富余的溫度為220～240 ℃、壓力為0.62～1.03 MPa的低壓蒸汽直接對空排放，導致蒸汽嚴重浪費，而且存在白煙污染，既不環(huán)保也不節(jié)能。該公司2018年5—9月低壓蒸汽放空量統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 某石化公司2018年5—9月低壓蒸汽日平均放空量 td

表1 某石化公司2018年5—9月低壓蒸汽日平均放空量 td

時 間數(shù) 據(jù)2018-053312018-063752018-071 2462018-085672018-09300

以前以上3種低溫余熱都沒有被利用，不僅造成了熱量的浪費，也存在噪音和環(huán)境污染。為了對這3部分低溫余熱加以利用，同時改善廠區(qū)工作環(huán)境，該公司決定采用ORC和汽輪機回收利用這些低溫余熱發(fā)電，以提高全廠能效，創(chuàng)建節(jié)約型企業(yè)。

2 ORC發(fā)電原理

ORC發(fā)電的原理是以沸點遠低于水的有機物質(zhì)(如丁烷、氯乙烷或氟利昂等[8])為工質(zhì)，有機工質(zhì)在熱力設備中不斷進行等壓加熱、絕熱膨脹、等壓放熱和絕熱壓縮4個過程，使熱能不斷轉(zhuǎn)化為機械能，帶動發(fā)電機產(chǎn)生電能，發(fā)電裝置的循環(huán)系統(tǒng)由換熱器、汽輪機、冷凝器和給水泵組成[9]。ORC的具體過程為：機泵送來的有機工質(zhì)在換熱器中經(jīng)低溫余熱加熱后成為過熱蒸汽，過熱蒸汽進入汽輪機，將熱能轉(zhuǎn)化為機械能，過熱蒸汽釋放出熱能后溫度、壓力均降低，成為乏汽，由冷凝器冷凝為液態(tài)，再經(jīng)機泵升壓，完成一個循環(huán)。因為有機工質(zhì)的常壓沸點遠低于水的常壓沸點(100 ℃)，使得該有機工質(zhì)在較低溫度下就可以汽化，因此可以充分利用低溫余熱作為熱源進行發(fā)電。ORC的原理如圖1所示。公司發(fā)電項目所采用的有機工質(zhì)為五氟丙烷(R245fa)，是目前用于ORC效率最佳的首選工質(zhì)[10]。

圖1 ORC的原理 —低溫熱源; —有機工質(zhì); —冷卻介質(zhì)。圖2同

3 低溫余熱發(fā)電的主要工藝流程

3.1 凝結水余熱發(fā)電

ORC透平機組利用凝結水(熱源1)低溫余熱發(fā)電的工作流程如圖2所示。

圖2 ORC機組將凝結水熱能轉(zhuǎn)化為電能的工作流程

有機工質(zhì)在換熱器中被凝結水加熱后，由液體變成氣體完成升壓，進入透平發(fā)電機做功，做功后的有機工質(zhì)氣體壓力下降，溫度降低，進入蒸發(fā)式冷凝器的殼層，經(jīng)冷卻介質(zhì)冷凝成液體，液體由工質(zhì)泵送入換熱器循環(huán)使用。換熱器中有機工質(zhì)的液位由工質(zhì)泵自動控制，保持系統(tǒng)熱量平衡。

3.2 乏汽余熱發(fā)電

采用ORC機組將系統(tǒng)乏汽和余熱回收發(fā)電裝置中汽水分離器產(chǎn)生的二次汽的混合汽熱源(熱源2)轉(zhuǎn)化為電能，ORC原理與凝結水一樣，發(fā)電后相變?yōu)?5 ℃凝結水直接送至除油除鐵裝置使用，乏汽量約為25 th，溫度由120～125 ℃變?yōu)?5 ℃。

3.3 低壓蒸汽余熱發(fā)電

低壓蒸汽余熱(熱源3)發(fā)電是根據(jù)低壓蒸汽流量的不同采用不同的余熱發(fā)電方式：當?shù)蛪赫羝髁啃r，進入乏汽的ORC系統(tǒng)發(fā)電；當?shù)蛪赫羝髁看髸r，直接進入汽輪機做功發(fā)電(純凝式發(fā)電)，在此不詳述。

熱源1、熱源2、熱源3在ORC發(fā)電前后的物理參數(shù)如表2所示。

表2 各類熱源發(fā)電前后的物理參數(shù)

4 低溫余熱發(fā)電投資效益分析

4.1 經(jīng)濟效益分析

低溫余熱資源發(fā)電項目的經(jīng)濟效益匯總如表3所示。

表3 低溫余熱發(fā)電項目的經(jīng)濟效益匯總

從表3可以看出：該項目工程建設投產(chǎn)實施后，每年共可以發(fā)電1.474×107kW·h，每年的發(fā)電凈收益為869.8萬元；每年回收軟化水的收益為819萬元；每年項目的總收益為1 688.8萬元；該發(fā)電項目投資為2 577.4萬元，因此回收投資需要的時間為 1.5年，即一年半就可回收全部投資；工程每年節(jié)約的能耗為169 354 GJ。由此可見，低溫余熱資源發(fā)電技術具有顯著的經(jīng)濟效益。

4.2 環(huán)境效益分析

該公司在低溫余熱發(fā)電項目投用之前，每年都有大量的凝結水、乏汽和低壓蒸汽向外排放，造成了熱源的浪費，也存在噪音和環(huán)境污染。本項目對這三部分低溫余熱加以利用，改善了廠區(qū)工作環(huán)境，既環(huán)保又節(jié)能。

傳統(tǒng)的火力發(fā)電采用化石能源作為燃料，燃燒后向空氣中排放出大量SO2、CO2和煙塵，污染大氣，造成了大面積的霧霾天氣，危害動、植物生長及人類健康，形成的酸雨還會腐蝕金屬設備。

本項目利用煉油廠的低溫余熱替代天然氣或化石能源燃燒取得的熱量，可減少化石能源的消耗以及其燃燒帶來的環(huán)境污染。本項目的低溫余熱發(fā)電與采用煤作為燃料的火力發(fā)電相比，在同樣發(fā)電量情況下，每年可降低能耗169 354 GJ，減排CO2的量約為12.9 kt。

因此，本項目可幫助解決煉油廠余熱利用的難題，同時也減少了化石能源的消耗，在取得經(jīng)濟效益的同時降低了對環(huán)境的污染。

5 結 論

選用國際先進成熟的ORC發(fā)電技術對煉油裝置產(chǎn)生的凝結水、乏汽、低壓蒸汽中的低溫余熱進行回收發(fā)電，創(chuàng)造了經(jīng)濟效益，降低了工廠運行成本和企業(yè)能耗。同時，降低了對煤炭的消耗，減少了CO2、粉塵、SO2以及氮氧化物的排放，進一步改善了當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境。