煤化工低位熱能回收利用的研究

李志超(內蒙古大唐國際克什克騰旗煤制天然氣有限公司，內蒙古 赤峰 025350)

0 引言

我國化工行業(yè)余熱資源的情況，余熱資源回收率相對較低，資源分布比較分散，各化工行業(yè)倡導節(jié)能減排，回收低位熱能加以利用的經濟性非常客觀。眾所周知，煤化工是我國重點發(fā)展的一門行業(yè)，傳統(tǒng)的煤化工具有三高一低的特點：三高分別指的是能耗量、排放量以及污染量；一低指的是效益低，嚴重制約著我國煤化工業(yè)的發(fā)展。由此可見，關于煤化工低位熱能的回收利用研究是至關重要的，是當前發(fā)展過程中必須解決的重點問題和難點問題。對此，相關領域必須予以充分的重視?，F(xiàn)階段，我國也在不斷摸索的過程中前進，不斷積累經驗和總結經驗，不斷發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，形成了一種現(xiàn)代煤化工的形式，主要針對余熱回收利用問題著手進行，旨在進一步提高經濟效益和社會效益，使得資源得到最大化的利用，降低能耗，加快實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的步伐[1]。

1 煤化工低位熱能的回收利用項目背景

1.1 硫回收裝置擬進行改造的系統(tǒng)或設備情況

某天然氣公司硫回收裝置三級冷凝冷卻器(W05)自產0.22 MPa低壓飽和蒸汽，因壓力低不滿足蒸汽并網(wǎng)條件。故三級冷凝冷卻器(W05)配備一臺蒸汽空冷器，三級冷凝冷卻器(W05)自產的0.22 MPa低壓飽和蒸汽進入蒸汽空冷器，通過變頻風機將蒸汽冷卻為液態(tài)水返回三級冷凝冷卻器(W05)殼程循環(huán)使用。

1.1.1 改造方案及示意圖

現(xiàn)擬將蒸汽空冷器改為蒸汽冷凝器，蒸汽冷凝器為板式換熱器，0.22 MPa低壓飽和蒸汽進入蒸汽冷凝器后，在冬季可與采暖水回水換熱，冷卻為液態(tài)水返回三級冷凝冷卻器(W05)殼程循環(huán)使用(圖1)。

圖1 硫回收裝置擬進行改造示意圖

1.1.2 改造方案及示意圖

此改造可停用蒸汽空冷器降低電耗，并利用這部分熱量給硫回收采暖回水加熱，達到節(jié)約Q235b換熱站低壓蒸汽的用量，實現(xiàn)節(jié)能降耗回收低位余熱的目的，并大大降低冬季極寒天氣時，空冷器管束凍堵的風險。

1.2 甲烷化裝置擬進行改造的系統(tǒng)或設備情況

甲烷化裝置是某天然氣公司的主要生產裝置之一，該裝置將上游低溫甲醇洗工段來的合格凈化氣通過精脫硫、大量甲烷化和補充甲烷化反應，合成甲烷含量大于95%的合成氣并送往下游首站進行壓縮和脫水，同時回收甲烷化反應放出的熱量用于產生中壓蒸汽和低壓蒸汽并外送蒸汽管網(wǎng)。

在甲烷化反應中，第一補充甲烷化反應器C104出口工藝氣溫度大約為449 ℃，經過原料氣預熱器的換熱溫度降至254 ℃，再進入鍋爐給水加熱器W109冷卻至168 ℃，然后進入第一補充甲烷化反應器1#氣液分離器B303中分離工藝冷凝水，分離器頂部出來的工藝氣進入空冷器W201再進一步冷卻至109 ℃，并在第一補充甲烷化反應器2#氣液分離器B304中分離掉冷凝液后送往第二補充甲烷化反應器C105進行終極甲烷化反應。工藝空冷器W201(設計參數(shù)如表1所示)采用工藝氣與空氣的換熱方式，設有16臺空冷風機，調節(jié)工藝空冷器出口工藝氣溫度。根據(jù)設計條件計算，甲烷化工藝空冷器滿負荷運行時的換熱負荷為36 471 kW，具有極高的回收價值。

表1 甲烷化工藝空冷器設計參數(shù)

1.2.1 改造方案

在實際運行中甲烷化裝置不能長期滿負荷運行，要需要考慮各個負荷下工藝空冷器的換熱負荷。工藝空冷負荷與甲烷化系統(tǒng)負荷成正比，所以折算甲烷化裝置在70%、80%、90%、100%工況運行時，工藝空冷的換熱負荷如表2所示。

表2 工藝空冷的換熱負荷參數(shù)表

為了將甲烷化工藝空冷的熱量進行回收，在臨近裝置區(qū)尋找可以進行熱量回收的物流介質，在低溫甲醇洗裝置區(qū)發(fā)現(xiàn)可以用于進行換熱的介質。

低溫甲醇洗裝置是某天然氣公司的主裝置之一，將變換裝置送來的變換氣進行選擇性的吸收，除去粗煤氣中的CO2、H2S等酸性氣體以及焦油0#、水、烴類等雜質，制得CO2≤1.5%，總S≤0.2 mg/L的合格凈化氣，送往甲烷化裝置。

低溫甲醇洗再沸器有熱再生塔再沸器W018、共沸塔再沸器W022、甲醇水塔再沸器W023，其設計負荷和換熱面積如表3所示。

表3 工藝空冷的換熱負荷參數(shù)表

由于實際運行時，裝置不能長時間處于滿負荷運行狀態(tài)，根據(jù)實際工況，查閱SIS系統(tǒng)，分別統(tǒng)計出低溫甲醇洗裝置在70%、80%、90%、100%符合下各個再沸器的蒸汽消耗(表4)。

表4 工藝空冷的換熱負荷參數(shù)表

考慮傳熱溫差的需要，甲烷化工藝空冷負荷可以滿足低溫甲醇洗熱再生塔再沸器蒸汽熱量的需求，共沸塔和甲醇水塔塔釜溫度偏高，共沸塔塔釜操作溫度116 ℃左右，甲醇水塔塔釜操作溫度130 ℃左右，甲烷化工藝空冷器的工藝氣溫度難以滿足其換熱需求?，F(xiàn)考慮回收甲烷化空冷器余熱，用于低溫甲醇洗裝置區(qū)熱再生塔K005的再沸器，該塔釜溫度要求相對較低，只有94～96 ℃，0.3 MPa飽和蒸汽溫度在143 ℃，為熱再生塔K005塔釜提供加熱蒸汽。為了保證熱再生塔的穩(wěn)定運行，需要額外增加一臺再沸器，與現(xiàn)有的再沸器并聯(lián)運行。最終建立甲烷化-低溫甲醇洗0.3 MPa蒸汽循環(huán)加熱系統(tǒng)(詳細情況如圖2所示)。

圖2 甲烷化裝置擬進行改造示意圖

1.2.2 改造解決的問題和必要性

甲烷化空冷器的設計熱負荷為36 471.9 kW，其熱量很可觀，若將其全部回收每小時可以副產約0.5 MPa低壓蒸汽50t。根據(jù)W201設計運行負荷折算實際運行的負荷在27 365.8～29 868.5 kW之間，每小時可以副產0.5 MPa低壓蒸汽37～41 t，若將此部分蒸汽用于其他裝置的換熱設備進行熱量回收，按低壓蒸汽單價80元/t計算，預計每年可以節(jié)約2 400～2 600萬元。

2 關于煤化工低位熱能的回收利用研究

低位熱能的回收利用研究是當前煤化工當前發(fā)展的重點方向之一。為了進一步提高低位熱能的回收和利用效率，一方面需要對本公司各裝置的工藝流程反復研究，對項目現(xiàn)場的冷熱源進行統(tǒng)籌梳理并進行分析比對；另一方面按能源品級對應利用，即高品位高用、低品位低用原則，調整部分工藝裝置的用能形式，以實現(xiàn)全廠整體能效最優(yōu)，從而最大化的保障余熱的利用，提高效率[2]。

2.1 熱交換技術

熱交換技術是當前常用的技術之一，應用范圍廣泛，局限性小，應用效果十分顯著，故而受到了社會各界的廣泛關注與支持，特別是針對石油化工領域的發(fā)展有著極大的推動作用。而熱交換技術的核心就在于高溫介質，通過各種換熱設備與低溫工藝物料進行換熱，從而實現(xiàn)熱量的轉化，整個過程相對直接、簡單，且熱效率高。在工藝設計過程或技改技措中，強化裝置間熱聯(lián)合和熱集成，將余熱資源直接與低溫的工藝物料換熱，大大減少了蒸汽和燃料的用量，降低了成本[3]。

2.2 熱泵技術

眾所周知，煤化工生產是一項系統(tǒng)性的工程，整個流程相對復雜，具有一定的難度性，近幾年來隨著我國社會的不斷發(fā)展，煤化工生產規(guī)模不斷擴大，需求量不斷增加。因此，在煤化工生產的過程中，對燃料和蒸汽能量的消耗是不可估量的，與此同時也會產生大量的低品位能量。例如70～90 ℃的低壓飽和蒸汽或50 ℃左右的熱水等，而從目前的發(fā)展現(xiàn)狀來看，這些低品位能量未能得到科學有效的處理，大多數(shù)情況下會以廢熱的形式進行排放，故而會對環(huán)境造成極大的威脅。隨著熱泵技術的不斷推進與應用，一方面避免了這一問題的發(fā)生，另一方面實現(xiàn)了余熱的回收利用，提高了資源利用效率。熱泵技術從大體上可以分為吸熱式熱泵和壓縮式熱泵兩大類，這二者各有各的優(yōu)勢和特點，首先吸收式熱泵對熱源的品位的局限性相對較小，具有直接性的特點，運用于各種熱能的驅動，為進一步提高能量回收有著積極的意義和深遠的影響。而壓縮式熱泵在實際的運行過程中，會產生熱力循環(huán)，對熱能的消耗量相對較大。例如使用熱泵技術將進入鍋爐的除氧水溫度由20～25 ℃提高到50 ℃以上，通常熱泵系統(tǒng)利用電能驅動制冷劑循環(huán)，制冷劑經蒸發(fā)器、冷凝器等部件進行相變，將低溫介質的熱量輸送到高溫介質中，回收低溫介質的熱量提高高溫介質的溫度[4]。

2.3 余熱制冷技術

余熱制冷技術主要是通過外力作用進行壓縮制冷，整個環(huán)節(jié)所消耗的能耗相對較大，通常適用于一些民用傳統(tǒng)煤化工生產。而余熱制冷技術從大體上可以分為吸收式和吸附式兩種，通常適用于回收一些廉價的能源和低品位熱能。而溴化鋰-水、氨-水，是當前余熱制冷技術中常用的兩種天然制冷劑，一方面這些制冷劑把它降低了對臭氧層的破壞作用，另一方面具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢。從吸收式和吸附式兩種余熱制冷技術角度來分析，整個工作流程都會經歷蒸發(fā)、吸收、解析、冷凝、蒸發(fā)五個環(huán)節(jié)。但是，從實際成效來看，吸收式制冷技術取得的效果更為理想，應用范圍更加廣泛，其沸點相對較低。因此，蒸發(fā)汽化的速度相對較快，流動性能更好。

2.4 低溫制冷技術

低溫制冷技術是一種新型技術，應用該技術的同時，對設備的高效性有著更高層次的要求和標準，且對工作人員操作的專業(yè)性有著嚴格的標準。低溫制冷技術，通過利用制冷機產生冷凍水冷卻精餾塔頂溫度，大大降低了塔頂排放氣的溫度以及高附加值產品損耗。其中，溴化鋰吸收式制冷是當前低溫制冷技術發(fā)展的一個新的發(fā)展方向，可以更好地實現(xiàn)低溫余熱的利用。

2.5 余熱發(fā)電技術

有機朗肯循環(huán)低溫余熱發(fā)電技術具有相應的標準，通常情況下，沸點低的有機物作為循環(huán)介質具有更好的功能和成效。循環(huán)有機工質被余熱介質加熱在蒸發(fā)器蒸發(fā)汽化，氣相有機工質進入汽輪機或螺桿機膨脹做功，帶動發(fā)電機發(fā)電，整個工藝流程簡單，布局緊湊。在整個技術應用的過程中，有機工作流體和廢棄物沒有進行直接性的接觸，且由于有機工作流的密度高、體積小，因此透平所需的工藝管道尺寸較小和流體流量較低，對溫度較低的低品位熱源效率更高[5]。

3 結語

綜上所述，本文從煤化工的相關概述作為出發(fā)點，分析和闡述了煤化工低位熱能的回收利用項目背景，重點從熱交換技術、熱泵技術、低溫制冷技術、余熱制冷技術和發(fā)電技術五個角度探究了煤化工低位熱能的回收利用，旨在更好地發(fā)現(xiàn)問題，分析問題和解決問題，提高回收和利用效率。