化工裝置工藝氣余熱回收節(jié)能優(yōu)化策略

祁世杰(中國昆侖工程有限公司遼寧分公司，遼寧 遼陽 111003)

0 引言

化工工業(yè)是將天然物質(zhì)或其他自然物質(zhì)作為原材料，并根據(jù)不同物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)及其特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)工程。大量使用這些自然的物質(zhì)存在著資源浪費(fèi)、資源匱乏、環(huán)境污染等問題，有些資源使用過后并不可再生致使資源逐漸缺少。在化工工藝實(shí)施過程中，節(jié)約資源是十分重要的，能源的節(jié)約能有效地將所節(jié)約到的能源放在更多的領(lǐng)域上去實(shí)施，進(jìn)而起到回收利用的作用。

1 生物質(zhì)碳化伴生氣余熱回收工藝

現(xiàn)有通用的生物質(zhì)碳化工藝，通常使用低高溫碳化工藝及其設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)，低高溫碳化工藝指在低溫條件下，低溫碳化過程所產(chǎn)生的伴生氣體因熱值低很難燃燒被利用，低溫產(chǎn)生的伴生氣體多數(shù)都直接排空。在高溫條件下，高溫碳化過程中產(chǎn)生較高溫度的伴生氣體，一般通過簡(jiǎn)單提純、過濾等手法處理后被利用，雖然此類方法可一定程度的提高利用效果，但是仍然存在著很多問題：(1)在低溫條件下所產(chǎn)生的低溫伴生氣體熱值低不易被利用導(dǎo)致直接排空，造成能量資源的浪費(fèi)以及環(huán)境的污染；(2)在高溫條件下產(chǎn)生的伴生氣體存在著焦油、灰塵等的各種雜質(zhì)，生產(chǎn)過程中要處理起來難度較大，成本投入高；(3)全自動(dòng)化程度低；(4)氧化效率不理想且還需要借助外界的能量來維持運(yùn)作，技術(shù)陳舊能耗較大。

新技術(shù)的余熱回收裝置包括啟動(dòng)預(yù)熱系統(tǒng)、逆流氧化系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)三個(gè)系統(tǒng)組成。該設(shè)備在將液化氣及空氣混合燃燒產(chǎn)生的熱量作為設(shè)備啟動(dòng)的初始能量，該裝置采用高溫?zé)崮媪鲹Q向氧化工藝，其原理是讓低溫碳化過程產(chǎn)生的低熱值伴生氣體可在高溫環(huán)境下自主氧化。在這一過程中，產(chǎn)生的熱量一邊提供給伴生氣體氧化過程所需要的能量，另一邊也利用該熱量作為給外界提供的熱輸出。液化氣和空氣在該設(shè)備的混燃器中進(jìn)行完全燃燒，產(chǎn)生的高溫氣體對(duì)逆流氧化系統(tǒng)中的蓄熱介質(zhì)石英砂進(jìn)行加熱。當(dāng)石英砂被加熱達(dá)到預(yù)先設(shè)定的溫度時(shí)，設(shè)備將自動(dòng)切斷液化氣停止燃料供料讓其自行升溫。該設(shè)備具備的優(yōu)點(diǎn)有：使低溫狀態(tài)下的低熱值伴生氣體能充分燃燒并將能量回收利用，與一般技術(shù)相比減少污染氣體排放更環(huán)保，對(duì)減低尾氣處理要求大大降低并大幅度提升燃料利用率，自動(dòng)化程度高，需要燃料量低，節(jié)能顯著突出，新技術(shù)達(dá)到了環(huán)保節(jié)能的目的[1]。

2 高溫余熱回收裝置

通常氣體余熱回收設(shè)備的工藝原理是將高溫氣體分成幾部分傳遞熱量，達(dá)到高溫介質(zhì)降溫的目的，并將設(shè)備內(nèi)部的水加熱蒸發(fā)獲得蒸汽，高溫氣體能降低到合適的溫度，降溫后的氣體從設(shè)備排出去后續(xù)工序。該設(shè)備選材要求相對(duì)較高，不僅增加投入成本，還加大了生產(chǎn)過程的復(fù)雜程度。新出現(xiàn)的裝置為臥式三重套管高溫余熱回收裝置，有效的解決了一般設(shè)備中存在的不足。該設(shè)備制作的條件不高，故成本無需增加太多。

如圖1所示，該設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)在于：(1)直連式的設(shè)計(jì)，很大程度上舍去了傳統(tǒng)設(shè)備中的高溫引出管。而高溫引出管往往使用合金鋼管制造。通過減少使用合金鋼這類昂貴材料可達(dá)到節(jié)約成本目的。在另一層面還能降低能量損失，提高余熱回收效率最終可提高產(chǎn)品產(chǎn)量。(2)該裝置利用三重套管式的構(gòu)造模式，選用了合成塔-臥式廢熱鍋爐一體化的直連式設(shè)計(jì)，讓生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的高溫氣體首先流向不受壓的內(nèi)套管內(nèi)，將高溫氣體降至合適的溫度后再和水進(jìn)行傳熱工作(高壓鍋爐管內(nèi)進(jìn)行)，因不接觸介質(zhì)故鍋爐管可使用低等級(jí)材料，延長(zhǎng)檢修周期，不僅能節(jié)省成本，還使需購買的材料更容易獲得，在安全方面更利于平穩(wěn)運(yùn)行。(3)裝置在高壓聯(lián)箱內(nèi)部設(shè)置了分隔措施，將高溫、高壓分成兩部分由內(nèi)外兩個(gè)聯(lián)箱承擔(dān)，有效降低了承壓板所受到的壓力，這樣能有效的提升設(shè)備的運(yùn)作效率，在制造材料方面降低對(duì)外聯(lián)箱的選材要求和制造難度，能在節(jié)省成本的同時(shí)也很大程度上確保了設(shè)備安全。(4)制氣、變換、合成等各個(gè)步驟中所產(chǎn)生大量的余熱，使用該設(shè)備進(jìn)行余熱回收可減少能源的損耗，達(dá)到化工工業(yè)生產(chǎn)節(jié)能的目的。

圖1 臥式三重套管高溫余熱回收裝置

3 石油化工中可使用的工藝余熱回收利用裝置

石油化工裝置存在許多可利用的熱量。例如石化企業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品過程中會(huì)有很多地方有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，通常放熱的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量會(huì)因反應(yīng)物化學(xué)性質(zhì)及反應(yīng)條件的不同，介質(zhì)的溫度也不相同，但多數(shù)是通過使用冷卻水冷卻將這部分反應(yīng)生成熱帶走。出于對(duì)這一環(huán)節(jié)考慮，在工廠內(nèi)構(gòu)建出冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，因?yàn)槔鋮s水循環(huán)系統(tǒng)中的供水溫度相對(duì)較低且固定(由當(dāng)?shù)貧庀髼l件決定)，將相對(duì)高溫的介質(zhì)冷卻后，這部分本可以利用的熱量將不能被使用。且循環(huán)水系統(tǒng)還需用電能將冷卻水強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)在循環(huán)冷卻水涼水塔處將熱量釋放，造成了很大的能量浪費(fèi)。

而工藝余熱分級(jí)回收利用裝置可將化工裝置中的類似余熱回收分級(jí)利用，該裝置能回收余熱并將其利用的方法是：設(shè)置多個(gè)不同溫度級(jí)別的冷卻循環(huán)單元，該裝置同原有的化工工藝的冷卻系統(tǒng)和化工工藝中的反應(yīng)釜連接(石油化工工藝流程中的原有設(shè)備，也是本裝置回收利用的熱源和需要冷卻的設(shè)備)，在裝置工作時(shí)，時(shí)刻監(jiān)測(cè)進(jìn)出水口的溫度，如果進(jìn)水口處的溫度小于或者等于原來的冷卻系統(tǒng)中的冷卻水溫度時(shí)，再把出水口溫度進(jìn)行一一對(duì)比后將相同溫度的冷卻水流入其中。如果進(jìn)水口處的溫度高于所有冷卻水循環(huán)單元的出口溫度時(shí)候，裝置則會(huì)自動(dòng)將循環(huán)冷卻水系統(tǒng)和反應(yīng)釜連接起來，恢復(fù)為全廠用循環(huán)冷卻水為冷卻介質(zhì)的流程。

如圖2所示，該裝置能解決現(xiàn)有化工裝置中工藝存在的冷卻循環(huán)水耗能過大，循環(huán)水余量不足，余熱不能被完全利用的問題，且很好地把各個(gè)階段通過化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量進(jìn)行分層次逐級(jí)收集起來，并對(duì)不同溫度進(jìn)行不同的回收處理，可將其分別用于制冷、供暖、工藝介質(zhì)加熱等方向，最大程度上將化工裝置中余熱充分利用[2]。

圖2 工藝余熱分級(jí)回收利用裝置

4 煤氣余熱回收工藝裝置

該裝置屬于煤氣回收系統(tǒng)的工藝單元，適用于需要對(duì)煤氣冷卻時(shí)可余熱回收利用的裝置。其余熱回收工藝是將蒸氨裝置生產(chǎn)操作過程中剩余的廢水送至煤氣橫管式初冷器中，經(jīng)換熱后的蒸氨廢水可得到高溫煤氣中的熱量達(dá)到預(yù)熱的目的，能為后續(xù)蒸餾過程節(jié)省能量。煤氣則在初冷器上層部分被蒸氨廢水冷卻，后在下層部分再用循環(huán)冷卻水進(jìn)行冷卻。高溫煤氣中的熱量被蒸氨廢水所獲取，提高溫度后再送往氨水蒸氨裝置進(jìn)行使用。大多數(shù)技術(shù)方案為僅使用循環(huán)冷卻水將煤氣的熱量帶走，需消耗冷卻介質(zhì)的冷量，既浪費(fèi)了熱煤氣中的熱能，又需要增加額外過多的電能消耗，存在能源的浪費(fèi)。與通用技術(shù)相比較，該裝置生產(chǎn)工藝的方法并不復(fù)雜，但可將其能耗水平降低10%～20%，該工藝過程中并不需要額外提供動(dòng)能，這樣可大幅度減少運(yùn)行成本，還可達(dá)到節(jié)能環(huán)保目的[3]。煤氣余熱回收裝置如圖3所示。

圖3 煤氣余熱回收裝置

5 結(jié)語

在很多化工裝置中能夠以不同形式實(shí)現(xiàn)余熱回收，在設(shè)計(jì)化工工藝裝置的時(shí)候需要將各個(gè)單元細(xì)分開來考慮，對(duì)化工工藝進(jìn)行深入的研究并制定策略，在逐步摸索中完善化工工藝。還需對(duì)國內(nèi)外的余熱回收節(jié)能技術(shù)及設(shè)備進(jìn)行學(xué)習(xí)，在借鑒后加入自己的觀點(diǎn)，以求對(duì)新建及現(xiàn)有工藝裝置能達(dá)到更加節(jié)能和可持續(xù)發(fā)展的目的。