塔里木英買處理廠余熱回收利用的可行性分析

唐建 侯新利 文雷 鄭民君 杜中科(中國石油塔里木油田分公司天然氣事業(yè)部， 新疆 庫爾勒 841000)

0 前言

隨著新《環(huán)境保護(hù)法》的實(shí)施，國家對能源利用、環(huán)境保護(hù)及經(jīng)濟(jì)效益有了更高的要求。尤其在石油化工生產(chǎn)過程中，工業(yè)排放的有壓有熱廢氣不僅造成能源的浪費(fèi)且還對環(huán)境有污染影響，有些廢氣余熱的能量幾乎和有用功相同[1]，沒有達(dá)到節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的要求。因此，塔里木油田英買作業(yè)區(qū)響應(yīng)國家的號召，開發(fā)余熱利用技術(shù)，更充分的利用燃?xì)赓Y源，在節(jié)能、環(huán)保的同時(shí)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益[2]。

我國工業(yè)企業(yè)中余熱余能資源只占整個(gè)輸入能源的7.3%，而余熱余能資源回收率僅為34.9%[3]。尤其石油工業(yè)中各種熱能轉(zhuǎn)換設(shè)備、用能設(shè)備和化學(xué)反應(yīng)設(shè)備會(huì)產(chǎn)生大量的未被充分利用的冷量與熱量。因此，余熱余能回收利用潛力巨大，余熱回收利用等同于對另一種新資源的開采。

塔里木油田英買作業(yè)區(qū)地處塔克拉瑪干大沙漠北部，是我國目前最大的凝析氣田群。英買處理廠處理英買作業(yè)區(qū)的凝析氣，在處理廠的天然氣脫水裝置中，有大量的余熱未得到有效的利用。研究新的工藝方法和設(shè)備將余熱余能進(jìn)行有效的回收利用，既可以取得節(jié)能效果，也能創(chuàng)造較大的經(jīng)濟(jì)效益。

1 英買處理廠運(yùn)行現(xiàn)狀

1.1 天然氣脫水流程

英買處理廠天然氣脫水裝置采用的是分子篩脫水工藝，分子篩脫水塔內(nèi)裝填4A型分子篩。每套裝置采用四塔流程，兩塔并行吸附，一塔再生和一塔冷卻，總共有A列和B列兩套天然氣脫水裝置。

工藝流程為(如圖1所示)：從上游來的溫度大約為30℃的原料氣通過高效過濾器進(jìn)行氣液初步分離，進(jìn)入處于吸附狀態(tài)的分子篩塔1#和2#，使原料氣含水降到10ppm以下。脫水后的氣體首先進(jìn)入粉塵過濾器脫除夾帶的粉塵，然后去低溫分離器進(jìn)行冷凍分離。分子篩塔的冷吹氣(或再生氣)取自原料氣，氣量大約為12000m3/h，冷吹氣首先經(jīng)過冷吹氣高效過濾器進(jìn)行氣液初步分離后，進(jìn)入剛剛從加熱階段切換過來的分子篩塔3#，對分子篩進(jìn)行冷卻，冷吹氣將分子篩的熱量攜帶走，出3#塔的冷吹氣從溫度升高到40～50℃，將作為再生塔的再生氣進(jìn)入再生氣換熱器，而再生氣的熱量由導(dǎo)熱油系統(tǒng)提供，導(dǎo)熱油進(jìn)加熱器溫度為285～310℃，出加熱器溫度為270～280℃。將再生氣加熱至275℃左右，去分子篩塔4#脫除干燥劑吸附的水分，最后溫度約為275℃的再生氣經(jīng)再生氣空器被冷卻至30℃后去再生氣分水罐分離出冷凝下來的水，最后再生氣返回至分子篩原料氣入口管線。

圖1 分子篩脫水流程圖

分子篩脫水塔脫水、再生操作過程的切換都是通過DCS控制系統(tǒng)對程序控制閥進(jìn)行時(shí)間控制來完成。其中兩塔處于并行吸附狀態(tài)，吸附時(shí)間8個(gè)小時(shí)，一塔處于冷卻過程，冷卻時(shí)間4個(gè)小時(shí)，一塔處于再生過程，一個(gè)再生周期時(shí)間4個(gè)小時(shí)，四個(gè)塔交替循環(huán)使用滿足連續(xù)干燥的目的。

1.2 脫水裝置余熱計(jì)算

從天然氣脫水裝置流程分析可以看出，再生氣空冷器將再生氣從最高275℃急劇冷卻至30℃后去再生氣分水罐分離出冷凝下來的水，最后再生氣返回至分子篩原料氣入口管線。再生氣被再生氣空冷器冷卻后的大量余熱未被有效利用而白白被排放至大氣中，因此研究某些方法和設(shè)備將排放至大氣中的余熱有效的回收利用，既可以取得節(jié)能效果，同時(shí)還能創(chuàng)造較大的經(jīng)濟(jì)效益。

再生塔的再生周期為4個(gè)小時(shí)，四塔交替循環(huán)，再生氣空冷器將再生氣從最高275℃急劇冷卻至30℃。以A列天然氣脫水裝置為例，可計(jì)算出在一個(gè)再生周期內(nèi)，再生塔的再生氣通過再生氣空冷器降溫后排放到大氣中的熱量Q。

式中：c為再生氣在275℃時(shí)的定壓比熱容值，3.031kJ/(kg·℃)；m為再生氣在一個(gè)再生周期內(nèi)通過再生氣空冷器的質(zhì)量，kg ；ρ為再生氣的密度，kg/m3，ρ=0.717 ；v為再后氣的體積，m3；Δt為再生氣通過再生氣空冷器后的溫度差，245℃。

由式(1)和式(2)計(jì)算可得：Q=2.56×107kJ

處理廠兩列天然氣脫水裝置每天再生氣通過再生氣空冷器降溫后排放到大氣中的總熱量Q總為：

式中：QA為A列脫水裝置一天排放的熱量，kJ；QB為B列脫水裝置一天排放的熱量，kJ。

通過以上計(jì)算，得到處理廠天然氣脫水裝置再生氣一天通過再生氣空冷器排放的總熱量Q總=3.08×108kJ。

2 余熱回收方式分析

2.1 余熱回收使用方式

根據(jù)被加熱介質(zhì)的不同，現(xiàn)有余熱使用方式主要有三種[4]：使用余熱加熱空氣；使用余熱加熱燃油；使用余熱加熱給水。

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，英買作業(yè)區(qū)員工生活公寓和處理廠站內(nèi)辦公公寓的熱水供應(yīng)和冬季供暖水全部由處理廠的低壓燃料氣輸送至公寓通過鍋爐燃燒加熱。通過計(jì)算得到，天然氣處理裝置的兩套分子篩脫水裝置的再生氣一天通過再生氣空冷器排放的總熱量達(dá)到3.08×108kJ。因此，根據(jù)英買作業(yè)區(qū)實(shí)際情況，天然氣脫水裝置的余熱回收采用加熱給水方式，通過簡單的工藝改造，使用排放的熱量對常溫水進(jìn)行加熱后輸送到作業(yè)區(qū)公寓和站內(nèi)辦公公寓，這樣不僅可以取得節(jié)能效果，同時(shí)還能創(chuàng)造較大的經(jīng)濟(jì)效益。

圖2 余熱利用工藝流程改造圖

2.2 余熱回收流程設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的余熱回收工藝流程主要是利用通過再生氣空冷器降溫排放的空氣熱量與常溫水進(jìn)行熱交換，余熱利用工藝流程設(shè)計(jì)如圖2所示：再生氣通過再生氣空冷器降溫排放的空氣熱量進(jìn)入到換熱器，空氣熱量經(jīng)過換熱器的殼程，同時(shí)從凈化水罐來的常溫水經(jīng)過換熱器的管程，兩者在換熱器處交換熱量；換熱后空氣排放至大氣。并在換熱器水出口設(shè)置一個(gè)溫度控制閥控制熱水溫度，達(dá)到溫度要求的熱水進(jìn)入保溫水槽，最終通過水泵將熱水輸送至公寓和站內(nèi)。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

通過計(jì)算，天然氣處理裝置的兩套分子篩脫水裝置的再生氣每天通過再生氣空冷器排放的總熱量達(dá)到3.08×108kJ，天然氣的熱值約為37.62×106J/m3(即每立方天然氣燃燒大約放出37.62×106J的熱量)。排放的3.08×108kJ熱量大約相當(dāng)于8187m3天然氣燃燒放出的熱量。以換熱器的換熱效率為80%計(jì)算，則每天可節(jié)約相當(dāng)于6550m3的天然氣，一年則可節(jié)約大約2.40×106m3的天然氣，價(jià)值大約240萬元，而余熱回收改造費(fèi)用大約只需150萬元，當(dāng)年即可收回成本。因此，通過改造不僅可以取得節(jié)能效果，同時(shí)還能創(chuàng)造較大的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語

英買處理廠余熱回收利用技術(shù)的思路，通過對流程進(jìn)行簡單的改造，不僅可以創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也可以帶來較大的社會(huì)效益和環(huán)境效益，不僅可以減少向大氣釋放的污染物，還大大節(jié)省了能源，達(dá)到了節(jié)能減排的效果。

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[1]宋曉俊，楊永彬，王洪松等.塔中油田燃?xì)怆娬居酂峄厥绽玫目尚行匝芯縖J].石油石化節(jié)能，2013(3)：10-13.

[2]王汝武.節(jié)能技術(shù)及工程實(shí)例[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：25-36.

[3]周耕，王康，陳思.工業(yè)余熱利用現(xiàn)狀及技術(shù)展望[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2010，20(23)：162-164.

[4]賀濤.鍋爐系統(tǒng)煙氣余熱利用技術(shù)研究[J].機(jī)械管理開發(fā)，2012，4(128) ：47-48.