DMO合成反應低位熱能利用方案選擇及運行總結

李發春

(湖北三寧化工股份有限公司, 湖北枝江 443206)

煤制乙二醇項目存在投資大、生產成本高的問題，同時需要面對石油制乙二醇的競爭，因此，對煤制乙二醇的挖潛增效是企業面臨的首要任務。

湖北三寧化工股份有限公司60萬t煤制乙二醇項目采用合成氣制乙二醇技術。60萬t乙二醇需配套120萬t草酸二甲酯(DMO),其中羰基化法制DMO單系列40萬t，每個系列并聯2臺DMO合成反應器。DMO合成反應器合成反應熱產生的副產蒸汽由于溫度偏低，只有一部分被用作預熱循環氣的加熱蒸汽，其余副產蒸汽利用空冷器或循環水冷卻為蒸汽凝液。這樣既增加了設備投資和生產成本，又浪費了低位熱能[1]。因此，需要對這部分低品位熱能進行開發利用。

1 余熱基礎參數

現有DMO合成流程是通過廢鍋副產蒸汽，控制DMO的反應溫度。若直接利用DMO熱水，在余熱利用系統異常時會影響DMO的反應溫度，影響生產穩定；同時，若直接利用DMO熱水，更改了原煤制乙二醇工藝流程，工藝包方也不會同意。經與設計院協商和綜合考慮后，將余熱按表1所示參數向外提供。

表1 DMO反應副產蒸汽余熱參數

目前，低溫熱能利用相對成熟的技術有余熱制冷技術、余熱升級技術和熱功轉換技術[2]。

2 余熱制冷技術

余熱制冷技術通常指低品位的熱源利用溴化鋰機組生產-7 ℃的冷凍水。但是在實際應用中，將0.5 MPa或者1.7 MPa的蒸汽冷凝液用于溴化鋰機組制冷，就能夠滿足生產企業對生產及生活冷凍水的需求。湖北三寧化工股份有限公司乙二醇工廠有足夠的蒸汽冷凝液，不需要利用副產乏汽制冷。

3 余熱升級技術

余熱升級技術一般采用熱泵升級，熱泵以消耗一部分高質能(電能、機械能或高溫熱能)作為補償，通過制冷機熱力循環，把低溫余熱源的熱量“泵送”成高溫熱媒[3]。但是，大中型壓縮式熱泵在國內的應用并不成熟；因此，不考慮該方案。

4 熱功轉換技術

按照工質分類，熱功轉換技術可分為傳統的蒸汽直接驅動發電技術和有機工質驅動發電(即有機朗肯循環(ORC)發電)技術。蒸汽直接驅動發電技術又可細分為蒸汽直接驅動螺桿膨脹機發電和蒸汽直接驅動汽輪機發電。

4.1 蒸汽直接驅動汽輪機發電方案

4.1.1 工藝設計說明

蒸汽直接驅動汽輪機發電方案中，汽輪機在高速運轉時，低溫乏汽會凝析出小液滴，汽輪機葉片壽命得不到保障。為克服這種情況，將DMO循環熱水閃蒸產生的87 t/h壓力為0.024 MPa、溫度為106.1 ℃的蒸汽，與18.1 t/h壓力為0.5 MPa的蒸汽利用文丘里管進行抽引后在混合罐內混合過熱，然后送入2套汽輪機組發電，汽輪機產生的乏汽送入水冷器冷凝。由于汽輪機轉速高，所以發電效率比較高。

4.1.2 工藝流程

蒸汽直接驅動汽輪機發電方案的工藝流程見圖1。

圖1 蒸汽直接驅動汽輪機發電方案的工藝流程

4.1.3 工藝流程物料參數

蒸汽直接驅動汽輪機發電方案的工藝流程物料參數見表2。

表2 蒸汽直接驅動汽輪機發電參數

4.2 ORC發電方案

4.2.1 工藝設計說明

熱水或熱源流進入ORC膨脹發電站的蒸發器中，與液體有機工質換熱，降溫后的熱水或熱源流重新返回原工藝[4]。換熱后的工質液體蒸發為高壓氣體有機工質，進入膨脹機膨脹做功，做功后的低壓氣體有機工質進入殼管式冷凝器用循環冷卻水冷凝為液體工質，經過工質泵加壓后進入預熱器/蒸發器進行預熱和蒸發，如此循環。ORC發電的運行原理圖見圖2。

圖2 ORC發電的運行原理圖

4.2.2 機組選型及說明

目前，國內ORC發電方案大多采用螺桿膨脹機，國外則大多采用透平機。國內螺桿膨脹機和透平機單臺最大發電功率在1 MW左右，1 MW以上的透平機需要國外定制。以PJ935/Q17.2型螺桿膨脹發電機組為例，有機工質為QT2,其他主要參數見表3。

表3 膨脹螺桿發電機組主要參數

4.3 蒸汽直接驅動螺桿膨脹機發電方案

4.3.1 工藝流程

飽和蒸汽從DMO合成反應器副產蒸汽母管到螺桿膨脹發電機組(拖動發電機發電)，低溫水蒸氣進入冷凝系統冷凝，凝液返回原有工藝系統。蒸汽直接驅動螺桿膨脹機發電方案的工藝流程見圖3。

圖3 蒸汽直接驅動螺桿膨脹機發電方案的工藝流程

4.3.2 主要工藝參數

螺桿膨脹發電機組進出口DMO合成反應器副產蒸汽參數及發電功率見表4。

表4 螺桿膨脹發電機組參數

在選定相關乏汽利用技術路線、方案的基礎上，部分技術方按照選定的技術路線制作了較詳細的方案，并進行報價(見表5)。熱源參數：飽和蒸汽壓力為0.025 MPa，溫度為106 ℃，質量流量為87 t/h。

表5 各種發電方案技術經濟對比

在比較各技術方的方案后，從裝置的建設難度、設備的可維護性能、投資回收期、公司業績及安全環保的角度考慮，最終選擇了江西某公司的方案及設備。自2021年DMO合成反應器開車以來，6臺發電設備，除1臺由于設備振動大，返廠維修外，其他設備均穩定運行。單臺設備典型的運行參數為：進汽質量流量13 t/h,飽和蒸汽壓力0.03 MPa，排汽溫度28 ℃，發電功率650 kW。運行參數與設計值非常接近。

5 結語

煤制乙二醇項目DMO合成反應器副產蒸汽，采用蒸汽直接驅動螺桿膨脹機發電是可行的。螺桿膨脹機的結構特點使其對飽和的乏汽帶液的容忍性比較高，螺桿膨脹機能夠長期穩定運行，且蒸汽熱功轉化效率較高，經濟效益可觀。