機(jī)械蒸汽壓縮在煉化裝置余熱利用中的應(yīng)用分析

郭振國(guó)

(中海油石化工程有限公司，山東 濟(jì)南 250101)

煉化企業(yè)在生產(chǎn)能源的同時(shí)，也消耗了大量能源，是能源的主要消耗者。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，煉化企業(yè)的能耗已經(jīng)成為全國(guó)各行業(yè)中的耗能大戶(hù)。近年來(lái)，國(guó)家環(huán)保法規(guī)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格，油品清潔化要求更高，對(duì)煉化企業(yè)能耗限制越來(lái)越多；于此同時(shí)，原油卻日益劣質(zhì)化，煉化裝置加工流程向復(fù)雜方向變化，消耗能量越來(lái)越高，嚴(yán)重影響節(jié)能減排的實(shí)施。煉化企業(yè)現(xiàn)在面臨的首要問(wèn)題是：如何在降低能耗，達(dá)到節(jié)能減排目標(biāo)的同時(shí)，提高企業(yè)的效益和競(jìng)爭(zhēng)力[1]。

煉化裝置中有大量熱物流需要進(jìn)行冷卻，這部分熱量不僅消耗了大量循環(huán)水或電能，其本身攜帶的熱量還被大量浪費(fèi)，大大增加了整個(gè)裝置的能耗。工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)證明，對(duì)裝置內(nèi)產(chǎn)生的余熱進(jìn)行回收并加以利用，能夠有效降低裝置能耗，是效果明顯的節(jié)能措施。經(jīng)過(guò)不斷研究，煉化裝置余熱利用方式已經(jīng)日漸成熟，常規(guī)方式主要有采暖伴熱、制冷、發(fā)電等[2]。但是，這些方式的使用都有各自的限制。

機(jī)械蒸汽壓縮(Mechanical Vapor compression，縮寫(xiě)為MVR)技術(shù)是一項(xiàng)高效環(huán)保的節(jié)能技術(shù)，主要用在溶液的蒸發(fā)工藝過(guò)程中。本文對(duì)MVR技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，并對(duì)其在煉化裝置低溫余熱利用中的應(yīng)用進(jìn)行分析。

1 MVR技術(shù)介紹

MVR技術(shù)又稱(chēng)為熱泵技術(shù)，是將低溫低壓的蒸汽通過(guò)壓縮，變?yōu)楦邷馗邏旱恼羝９ぷ鬟^(guò)程為：低溫低壓蒸汽進(jìn)入蒸汽壓縮機(jī)，經(jīng)過(guò)壓縮使得低壓蒸汽的溫度、壓力和熱焓值都得到很大的提升，得到的高品位的蒸汽送往下游用戶(hù)。該技術(shù)將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，用機(jī)械方法將蒸汽品位提高。MVR技術(shù)使原來(lái)需要廢棄的低品位蒸汽得到了充分的利用，在回收了潛熱的同時(shí)提高了熱效率，并且省去了二次蒸汽處理，可以節(jié)約大量的冷卻水和動(dòng)力消耗[3]。

MVR技術(shù)最早由國(guó)外公司開(kāi)發(fā)，近期由于國(guó)家對(duì)能耗的要求越來(lái)越高，該技術(shù)在國(guó)內(nèi)也逐漸得到大量應(yīng)用。

MVR技術(shù)的核心為蒸汽壓縮機(jī)。壓縮機(jī)的選擇需要根據(jù)工藝需要的壓縮比和流量來(lái)確定。常見(jiàn)的蒸汽壓縮機(jī)的形式有螺桿式壓縮機(jī)、羅茨式壓縮機(jī)和離心式壓縮機(jī)，分別針對(duì)不同的工況。比如羅茨式壓縮機(jī)和螺桿式壓縮機(jī)適用于壓縮比要求較高但流量較小的工況，離心式壓縮機(jī)適用于壓縮比要求低但流量很大的工況[4]。

目前，MVR技術(shù)已經(jīng)在蒸發(fā)工藝過(guò)程中得到了大量使用，比如化工、食品、海水淡化、廢水處理等行業(yè)。但是在煉化裝置余熱回收領(lǐng)域，尚未見(jiàn)該技術(shù)的應(yīng)用報(bào)道。

2 MVR技術(shù)在煉化裝置余熱利用中的應(yīng)用方案分析

2.1 煉化裝置余熱利用常規(guī)方案

煉化裝置中的熱物流的冷卻通常是采用循環(huán)水冷卻或空冷器冷卻，需要對(duì)熱物流的熱量進(jìn)行回收時(shí)，常根據(jù)熱物流的溫位來(lái)確定利用方案，通常有以下幾種常規(guī)方案可供選擇。

2.1.1 裝置內(nèi)物流換熱

煉化裝置中會(huì)產(chǎn)生攜帶大量熱量的高溫?zé)嵛锪鳎瑸榱撕侠淼睦媚茉?，?yīng)該首先選擇與裝置內(nèi)需要加熱的物流進(jìn)行充分換熱，對(duì)熱量實(shí)現(xiàn)逐級(jí)利用，避免出現(xiàn)熱量的浪費(fèi)。目前的煉化裝置，在工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，基本上均遵循了這項(xiàng)原則，這也是保證裝置能耗的重要手段。但是，隨著加工工藝的日益完善，裝置內(nèi)部的換熱流程已經(jīng)在設(shè)計(jì)工程中被充分優(yōu)化，仍然還有一部分溫位較低的熱量無(wú)法被裝置內(nèi)利用。

2.1.2 采暖或裝置內(nèi)伴熱

該方案需要設(shè)置熱媒水循環(huán)系統(tǒng)，使用熱媒水對(duì)裝置內(nèi)的熱物流進(jìn)行取熱，被加熱后的熱媒水送往采暖用戶(hù)或裝置內(nèi)需要伴熱的部位。該方案雖然可以對(duì)裝置內(nèi)余熱進(jìn)行利用，但熱負(fù)荷隨著季節(jié)晝夜變化較大，容易導(dǎo)致工藝裝置的波動(dòng)。同時(shí)，對(duì)于我國(guó)南方地區(qū)的煉化裝置，由于常年氣溫較高，該方案適用性較差。

2.1.3 制冷

目前使用較多的為低溫?zé)徜寤囄罩评?，我?guó)南方地區(qū)的煉廠中已經(jīng)普遍使用。溴化鋰吸收式制冷的熱源為80～250℃的低溫余熱，吸收劑為溴化鋰溶液，制冷劑為水，可以制取溫度達(dá)到0℃的冷媒水。制冷產(chǎn)生的冷媒水可以用于夏季辦公區(qū)域的空調(diào)制冷，或用于生產(chǎn)過(guò)程中工藝介質(zhì)的冷卻。該方案仍然受到季節(jié)的限制，而且裝置內(nèi)必須要有需要冷量的用戶(hù)[1]。

2.1.4 發(fā)電

煉化裝置內(nèi)的余熱，還可以用于發(fā)電，使用余熱產(chǎn)生蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，將低品位的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)楦咂肺坏碾娔?，使低溫余熱的能?jí)大大提高。低溫?zé)崮艿陌l(fā)電技術(shù)主要是基于朗肯循環(huán)的熱力發(fā)電系統(tǒng)。根據(jù)循環(huán)工質(zhì)不同，可分為以水為工質(zhì)的水蒸氣擴(kuò)容循環(huán)、以低沸點(diǎn)有機(jī)物或有機(jī)混合物為工質(zhì)的ORC(有機(jī)朗肯循環(huán))、以氨水混合物為工質(zhì)的Kalina(卡琳娜)循環(huán)等。水蒸氣擴(kuò)容循環(huán)主要用于溫度較高的余熱；有機(jī)朗肯循環(huán)可回收低溫?zé)崃康臏囟确秶^大，在低溫余熱發(fā)電技術(shù)中研究和應(yīng)用最為廣泛；Kalina循環(huán)系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，工業(yè)應(yīng)用相對(duì)較少。發(fā)電方案的熱效率通常較低，而且需要考慮發(fā)電的并網(wǎng)使用問(wèn)題，導(dǎo)致余熱發(fā)電的運(yùn)行出現(xiàn)波動(dòng)[2]。

2.2 煉化裝置余熱利用MVR方案

圖1 MVR余熱利用方案工藝流程

煉化裝置的余熱由于溫位較低，如果用來(lái)產(chǎn)生蒸汽，只能產(chǎn)生低壓蒸汽。低壓蒸汽由于壓力和溫度較低，不適合外輸，在煉化裝置內(nèi)部又難以得到利用。MVR方案是在產(chǎn)生低壓蒸汽的基礎(chǔ)上，使用壓縮機(jī)對(duì)低壓蒸汽壓縮，使蒸汽壓力和溫度都得到提高，獲得高品位蒸汽，方便其他裝置或用戶(hù)的使用。

MVR方案在實(shí)施時(shí)有兩種方案可供選擇：

方案1：低壓蒸汽全部用于增壓。

在本方案中，壓縮機(jī)采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，裝置余熱副產(chǎn)的低壓蒸汽進(jìn)入壓縮機(jī)，增壓后送往下游用戶(hù)。

方案2：低壓蒸汽部分用于增壓。

在本方案中，采用凝汽式汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)蒸汽壓縮機(jī)，部分裝置余熱副產(chǎn)的低壓蒸汽進(jìn)入凝汽式汽輪機(jī)進(jìn)行做功，帶動(dòng)蒸汽壓縮機(jī)對(duì)剩余副產(chǎn)蒸汽進(jìn)行增壓，加壓后送往下游用戶(hù)。

整體來(lái)看，方案1的收益要高于方案2，但方案2利用自身產(chǎn)生的一部分蒸汽驅(qū)動(dòng)另一部分蒸汽，不消耗額外的電能，沒(méi)有電網(wǎng)側(cè)的擴(kuò)容問(wèn)題。

以方案2為基礎(chǔ)，整個(gè)MVR的工藝流程如圖1所示。

3 MVR技術(shù)優(yōu)勢(shì)

MVR技術(shù)在煉化裝置余熱回收利用中有以下優(yōu)勢(shì)：

(1)MVR技術(shù)可以得到高品位蒸汽，并且蒸汽可以外輸或在煉化裝置內(nèi)就地使用；可以增加裝置的蒸汽來(lái)源，減少能量消耗；

(2)MVR技術(shù)不受地區(qū)和季節(jié)限制，熱負(fù)荷變化小，可以長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行；

(3)MVR技術(shù)可將裝置的余熱進(jìn)行回收，減少了用于冷卻的循環(huán)水、電能消耗；

(4)MVR技術(shù)工藝簡(jiǎn)單，配套設(shè)備少，整體投資較低。

但是，MVR技術(shù)的優(yōu)勢(shì)都是建立在壓縮機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上的。由于蒸汽溫度較高，對(duì)蒸汽壓縮機(jī)的密封、運(yùn)轉(zhuǎn)等都要求較高，選擇蒸汽壓縮機(jī)時(shí)必須確保其性能穩(wěn)定可靠。

4 結(jié)語(yǔ)

國(guó)家對(duì)煉化裝置能耗的要求越來(lái)越嚴(yán)格，采用先進(jìn)技術(shù)對(duì)煉化裝置的余熱進(jìn)行回收利用，在降低能源消耗的同時(shí)，還能夠降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)能力。作為一種先進(jìn)的余熱利用技術(shù)，MVR技術(shù)還沒(méi)有在煉化裝置的余熱回收中使用，如果得到利用，必將發(fā)揮更大的作用。

[1]王弘歷，龔 燕，郭 彥，等．煉化過(guò)程低溫余熱利用技術(shù)的應(yīng)用及進(jìn)展[J]．石油規(guī)劃設(shè)計(jì)，2017，28(1)：14-17．

[2]沈潺潺，趙東風(fēng)，李 石，等．煉油企業(yè)低溫余熱回收利用的研究進(jìn)展[J]．現(xiàn)代化工，2012，32(11)：22-26．

[3]丁秀華．MVR技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用及發(fā)展[J]．廣州化工，2015，43(9)：41-43．

[4]龐衛(wèi)科，林文野，戴群特，等．機(jī)械蒸汽再壓縮熱泵技術(shù)研究進(jìn)展[J]．節(jié)能技術(shù)，2012，30(174)：312-315．