基于第一類吸收式熱泵的氣體分餾塔物料梯級(jí)加熱方法

李 巖，朱 蒙，張淑彥，劉 軍

(1.燕山大學(xué)建筑工程與力學(xué)學(xué)院，河北 秦皇島 066004；2.北京中科華譽(yù)能源技術(shù)發(fā)展有限責(zé)任公司)

基于第一類吸收式熱泵的氣體分餾塔物料梯級(jí)加熱方法

李 巖1，朱 蒙1，張淑彥1，劉 軍2

(1.燕山大學(xué)建筑工程與力學(xué)學(xué)院，河北 秦皇島 066004；2.北京中科華譽(yù)能源技術(shù)發(fā)展有限責(zé)任公司)

氣體分餾 吸收式熱泵 低溫余熱 能源梯級(jí)利用

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各行各業(yè)對石油化工產(chǎn)品的需求日益增長，雖然石化生產(chǎn)本身是能源輸出的行業(yè)，但在生產(chǎn)過程中，由于用能不匹配、余熱排放量大等原因?qū)е缕淠芎钠螅既珖偰芎牡?0%以上[1-2]。為了調(diào)整、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，“十二五”規(guī)劃制定了煉油裝置原油加工能耗需低于2 516.36 MJ/t的目標(biāo)，但與目前國際綜合能耗水平仍有巨大的差距[3]。氣體分餾工藝是石化生產(chǎn)中能源消耗較大的環(huán)節(jié)之一，本課題針對常規(guī)氣體分餾工藝流程中物料加熱過程換熱溫差大、加熱能級(jí)嚴(yán)重不匹配的問題，提出一種氣體分餾塔物料梯級(jí)加熱的方法，在此基礎(chǔ)上，針對氣體分餾塔塔頂物料散熱造成的熱能浪費(fèi)，提出了一種基于第一類吸收式熱泵的氣體分餾塔物料梯級(jí)加熱方法，并以銀川某煉油化工公司的實(shí)際工程為研究對象，利用上述方法對氣體分餾工藝系統(tǒng)進(jìn)行了改造。

1 常規(guī)氣體分餾工藝

常規(guī)氣體分餾工藝流程示意如圖1所示，包括分餾塔、重沸器、空氣冷卻器(空冷器)、水冷換熱器(水冷器)以及用于連接上述設(shè)備的管路、閥門等。物料(40 ℃左右)進(jìn)入分餾塔后由重沸器加熱，分餾塔塔頂成品物料須由冷卻裝置(空冷器及水冷器)冷卻，然后輸送至儲(chǔ)料罐。分餾塔內(nèi)的工作溫度因目的產(chǎn)品的不同而有所差異，大致分布在60～120 ℃之間，與其它石化工藝相比，需要消耗的能量品位較低。

圖1 常規(guī)氣體分餾工藝流程示意

圖2 常規(guī)氣體分餾系統(tǒng)的分析

2 氣體分餾塔物料梯級(jí)加熱的思路

在常減壓蒸餾、催化裂化、延遲焦化等工藝中通常會(huì)產(chǎn)生一定量的溫度低于150 ℃的余熱[5]，國內(nèi)一些石化企業(yè)采用熱聯(lián)合的方法利用這部分熱量[6-7]，即以熱媒水載熱，作為氣體分餾塔重沸器的熱源，其流程與傳統(tǒng)系統(tǒng)類似，可減少工藝蒸汽的消耗，取得一定的經(jīng)濟(jì)效益。但熱媒水溫度通常為90 ℃左右，只能供給低溫氣體分餾塔，而不能作為高溫氣體分餾塔重沸器的熱源。

圖3 利用熱聯(lián)合熱媒水+工藝蒸汽對物料梯級(jí)加熱流程示意

圖4 氣體分餾塔物料梯級(jí)加熱系統(tǒng)的分析

3 基于第一類吸收式熱泵的氣體分餾塔物料梯級(jí)加熱系統(tǒng)

氣體分餾工藝需要保證生產(chǎn)的穩(wěn)定性，采用熱聯(lián)合改造后，受上游裝置(常減壓蒸餾、催化裂化、延遲焦化等)工作狀態(tài)和產(chǎn)量波動(dòng)的影響，熱媒水流量及溫度往往不穩(wěn)定。因?yàn)樵跈z修或者熱媒水參數(shù)發(fā)生變化時(shí)仍需要補(bǔ)充工藝蒸汽參與加熱，所以一座常規(guī)的低溫氣體分餾塔通常需要同時(shí)設(shè)置熱水型重沸器和蒸汽型重沸器。因此，實(shí)際熱聯(lián)合改造項(xiàng)目降低蒸汽消耗的效果通常并不理想。而在石化各工藝中存在大量的品位更低的物料散熱余熱，如果能有效加以升溫利用，將進(jìn)一步降低能耗[9]。

基于第一類吸收式熱泵的高溫氣體分餾塔物料梯級(jí)加熱流程見圖5。由圖5可知，該加熱系統(tǒng)在原有高溫氣體分餾塔流程的基礎(chǔ)上設(shè)置第一類吸收式熱泵，并在物料入口處增設(shè)熱水物料換熱器。第一類吸收式熱泵以部分工藝蒸汽作為發(fā)生器G的驅(qū)動(dòng)熱源，以塔頂物料散熱的循環(huán)冷卻水(40 ℃30 ℃)作為蒸發(fā)器E的低溫?zé)嵩矗崛√N(yùn)含于其中的余熱，在吸收器A和冷凝器C中制備90 ℃熱水，送至熱水物料換熱器高溫側(cè)，將換熱器低溫側(cè)的入口物料加熱至85 ℃左右后送入分餾塔內(nèi)，再通過重沸器利用工藝蒸汽加熱并維持在110 ℃。

針對上述系統(tǒng)流程，對第一類吸收式熱泵的工作參數(shù)提出以下要求：①作為吸收式熱泵的驅(qū)動(dòng)熱源，煉油化工廠的工藝蒸汽通常為0.3 MPa左右的蒸汽；②作為吸收式熱泵的低溫?zé)嵩?，循環(huán)冷卻水溫度通常為40 ℃30 ℃；③將入口物料由40 ℃加熱至85 ℃，考慮熱水物料換熱器5 ℃左右的換熱端差，吸收式熱泵需要制備90 ℃的熱水。

圖5 基于第一類吸收式熱泵的高溫氣體分餾塔物料梯級(jí)加熱流程示意1—分餾塔； 2—重沸器； 3—空冷器； 4—水冷器； 5—熱水物料換熱器； 6—吸收式熱泵；A—吸收器； C—冷凝器； E—蒸發(fā)器； G—發(fā)生器

對于常規(guī)的單級(jí)吸收式熱泵(單效吸收式熱泵和雙效吸收式熱泵)，制熱溫度通常不超過75 ℃，為此，清華大學(xué)研發(fā)了雙級(jí)大溫升吸收式熱泵，可將制熱溫度提升至90 ℃[10]。本課題設(shè)計(jì)的吸收式熱泵機(jī)組由單效吸收式熱泵和雙級(jí)大溫升吸收式熱泵兩級(jí)串聯(lián)組成，驅(qū)動(dòng)熱源為0.3 MPa工藝蒸汽，低溫?zé)嵩礊?0 ℃30 ℃循環(huán)冷卻水，平均綜合制熱性能系數(shù)(COPh，av)為1.5，主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 吸收式熱泵機(jī)組的主要設(shè)計(jì)參數(shù)

由此構(gòu)建了氣體分餾塔物料的梯級(jí)加熱流程，吸收式熱泵機(jī)組承擔(dān)將物料由40 ℃加熱至85 ℃的顯熱加熱量，占總加熱量的55%，重沸器承擔(dān)將物料由85 ℃加熱至110 ℃的顯熱加熱量及將分餾物料蒸發(fā)的潛熱量，占總加熱量的45%。吸收式熱泵機(jī)組的COPh，av為1.5，回收的余熱量占總加熱量的18%，使工藝蒸汽消耗量降低18%。

對于低溫氣體分餾塔工藝流程，可以利用第一類吸收式熱泵制備的90 ℃熱水直接作為重沸器熱源，基于第一類吸收式熱泵的低溫氣體分餾塔物料加熱流程示意見圖6，可以通過回收余熱使工藝蒸汽消耗量降低33%。

圖6 基于第一類吸收式熱泵的低溫氣體分餾塔物料加熱流程示意1—分餾塔； 2—重沸器； 3—空冷器； 4—水冷器；5—吸收式熱泵； A—吸收器； C—冷凝器； E—蒸發(fā)器； G—發(fā)生器

與常規(guī)氣體分餾工藝流程相比，新系統(tǒng)通過回收塔頂物料余熱，實(shí)現(xiàn)了入口物料的梯級(jí)加熱，較大幅度地減少工藝蒸汽的消耗，進(jìn)而顯著提高氣體分餾工藝的能源利用效率。

4 工程案例分析

以銀川某煉油化工公司為例，該公司有醇胺再生、脫乙烷、脫丙烷、精丙烯、催化蒸餾5個(gè)氣體分餾塔，重沸器加熱熱源為0.3 MPa蒸汽。各分餾塔的相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 各分餾塔的相關(guān)參數(shù)

5個(gè)分餾塔塔頂均設(shè)置水冷器，各水冷器的循環(huán)冷卻水匯合于一根循環(huán)水主管道后并入廠區(qū)動(dòng)力車間總循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。經(jīng)測試，5個(gè)氣體分餾塔的工藝蒸汽消耗量為37.5 t/h，循環(huán)水主管道流量約為1 040 t/h，循環(huán)冷卻水溫度為38 ℃/30 ℃，經(jīng)分析計(jì)算，通過循環(huán)冷卻水帶走的余熱約為9.7 MW。

該系統(tǒng)可通過回收余熱使工藝蒸汽用量降低約8.3 t/h，占原工藝蒸汽消耗量的22%，大幅提高了氣體分餾工藝環(huán)節(jié)的能源利用效率。

表3 吸收式熱泵的主要設(shè)計(jì)參數(shù)

該項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)果見表4。該項(xiàng)目增設(shè)吸收式熱泵、熱水/物料換熱器及相關(guān)配套設(shè)備的第一類工程費(fèi)用約為1 150萬元；氣體分餾系統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)間為7 200 h/a，工藝蒸汽用量降低約60 kt/a，吸收式熱泵運(yùn)行耗電量為21.6×104kW·h，燃煤鍋爐生產(chǎn)工藝蒸汽價(jià)格約為68元/t，當(dāng)?shù)仉妰r(jià)按0.45元/(kW·h)計(jì)算，則運(yùn)行費(fèi)用減少398萬元/a。該項(xiàng)目的靜態(tài)投資回收期不到3年。

表4 經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)果

5 結(jié) 論

(1) 根據(jù)熱力學(xué)分析結(jié)果，指出常規(guī)氣體分餾系統(tǒng)存在兩方面的缺陷：一方面利用工藝蒸汽直接對進(jìn)口物料加熱的過程換熱溫差過大、加熱能級(jí)嚴(yán)重不匹配；另一方面分餾塔塔頂物料散出的余熱無法回收，造成大量的熱能浪費(fèi)。

(2) 提出一種氣體分餾塔物料梯級(jí)加熱的方法：在物料入口增設(shè)熱水/物料換熱器，利用熱媒水等90 ℃左右的熱聯(lián)合余熱替代部分工藝蒸汽對入口物料進(jìn)行預(yù)熱，再利用工藝蒸汽通過重沸器進(jìn)行加熱，可解決高溫氣體分餾塔不能利用熱媒水作為加熱熱源的問題。

(3) 提出了一種基于第一類吸收式熱泵的氣體分餾塔物料梯級(jí)加熱系統(tǒng)，通過回收塔頂物料余熱，實(shí)現(xiàn)了入口物料的梯級(jí)加熱，可以使工藝蒸汽的消耗量減少進(jìn)而顯著提高氣體分餾工藝的能源利用效率。

(4) 以銀川某煉油化工公司的實(shí)際工程為研究對象，利用上述方法對氣體分餾工藝系統(tǒng)進(jìn)行改造，可使工藝蒸汽用量降低22%，運(yùn)行費(fèi)用減少398萬元/a，項(xiàng)目的靜態(tài)投資回收期在3年以下。

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CASCADE HEATING METHOD FOR GAS FRACTIONATOR EFFLUENT USING FIRST TYPE ABSORPTION HEAT PUMP

Li Yan1， Zhu Meng1， Zhang Shuyan1， Liu Jun2

(1.CollegeofCivilEngineeringandMechanics，YanshanUniversity，Qinhuangdao，Hebei066004； 2.BeijingChongkeHigh-TechnologyDevelopmentCo.，Ltd.)

Aiming at large heat transfer temperature difference and serious mismatch of heating energy level in conventional gas fractionation process， a cascade heating method using first type absorption heat pump for gas fractionation column effluent was proposed. By the method the exergy efficiency of gas fractionation process is greatly improved through diminishing heat dissipation in the top of fractionating tower， reducing steam consumption and recovering waste heat. After revamping the gas fractionation system in a refining & chemical company in Yinchuan， the steam consumption can be reduced by 22%， and save the operating cost about 3.98 million Yuan annually.

gas fractionation； absorption heat pump； low temperature waste heat； cascade utilization of energy

2014-04-28； 修改稿收到日期： 2014-08-21。

李巖，博士，副教授，主要從事熱電聯(lián)產(chǎn)、工業(yè)余熱回收等方面的研究工作。

李巖，E-mail：leeyan2007@sohu.com。

河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No. E2013203181)。