螺桿式蒸汽熱泵在MTBE裝置中的應(yīng)用

李金馬，史少君，蔣俊彥

（1. 河北新欣園能源股份有限公司，河北黃驊 061100；2. 中國(guó)船舶集團(tuán)上海第七一一研究所，上海 201108）

隨著原油的劣質(zhì)化與重質(zhì)化以及國(guó)際排放標(biāo)準(zhǔn)的日趨嚴(yán)格，F(xiàn)CC 汽油經(jīng)過加氫精制后的辛烷值無法滿足使用要求，往往需要加入高辛烷值添加劑進(jìn)行調(diào)和以提高汽油辛烷值[1]。而醚類由于其自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，成為廣泛使用的高辛烷值汽油調(diào)和組分，目前工業(yè)應(yīng)用的高辛烷值醚類主要包括由C4 ～ C6 叔碳烯烴與甲醇反應(yīng)得到的甲基叔丁基醚（MTBE）、甲基叔戊基醚（TAME）、甲基叔己基醚（THxME），以及由異丁烯和乙醇反映得到的乙基叔丁基醚（ETBE）。其中MTBE 應(yīng)用最早，發(fā)展最快的醚類添加劑[2]。近年來，日趨嚴(yán)格的節(jié)能環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)對(duì)裝置能耗提出了更加嚴(yán)格的要求，本廠在前期技術(shù)調(diào)研基礎(chǔ)上，采用螺桿式水蒸氣壓縮機(jī)回收散放低品位蒸汽，節(jié)省了塔釜再沸器加熱蒸汽，有效的降低了裝置的能耗。

1 項(xiàng)目背景介紹

MTBE 生產(chǎn)采用異丁烯和甲醇為原料，采用筒式反應(yīng)器和催化蒸餾的工藝生產(chǎn)，具體工藝流程如圖1 所示。

圖1 MTBE 工藝流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of MTBE process flow

混合C4 和甲醇混合后進(jìn)入絕熱固定床反應(yīng)器進(jìn)行醚化反應(yīng)，反應(yīng)后的產(chǎn)物一部分冷卻后返回反應(yīng)器入口，以控制催化劑床層溫度在65 ～ 75 ℃之間，異丁烯轉(zhuǎn)化率達(dá)到90%以上，另一部分反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入催化蒸餾塔中繼續(xù)進(jìn)行反應(yīng)，從催化蒸餾塔頂?shù)玫郊兌却笥?8%的MTBE 產(chǎn)品，異丁烯總轉(zhuǎn)化率大于99%。未反應(yīng)的C4 及其甲醇共沸物從催化蒸餾塔塔頂流出，進(jìn)入水萃取塔底部，C4 為分散相，水從萃取塔上部進(jìn)入萃取塔，水為連續(xù)相，萃余相C4 從萃取塔頂部出裝置，其中甲醇含量在20 ～ 40 μg/g。萃取相（水與甲醇混合物）從萃取塔底部流出，經(jīng)換熱后進(jìn)入甲醇精餾塔中回收甲醇，甲醇從精餾塔頂流出，純度大于99%，返回甲醇原料罐，重復(fù)使用。水從精餾塔底返回到萃取塔上部。MTBE 合成過程中主要的耗能裝置為催化蒸餾塔，塔釜再沸器需要0.55 MPa 的飽和蒸汽加熱。由于裝置工藝調(diào)整，目前廠區(qū)內(nèi)有11 t/h、0.2 MPa、220 ℃低壓蒸汽富裕，需要尋找新的使用裝置。但是該蒸汽品味較低，無法得到有效的利用?？梢圆捎寐輻U式水蒸汽壓縮機(jī)對(duì)該股低壓乏汽進(jìn)行增壓，提高其品位后作為催化蒸餾塔塔釜再沸器0.55 MPa 加熱蒸汽的補(bǔ)充，以節(jié)省0.55 MPa 蒸汽使用量。

2 螺桿式水蒸氣壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)、原理及優(yōu)勢(shì)

2.1 螺桿式水蒸氣壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)

螺桿式水蒸氣壓縮機(jī)屬于機(jī)械壓縮式熱泵，是最近幾年發(fā)展與成熟的熱泵產(chǎn)品。螺桿式水蒸汽壓縮機(jī)主要由兩根粗壯的轉(zhuǎn)子以及殼體組成，轉(zhuǎn)子之間通過同步齒輪相連，轉(zhuǎn)子之間有微小的縫隙，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 螺桿式水蒸氣壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure diagram of screw water vapor compressor

2.2 螺桿式水蒸氣壓縮機(jī)原理

螺桿式水蒸氣壓縮機(jī)兩根轉(zhuǎn)子在殼體內(nèi)互相嚙合，與殼體形成一個(gè)個(gè)近似密閉的做功空間，電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺桿式水蒸氣壓縮機(jī)的輸出軸，通過同步齒輪帶動(dòng)兩根轉(zhuǎn)子，從入口吸入低品位蒸汽，蒸汽在一個(gè)個(gè)做功空間中被逐漸壓縮，并在出口處達(dá)到設(shè)計(jì)壓力，同時(shí)在入口處噴入軟化水，在壓縮過程中冷卻蒸汽，消除過熱度，最終實(shí)現(xiàn)出口蒸汽達(dá)到飽和狀態(tài)[4]。

2.3 螺桿式水蒸氣壓縮機(jī)優(yōu)勢(shì)

（1）螺桿式水蒸氣壓縮機(jī)單級(jí)壓比可達(dá)10、溫升可達(dá)到25 ～ 100 ℃，能夠有效提升低品位蒸汽。

（2）系統(tǒng)簡(jiǎn)單，主要設(shè)備為螺桿式水蒸汽壓縮機(jī)及輔助系統(tǒng)，無泄漏風(fēng)險(xiǎn)，易損件少；

（3）與同為機(jī)械壓縮式熱泵的離心式熱泵相比，螺桿式水蒸氣壓縮機(jī)的雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)蒸汽中含液含塵含小顆粒的工況，而離心式熱泵無法適應(yīng)該工況；

（4）螺桿式水蒸氣壓縮機(jī)對(duì)調(diào)節(jié)范圍廣泛，可以實(shí)現(xiàn)25% ～ 100%流量范圍調(diào)節(jié)，且易操作維護(hù)；

（5）螺桿式水蒸氣壓縮機(jī)屬于容積式機(jī)械，出口壓力穩(wěn)定，能夠適應(yīng)不同的使用場(chǎng)合[4]。

3 工程應(yīng)用介紹

3.1 工藝流程介紹

富裕的低壓乏汽先經(jīng)過減溫器降低至飽和溫度，進(jìn)入螺桿式水蒸氣壓縮機(jī)中，經(jīng)過壓縮后進(jìn)入汽液分離器中，分離多余的入口補(bǔ)液后飽和蒸汽進(jìn)入催化蒸餾塔塔釜再沸器加熱。汽液分離器底部軟水循環(huán)回流至入口處噴入機(jī)組消除過熱度。流量壓力出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)汽液分離器頂部蒸汽回流至機(jī)組入口，保持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。見圖3。

3.2 工藝設(shè)計(jì)參數(shù)

我廠所使用的螺桿式水蒸氣壓縮機(jī)機(jī)組工藝參數(shù)如下：

圖3 水蒸氣螺桿蒸汽增壓工藝流程示意圖Fig.3 The process flow of steam screw steam supercharging

表1 MTBE 螺桿式水蒸氣壓縮機(jī)機(jī)組工藝參數(shù)Table 1 Process parameters of MTBE screw steam compressor unit

3.3 熱力計(jì)算

螺桿式水蒸氣壓縮機(jī)對(duì)低壓蒸汽的做功過程在p-V 圖上可以表示如圖4 所示。

圖4 螺桿壓縮機(jī)做功示意圖Fig.4 Schematic diagram of work done by screw compressor

每經(jīng)過一次密閉空間的壓縮做功，蒸汽的壓力和溫度就提高一次，直至在出口處達(dá)到設(shè)計(jì)壓力，最終排出。因此螺桿水蒸汽壓縮機(jī)的消耗功率計(jì)算可由以下公式表示[5]：

式中 Wt——螺桿式水蒸氣壓縮機(jī)消耗功率，kW；

Qs——低壓蒸汽流量，kg/h；

h1——入口蒸汽比焓，kJ/kg；

h2——出口蒸汽比焓，kJ/kg；

ηe——螺桿式水蒸氣壓縮機(jī)內(nèi)效率；

ηc——齒輪箱效率。

螺桿式水蒸氣壓縮機(jī)選型根據(jù)入口蒸汽流量而定，水蒸氣壓縮機(jī)理論吸氣量公式如下[6]：

式中 Vid——理論進(jìn)氣量，kg/h；

Cφ——面積利用系數(shù)；

Cn1——扭角系數(shù)；

n——轉(zhuǎn)速，r·min-1；

λ——長(zhǎng)徑比；

D0——轉(zhuǎn)子直徑，mm。

實(shí)際進(jìn)氣量為：

式中 Vg——實(shí)際進(jìn)氣量，kg/h；

ηv——容積效率。

我廠所使用的螺桿式水蒸氣壓縮機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)的如下：

表2 螺桿式水蒸汽壓縮機(jī)參數(shù)表Table 2 Screw type steam compressor parameter

圖5 螺桿式蒸汽熱泵現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.5 Site picture of screw steam heat pump

3.4 與其他利用方式對(duì)比及經(jīng)濟(jì)效益

目前比較成熟的低溫余熱利用技術(shù)主要有有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）發(fā)電，第二類溴化鋰熱泵制蒸汽兩種技術(shù)。

ORC 發(fā)電技術(shù)以低溫余熱作為熱源在蒸發(fā)器中加熱有機(jī)工質(zhì)，將低溫余熱冷凝到60 ～ 90 ℃，產(chǎn)生的有機(jī)工質(zhì)蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電做功，然后冷凝后加壓泵送到蒸發(fā)器中，吸收低溫余熱的熱量。流程圖如圖6 所示。

ORC 發(fā)電方案的優(yōu)點(diǎn)在于可以利用的低溫余熱范圍較廣，可以利用60 ～ 100 ℃的低溫余熱，但是缺點(diǎn)也很明顯，余熱的熱利用率低，大部分余熱都隨循環(huán)水吸收，平均的熱效率為7%左右。

圖6 ORC 發(fā)電方案流程示意圖Fig.6 Schematic diagram of ORC scheme

圖7 溴化鋰熱泵方案流程示意圖Fig.7 Schematic diagram of LiBr heat pump scheme

第二類溴化鋰熱泵制蒸汽技術(shù)的原理如下：低溫余熱作為溴化鋰系統(tǒng)中蒸發(fā)器和再生器的熱源，加熱濃縮溴化鋰溶液，將溶劑水蒸發(fā)后，在加熱器中由濃溴化鋰吸收水蒸汽并放出大量熱量，將該部分熱量傳遞給熱媒水后在閃蒸罐（未畫出）中產(chǎn)生低壓蒸汽。

溴化鋰熱泵制蒸汽方案的優(yōu)點(diǎn)在于耗電量少，整個(gè)系統(tǒng)由余熱驅(qū)動(dòng)，主要耗電為溶液泵與抽真空系統(tǒng)。能夠提高余熱品位在40 ～ 60 ℃。缺點(diǎn)在于系統(tǒng)復(fù)雜，溴化鋰溶液容易泄漏，熱效率較低，單級(jí)第二類溴化鋰熱泵的性能系數(shù)COP 大約在0.4 ～ 0.6 左右，串聯(lián)多級(jí)溴化鋰熱泵的COP 大約在1 左右。對(duì)于蒸汽流量波動(dòng)較為劇烈的工況難以適應(yīng)。

以我廠11 t/h，0.2 MPa，220 ℃乏汽為熱源的螺桿蒸汽壓縮機(jī)組、ORC 發(fā)電及第二類溴化鋰熱泵制蒸汽的收益及消耗如表3。

從表3 可以看出，螺桿蒸汽壓縮機(jī)的靜態(tài)年收益要遠(yuǎn)高于ORC 發(fā)電及第二類溴化鋰制熱泵技術(shù)。在余熱利用率上，螺桿蒸汽壓縮機(jī)組能夠做到幾乎完全利用，而另外兩種技術(shù)的熱效率較低，ORC 僅為7%左右，大量的熱量被循環(huán)冷卻水所帶走，并未起到良好的節(jié)能作用。

表3 項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)年化表Table 3 Project Economic Annualization

4 結(jié)束語

螺桿式水蒸汽壓縮機(jī)能夠消耗電能將乏汽、散放蒸汽以及凝液閃蒸汽等低溫?zé)嵩醇右岳?，技術(shù)成熟度高，機(jī)組能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，技術(shù)性能指標(biāo)均能達(dá)到設(shè)計(jì)值，與其他同類產(chǎn)品相比，螺桿式水蒸汽壓縮機(jī)在壓比、溫升、工況適應(yīng)性上更有優(yōu)勢(shì)。

在石化煉油行業(yè)中，除了回收乏汽等低品位蒸汽之外，螺桿式水蒸汽壓縮機(jī)還可以應(yīng)用在熱泵精餾、蒸汽管網(wǎng)平衡、含油污泥處理[8]等工藝中，未來應(yīng)用前景廣泛。