多效蒸發(fā)機(jī)械蒸汽再壓縮技術(shù)（MVR）經(jīng)濟(jì)性與碳減排核算

劉烜辰，王北星，謝艷麗

（中石化節(jié)能技術(shù)服務(wù)有限公司，北京 100013）

在我國提出力爭在2030年前達(dá)到碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的偉大目標(biāo)下，某石化企業(yè)提出將確保在國家碳達(dá)峰目標(biāo)達(dá)成前實(shí)現(xiàn)二氧化碳達(dá)峰，并力爭比國家目標(biāo)提前10年實(shí)現(xiàn)碳中和。國際能源署提出[1]，實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排的策略包括節(jié)能和提高能源利用效率、發(fā)展可再生能源替代化石燃料、二氧化碳捕獲、利用和封存（CCUS）技術(shù)、原材料替代和林業(yè)碳匯等。根據(jù)其測算，如果全球溫室氣體排放在2050年大幅降至100億t左右，則節(jié)能和提高能源利用效率對二氧化碳減排的貢獻(xiàn)將占37%；其次是發(fā)展可再生能源，占比32%；其它方式對二氧化碳減排貢獻(xiàn)較小。因此，在2050年前節(jié)能和提高能源利用效率是二氧化碳減排的最重要手段，這對節(jié)能和提高能效提出了更高要求。

在我國，節(jié)能被學(xué)者稱為與煤、石油、天然氣、電力同等重要的“第五能源”[2]；也有學(xué)者認(rèn)為，節(jié)能應(yīng)作為我國“第一能源”大力發(fā)展[3]。石化企業(yè)中，隨著節(jié)能工作不斷推進(jìn)，單一設(shè)備的節(jié)能潛力已不能滿足愈加嚴(yán)格的節(jié)能要求。目前，石化企業(yè)節(jié)能工作的開展依托于華賁教授[4]提出的能量利用“三環(huán)節(jié)”模型，即從能量轉(zhuǎn)換、利用和回收三個環(huán)節(jié)入手，通過提高能量回收循環(huán)能，降低工藝總用能，最終達(dá)到減少外部能量供應(yīng)的目的[5]。石化企業(yè)能耗構(gòu)成主要包括燃料氣和燃料油、催化燒焦、電、蒸汽等。據(jù)統(tǒng)計，燃料消耗約占20%～30%，電耗約占20%～30%，蒸汽消耗約占30%～40%。因此，控制用能工質(zhì)的量將起到本質(zhì)節(jié)能的作用，節(jié)能工作效果也將最終體現(xiàn)在燃料、蒸汽等工質(zhì)的用量減少上。

多效蒸發(fā)是化工企業(yè)常用的工藝流程，是由多個單效蒸發(fā)組成的系統(tǒng)。該工藝是將新蒸汽通入一效蒸發(fā)器，利用前效蒸發(fā)器產(chǎn)生的二次蒸汽通入下一效蒸發(fā)器作為加熱蒸汽，如此依次進(jìn)行。最末效一般在真空條件下進(jìn)行操作，末效二次蒸汽進(jìn)入冷凝器進(jìn)行冷凝。[6]多效蒸發(fā)通過多次利用二次蒸汽余熱，降低了一次蒸汽的用量，達(dá)到了一定的節(jié)能效果；但最末效二次蒸汽仍需進(jìn)入冷凝系統(tǒng)進(jìn)行冷凝，一些余熱未得到利用。將多效蒸發(fā)與機(jī)械蒸汽再壓縮技術(shù)（MVR）結(jié)合，可以反復(fù)循環(huán)利用二次蒸汽的潛熱[7]，采用機(jī)械壓縮的方法將末效二次蒸汽的溫度、壓力提高后作為加熱蒸汽使用，有效降低蒸汽使用量，獲得良好節(jié)能效果。

1 國內(nèi)外研究進(jìn)展

早在1843年國外就提出了MVR熱泵的概念；1880年，瑞士工程師制造出第一臺MVR熱泵，但當(dāng)時該技術(shù)未得到進(jìn)一步發(fā)展[8]。隨著能源需求和價格的不斷上漲，MVR逐漸引起了各國研究者的關(guān)注和研究，并成功應(yīng)用到蒸發(fā)操作中[9]。

Faisal Al-Juwayhel等學(xué)者[10]建立了四種不同蒸汽再壓縮淡化系統(tǒng)的模型，分析比較了系統(tǒng)能耗等參數(shù)，研究發(fā)現(xiàn)MVR系統(tǒng)節(jié)能效果最為明顯。Zaki[11]等研究了MVR技術(shù)與熱力蒸汽壓縮技術(shù)差異，結(jié)果表明MVR技術(shù)前期投資較高，但相較于熱力蒸汽壓縮技術(shù)僅能回收部分二次蒸汽的特點(diǎn)，MVR能夠回收全部二次蒸汽，并且后續(xù)維護(hù)費(fèi)用低，具有可行性。Hisham Ettouney[12]通過建模和計算，從設(shè)計角度證明MVR具有廣泛適用性和可操作性。研究人員對風(fēng)力發(fā)電驅(qū)動壓縮機(jī)也做了相應(yīng)研究，Aly Karameldin等[13]論證了風(fēng)能充足區(qū)域?qū)嵤╋L(fēng)能驅(qū)動機(jī)械蒸汽壓縮機(jī)的可行性；Tomas Witter等[14]也做了類似研究，結(jié)果顯示采用風(fēng)能驅(qū)動機(jī)械蒸汽壓縮機(jī)是可行的。

20世紀(jì)50年代起，MVR技術(shù)開始應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。1957年，德國GEA（Global Engineering Alliance）公司針對蒸發(fā)分離操作過程耗能高的問題，開發(fā)了商業(yè)化MVR蒸發(fā)系統(tǒng)。目前該公司開發(fā)的MVR系統(tǒng)已被應(yīng)用于食品和飲料工業(yè)（牛奶、乳清、糖溶液蒸發(fā)）、化學(xué)工業(yè)（水溶液蒸發(fā)）、制鹽工業(yè)（鹽溶液蒸發(fā)）、環(huán)保技術(shù)（廢水濃縮）等領(lǐng)域[15]。美國Swenson公司開發(fā)的MVR系統(tǒng)在制堿生產(chǎn)中得到成功應(yīng)用[16]。

MVR技術(shù)得到國外水處理領(lǐng)域的廣泛認(rèn)可和應(yīng)用。JP Brouwer等[17]進(jìn)行了冶金工業(yè)廢水MVR技術(shù)處理的研究，并進(jìn)行了成本分析。結(jié)果表明，相比于多效蒸發(fā)等方法，采用MVR技術(shù)處理冶金廢水成本最低，約為多效蒸發(fā)法的二分之一。Tleimat等[18]建造的MVR廢水處理工藝系統(tǒng)，在蒸發(fā)溫度僅為50℃的條件下，廢水回收率最高達(dá)到98.6%。1999年美國通用電氣公司（GE）開始對MVR在重油開采廢水回收蒸發(fā)上的應(yīng)用進(jìn)行研發(fā)[19]。目前開發(fā)出的MVR系統(tǒng)已應(yīng)用于重油開采廢水回收處理中[20]。MVR在濃硫酸回收[9]、海水淡化和新能源利用領(lǐng)域[21]也有應(yīng)用。

我國有關(guān)MVR技術(shù)的研究起步較晚，上世紀(jì)70 年代末，有研究者對該技術(shù)進(jìn)行了初步試驗(yàn)，顯示出良好的節(jié)能效果。較早從事MVR技術(shù)研究的單位是天津海水淡化與綜合利用研究所，主要研究MVR技術(shù)在海水淡化領(lǐng)域上的應(yīng)用，90年代以來研制出了多套應(yīng)用于生產(chǎn)的MVR海水淡化裝置。MVR和多效蒸發(fā)系統(tǒng)聯(lián)合，在海水淡化以及沸點(diǎn)升高不大的物料分離領(lǐng)域，能夠取得良好的運(yùn)行效果和節(jié)能效果[19]。國內(nèi)制鹽行業(yè)也有多效蒸發(fā)MVR改造的先例。某能化分公司污水處理也采用了單效蒸發(fā)＋MVR工藝，減少了蒸汽消耗。

多效蒸發(fā)與MVR結(jié)合在石化化工場景應(yīng)用較為少見。該文將以某石化腈綸裝置五效蒸發(fā)MVR改造為范例，進(jìn)行末效二次蒸汽不同壓縮量的經(jīng)濟(jì)性和碳排放量分析。

2 裝置流程簡介

某石化企業(yè)腈綸部在運(yùn)行的一套丙烯腈裝置采用一步法工藝流程，紡絲凝固浴來的濃度為12%～14%的硫氰酸鈉由管道進(jìn)入蒸發(fā)加料槽，經(jīng)五效蒸發(fā)設(shè)備進(jìn)行蒸發(fā)濃縮，關(guān)鍵控制參數(shù)及技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如下表1、表2所示。來源于熱電部的蒸汽，共28 t/h，壓力為0.5 MPa，通過腈綸部透平壓縮機(jī)背壓發(fā)電后，壓力降至0.35 MPa，用于多效蒸發(fā)。0.35 MPa蒸汽進(jìn)入一效蒸發(fā)器加熱管程中加熱蒸發(fā)料液，冷凝水進(jìn)入冷凝水槽與料液換熱。一效蒸發(fā)器得到的二次蒸汽通入二效蒸發(fā)器作為二效蒸發(fā)器熱源，二效蒸發(fā)器換熱后得到的二次蒸汽通入三效蒸發(fā)器作為三效蒸發(fā)器熱源，以此類推直至五效二次蒸汽進(jìn)入最終冷凝器。

表1 丙烯腈裝置控制參數(shù)

表2 丙烯腈裝置技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

3 五效蒸發(fā)MVR改造經(jīng)濟(jì)性核算

蒸汽經(jīng)過五效蒸發(fā)后，末效二次蒸汽壓力為86 kPa；原流程中直接進(jìn)入冷凝器冷凝。若將五效蒸發(fā)與MVR相結(jié)合，將末效二次蒸汽通入蒸汽壓縮機(jī)，為保證經(jīng)濟(jì)效益，壓縮比不宜過大。將二次蒸汽壓縮至0.35 MPa，作為一效蒸發(fā)器的熱源，將大幅節(jié)省0.5 MPa蒸汽用量，但同時需耗用更多電量，并且減少了透平壓縮機(jī)發(fā)電的電量。在蒸汽價格與電價一定的情況下，分別采用Aspen Plus模擬得到壓縮機(jī)理論軸功率和實(shí)際軸功率，按照表2中4 barg蒸汽價格92元/t，年工作時間8 000小時計算壓縮不同蒸汽量的經(jīng)濟(jì)效益。

首先選用等熵法模擬入口蒸汽流量，得到對應(yīng)壓縮機(jī)功率，結(jié)果如表3及圖1中藍(lán)色曲線所示。實(shí)際工況中，對蒸汽流量為5.5、11、22和28 t/h的情況進(jìn)行壓縮機(jī)功率計算，結(jié)果如表3及圖1橙色曲線所示。

表3 壓縮機(jī)入口蒸汽量與壓縮機(jī)電耗關(guān)系

由圖1可以看出，隨著壓縮機(jī)入口蒸汽量提高，壓縮機(jī)功率模擬值和實(shí)際值隨之上升。由于Aspen Plus模擬時，壓縮機(jī)出口壓力需滿足工藝要求，為一定值，效率設(shè)定為定值，因此壓縮機(jī)功率與入口蒸汽量呈線性關(guān)系。總體來說，采用Aspen Plus的模擬值高于實(shí)際工況。這是由于實(shí)際工況中，不同蒸汽流量下適用的壓縮機(jī)機(jī)型不同，在蒸汽流量大時的壓縮機(jī)功率高于小流量情況。因此當(dāng)入口流量為11 t/h時，壓縮機(jī)實(shí)際功率為1 415 kW，高于模擬值1 357.12 kW。當(dāng)入口流量增大到22 t/h和28 t/h，壓縮機(jī)實(shí)際功率分別為2 549 kW和2 970 kW，低于模擬值2 714.23 kW和3 454.48 kW。

圖1 壓縮機(jī)入口蒸汽量與壓縮機(jī)電耗關(guān)系

如表2所示，該石化企業(yè)所在地區(qū)0.5 MPa蒸汽價格為92元/t，電價為0.53元/kW·h，在僅考慮蒸汽與電的情況下，多效蒸發(fā)與MVR結(jié)合將降低蒸汽使用費(fèi)用，提高用電成本。由于末效二次蒸汽經(jīng)壓縮機(jī)提壓到0.35 MPa，未達(dá)到原流程蒸汽發(fā)電壓力，因此蒸汽發(fā)電效益的減少也應(yīng)在經(jīng)濟(jì)效益中扣除，因此，多效蒸發(fā)MVR經(jīng)濟(jì)效益可用下式表示：

其中：POR為收益，萬元；M蒸汽為蒸汽收益，萬元；M電耗為壓縮機(jī)用電成本，萬元；M發(fā)電為蒸汽發(fā)電效益損失量，萬元。

按照裝置年運(yùn)行時間8 000小時計算，壓縮機(jī)入口流量與經(jīng)濟(jì)收益的關(guān)系如圖2所示。

圖2 壓縮機(jī)入口蒸汽量與經(jīng)濟(jì)效益關(guān)系

由圖2可知，隨著壓縮蒸汽量的上升，經(jīng)濟(jì)效益隨之提高。除壓縮機(jī)入口蒸汽量為11 t/h情況外，實(shí)際工況下經(jīng)濟(jì)效益均高于模擬經(jīng)濟(jì)效益，與圖1相符。由于實(shí)際情況壓縮機(jī)功率低于模型計算功率，實(shí)際用電成本低于模擬值，因此實(shí)際效益高于模擬效益。而入口蒸汽流量為11 t/h時，由圖2可知壓縮機(jī)實(shí)際功率高于模擬值，用電成本高，因此效益低于模擬值。

由實(shí)際效益曲線可知，隨著入口蒸汽流量提高，適用的機(jī)組規(guī)模增大，獲得的經(jīng)濟(jì)效益更佳；當(dāng)全部蒸汽進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮時，經(jīng)濟(jì)效益最大，達(dá)到每年572.52萬元。由模擬情況和實(shí)際工況可知，在各入口流量情況下，經(jīng)濟(jì)效益均為正值，證明在該公用工程價格下，對多效蒸發(fā)流程進(jìn)行MVR改造可獲得實(shí)際節(jié)能效益。

4 五效蒸發(fā)MVR改造碳減排核算

對節(jié)能改造項(xiàng)目應(yīng)同時考慮經(jīng)濟(jì)效益和碳減排效益，因此對碳減排量進(jìn)行核算。溫室氣體排放的計量方法主要包含兩大類[22]，即：（1）基于計算的排放因子法和物料平衡法；（2）基于測量的方法。針對全套裝置進(jìn)行排放統(tǒng)計時，應(yīng)用“測量法”統(tǒng)計相對困難，因此統(tǒng)一采用排放因子法進(jìn)行計算。由于經(jīng)濟(jì)性分析中僅考慮了蒸汽和耗電量的變化，為前后統(tǒng)一，碳排放分析也僅考慮蒸汽和電力的碳排放。蒸汽的二氧化碳排放因子的計算遵循GB/T 30251-2013《煉油產(chǎn)品單位能源消耗限額》[23]、GB/T 50441-2016《石油化工設(shè)計能耗計算標(biāo)準(zhǔn)》[24]和SH/T 5000-2011《石油化工生產(chǎn)企業(yè)CO2排放量計算方法》[25]的規(guī)定，采用《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》[26]中能源工業(yè)固定源燃燒的缺省排放因子下限進(jìn)行計算。電力二氧化碳排放因子采用中國生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《2019年度中國區(qū)域電網(wǎng)二氧化碳基準(zhǔn)線排放因子OM計算說明》中規(guī)定的華東電網(wǎng)電力排放因子。各排放因子由表4所示。

表4 蒸汽、電力二氧化碳排放因子

在研究范圍內(nèi)，裝置碳排放量由蒸汽的碳排放量和電力的碳排放量構(gòu)成，由于裝置電力輸出量降低導(dǎo)致的二氧化碳排放應(yīng)在其用電場合考慮，不在本裝置碳排放討論范圍，因此裝置的碳減排量可簡化為蒸汽用量減少的碳減排量扣除壓縮機(jī)用電造成的碳排放量。按照裝置年運(yùn)行8 000小時計算，不同入口蒸汽量的碳減排量及噸蒸汽碳減排量如圖3所示。

由圖3可知，碳減排量隨壓縮機(jī)入口蒸汽量增加而呈上升趨勢，實(shí)際值總體高于模擬值。由于壓縮機(jī)實(shí)際電耗小于模擬電耗，因此實(shí)際電力排放低于模擬排放，實(shí)際碳減排效果更顯著。模擬條件下，噸蒸汽減排量穩(wěn)定在787.8 tCO2，受入口蒸汽量變化影響極小。這是由于在計算壓縮機(jī)電耗時運(yùn)用的公式僅與壓縮機(jī)出口溫度和蒸汽量有關(guān)，在出口溫度恒定時，噸蒸汽碳減排量為一定值；實(shí)際工況下，除流量為11 t/h情況外，碳減排量均高于模擬值，噸蒸汽碳減排量先降低再升高，入口流量為5.5 t/h時，噸蒸汽碳減排量為795.36 tCO2，流量為11 t/h時，噸蒸汽碳減排量降至754.46 tCO2，之后隨著蒸汽流量上升，噸蒸汽碳減排量上升。由于碳減排量始終為正值，因此，實(shí)施多效蒸發(fā)MVR改造能夠降低裝置碳排放量。在實(shí)際運(yùn)行中，壓縮蒸汽量超過11 t/h后，噸蒸汽碳減排量提高，減排效果更明顯。

圖3 不同蒸汽流量下碳減排、噸蒸汽碳減排量

5 結(jié)論

由上所述，將多效蒸發(fā)末效二次蒸汽進(jìn)行升壓，返回一效蒸發(fā)器的改造在經(jīng)濟(jì)上和碳減排角度是可行的。通過對壓縮機(jī)模擬情況和實(shí)際工況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)提高壓縮機(jī)入口蒸汽流量將增大壓縮機(jī)電耗，同時經(jīng)濟(jì)效益和碳減排量也會同步提高。實(shí)際工況下，除入口蒸汽流量為11 t/h情況外，壓縮機(jī)電耗均低于模擬值，經(jīng)濟(jì)效益和碳減排量高于模擬值，噸蒸汽碳減排量實(shí)際值呈先下降后上升趨勢，模擬值為一定值。以上結(jié)論表明，在某石化企業(yè)對多效蒸發(fā)進(jìn)行MVR改造，可以獲得經(jīng)濟(jì)效益和碳減排效益，并且蒸汽流量越大，效益越顯著。

該研究仍然存在一些不足。如僅針對蒸汽和電耗進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性和碳排放核算，未考慮循環(huán)水等其他公用工程的成本和碳排放，且沒有考慮設(shè)備投資等費(fèi)用；因此，雖然項(xiàng)目能夠取得經(jīng)濟(jì)效益，但靜態(tài)回收期可能過長，項(xiàng)目實(shí)施存在難度。該研究僅針對一個石化企業(yè)的公用工程價格進(jìn)行了討論，結(jié)論只適用于該石化企業(yè)；下一步可針對不同蒸汽和用電價格下的“汽電比”進(jìn)行多效蒸發(fā)MVR改造的經(jīng)濟(jì)性和碳排放邊際分析，研究適用于MVR改造的“汽電比”范圍。