郭振國(guó)
(中海油石化工程有限公司,山東 濟(jì)南 250101)
煉化企業(yè)在生產(chǎn)能源的同時(shí),也消耗了大量能源,是能源的主要消耗者。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì),煉化企業(yè)的能耗已經(jīng)成為全國(guó)各行業(yè)中的耗能大戶(hù)。近年來(lái),國(guó)家環(huán)保法規(guī)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格,油品清潔化要求更高,對(duì)煉化企業(yè)能耗限制越來(lái)越多;于此同時(shí),原油卻日益劣質(zhì)化,煉化裝置加工流程向復(fù)雜方向變化,消耗能量越來(lái)越高,嚴(yán)重影響節(jié)能減排的實(shí)施。煉化企業(yè)現(xiàn)在面臨的首要問(wèn)題是:如何在降低能耗,達(dá)到節(jié)能減排目標(biāo)的同時(shí),提高企業(yè)的效益和競(jìng)爭(zhēng)力[1]。
煉化裝置中有大量熱物流需要進(jìn)行冷卻,這部分熱量不僅消耗了大量循環(huán)水或電能,其本身攜帶的熱量還被大量浪費(fèi),大大增加了整個(gè)裝置的能耗。工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)證明,對(duì)裝置內(nèi)產(chǎn)生的余熱進(jìn)行回收并加以利用,能夠有效降低裝置能耗,是效果明顯的節(jié)能措施。經(jīng)過(guò)不斷研究,煉化裝置余熱利用方式已經(jīng)日漸成熟,常規(guī)方式主要有采暖伴熱、制冷、發(fā)電等[2]。但是,這些方式的使用都有各自的限制。
機(jī)械蒸汽壓縮(Mechanical Vapor compression,縮寫(xiě)為MVR)技術(shù)是一項(xiàng)高效環(huán)保的節(jié)能技術(shù),主要用在溶液的蒸發(fā)工藝過(guò)程中。本文對(duì)MVR技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹,并對(duì)其在煉化裝置低溫余熱利用中的應(yīng)用進(jìn)行分析。
MVR技術(shù)又稱(chēng)為熱泵技術(shù),是將低溫低壓的蒸汽通過(guò)壓縮,變?yōu)楦邷馗邏旱恼羝9ぷ鬟^(guò)程為:低溫低壓蒸汽進(jìn)入蒸汽壓縮機(jī),經(jīng)過(guò)壓縮使得低壓蒸汽的溫度、壓力和熱焓值都得到很大的提升,得到的高品位的蒸汽送往下游用戶(hù)。該技術(shù)將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?,用機(jī)械方法將蒸汽品位提高。MVR技術(shù)使原來(lái)需要廢棄的低品位蒸汽得到了充分的利用,在回收了潛熱的同時(shí)提高了熱效率,并且省去了二次蒸汽處理,可以節(jié)約大量的冷卻水和動(dòng)力消耗[3]。
MVR技術(shù)最早由國(guó)外公司開(kāi)發(fā),近期由于國(guó)家對(duì)能耗的要求越來(lái)越高,該技術(shù)在國(guó)內(nèi)也逐漸得到大量應(yīng)用。
MVR技術(shù)的核心為蒸汽壓縮機(jī)。壓縮機(jī)的選擇需要根據(jù)工藝需要的壓縮比和流量來(lái)確定。常見(jiàn)的蒸汽壓縮機(jī)的形式有螺桿式壓縮機(jī)、羅茨式壓縮機(jī)和離心式壓縮機(jī),分別針對(duì)不同的工況。比如羅茨式壓縮機(jī)和螺桿式壓縮機(jī)適用于壓縮比要求較高但流量較小的工況,離心式壓縮機(jī)適用于壓縮比要求低但流量很大的工況[4]。
目前,MVR技術(shù)已經(jīng)在蒸發(fā)工藝過(guò)程中得到了大量使用,比如化工、食品、海水淡化、廢水處理等行業(yè)。但是在煉化裝置余熱回收領(lǐng)域,尚未見(jiàn)該技術(shù)的應(yīng)用報(bào)道。
煉化裝置中的熱物流的冷卻通常是采用循環(huán)水冷卻或空冷器冷卻,需要對(duì)熱物流的熱量進(jìn)行回收時(shí),常根據(jù)熱物流的溫位來(lái)確定利用方案,通常有以下幾種常規(guī)方案可供選擇。
2.1.1 裝置內(nèi)物流換熱
煉化裝置中會(huì)產(chǎn)生攜帶大量熱量的高溫?zé)嵛锪鳎瑸榱撕侠淼睦媚茉?,?yīng)該首先選擇與裝置內(nèi)需要加熱的物流進(jìn)行充分換熱,對(duì)熱量實(shí)現(xiàn)逐級(jí)利用,避免出現(xiàn)熱量的浪費(fèi)。目前的煉化裝置,在工程設(shè)計(jì)過(guò)程中,基本上均遵循了這項(xiàng)原則,這也是保證裝置能耗的重要手段。但是,隨著加工工藝的日益完善,裝置內(nèi)部的換熱流程已經(jīng)在設(shè)計(jì)工程中被充分優(yōu)化,仍然還有一部分溫位較低的熱量無(wú)法被裝置內(nèi)利用。
2.1.2 采暖或裝置內(nèi)伴熱
該方案需要設(shè)置熱媒水循環(huán)系統(tǒng),使用熱媒水對(duì)裝置內(nèi)的熱物流進(jìn)行取熱,被加熱后的熱媒水送往采暖用戶(hù)或裝置內(nèi)需要伴熱的部位。該方案雖然可以對(duì)裝置內(nèi)余熱進(jìn)行利用,但熱負(fù)荷隨著季節(jié)晝夜變化較大,容易導(dǎo)致工藝裝置的波動(dòng)。同時(shí),對(duì)于我國(guó)南方地區(qū)的煉化裝置,由于常年氣溫較高,該方案適用性較差。
2.1.3 制冷
目前使用較多的為低溫?zé)徜寤囄罩评?,我?guó)南方地區(qū)的煉廠中已經(jīng)普遍使用。溴化鋰吸收式制冷的熱源為80~250℃的低溫余熱,吸收劑為溴化鋰溶液,制冷劑為水,可以制取溫度達(dá)到0℃的冷媒水。制冷產(chǎn)生的冷媒水可以用于夏季辦公區(qū)域的空調(diào)制冷,或用于生產(chǎn)過(guò)程中工藝介質(zhì)的冷卻。該方案仍然受到季節(jié)的限制,而且裝置內(nèi)必須要有需要冷量的用戶(hù)[1]。
2.1.4 發(fā)電
煉化裝置內(nèi)的余熱,還可以用于發(fā)電,使用余熱產(chǎn)生蒸汽,驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),將低品位的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)楦咂肺坏碾娔?,使低溫余熱的能?jí)大大提高。低溫?zé)崮艿陌l(fā)電技術(shù)主要是基于朗肯循環(huán)的熱力發(fā)電系統(tǒng)。根據(jù)循環(huán)工質(zhì)不同,可分為以水為工質(zhì)的水蒸氣擴(kuò)容循環(huán)、以低沸點(diǎn)有機(jī)物或有機(jī)混合物為工質(zhì)的ORC(有機(jī)朗肯循環(huán))、以氨水混合物為工質(zhì)的Kalina(卡琳娜)循環(huán)等。水蒸氣擴(kuò)容循環(huán)主要用于溫度較高的余熱;有機(jī)朗肯循環(huán)可回收低溫?zé)崃康臏囟确秶^大,在低溫余熱發(fā)電技術(shù)中研究和應(yīng)用最為廣泛;Kalina循環(huán)系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜,工業(yè)應(yīng)用相對(duì)較少。發(fā)電方案的熱效率通常較低,而且需要考慮發(fā)電的并網(wǎng)使用問(wèn)題,導(dǎo)致余熱發(fā)電的運(yùn)行出現(xiàn)波動(dòng)[2]。
圖1 MVR余熱利用方案工藝流程
煉化裝置的余熱由于溫位較低,如果用來(lái)產(chǎn)生蒸汽,只能產(chǎn)生低壓蒸汽。低壓蒸汽由于壓力和溫度較低,不適合外輸,在煉化裝置內(nèi)部又難以得到利用。MVR方案是在產(chǎn)生低壓蒸汽的基礎(chǔ)上,使用壓縮機(jī)對(duì)低壓蒸汽壓縮,使蒸汽壓力和溫度都得到提高,獲得高品位蒸汽,方便其他裝置或用戶(hù)的使用。
MVR方案在實(shí)施時(shí)有兩種方案可供選擇:
方案1:低壓蒸汽全部用于增壓。
在本方案中,壓縮機(jī)采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),裝置余熱副產(chǎn)的低壓蒸汽進(jìn)入壓縮機(jī),增壓后送往下游用戶(hù)。
方案2:低壓蒸汽部分用于增壓。
在本方案中,采用凝汽式汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)蒸汽壓縮機(jī),部分裝置余熱副產(chǎn)的低壓蒸汽進(jìn)入凝汽式汽輪機(jī)進(jìn)行做功,帶動(dòng)蒸汽壓縮機(jī)對(duì)剩余副產(chǎn)蒸汽進(jìn)行增壓,加壓后送往下游用戶(hù)。
整體來(lái)看,方案1的收益要高于方案2,但方案2利用自身產(chǎn)生的一部分蒸汽驅(qū)動(dòng)另一部分蒸汽,不消耗額外的電能,沒(méi)有電網(wǎng)側(cè)的擴(kuò)容問(wèn)題。
以方案2為基礎(chǔ),整個(gè)MVR的工藝流程如圖1所示。
MVR技術(shù)在煉化裝置余熱回收利用中有以下優(yōu)勢(shì):
(1)MVR技術(shù)可以得到高品位蒸汽,并且蒸汽可以外輸或在煉化裝置內(nèi)就地使用;可以增加裝置的蒸汽來(lái)源,減少能量消耗;
(2)MVR技術(shù)不受地區(qū)和季節(jié)限制,熱負(fù)荷變化小,可以長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行;
(3)MVR技術(shù)可將裝置的余熱進(jìn)行回收,減少了用于冷卻的循環(huán)水、電能消耗;
(4)MVR技術(shù)工藝簡(jiǎn)單,配套設(shè)備少,整體投資較低。
但是,MVR技術(shù)的優(yōu)勢(shì)都是建立在壓縮機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上的。由于蒸汽溫度較高,對(duì)蒸汽壓縮機(jī)的密封、運(yùn)轉(zhuǎn)等都要求較高,選擇蒸汽壓縮機(jī)時(shí)必須確保其性能穩(wěn)定可靠。
國(guó)家對(duì)煉化裝置能耗的要求越來(lái)越嚴(yán)格,采用先進(jìn)技術(shù)對(duì)煉化裝置的余熱進(jìn)行回收利用,在降低能源消耗的同時(shí),還能夠降低生產(chǎn)成本,提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)能力。作為一種先進(jìn)的余熱利用技術(shù),MVR技術(shù)還沒(méi)有在煉化裝置的余熱回收中使用,如果得到利用,必將發(fā)揮更大的作用。
[1]王弘歷,龔 燕,郭 彥,等.煉化過(guò)程低溫余熱利用技術(shù)的應(yīng)用及進(jìn)展[J].石油規(guī)劃設(shè)計(jì),2017,28(1):14-17.
[2]沈潺潺,趙東風(fēng),李 石,等.煉油企業(yè)低溫余熱回收利用的研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代化工,2012,32(11):22-26.
[3]丁秀華.MVR技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用及發(fā)展[J].廣州化工,2015,43(9):41-43.
[4]龐衛(wèi)科,林文野,戴群特,等.機(jī)械蒸汽再壓縮熱泵技術(shù)研究進(jìn)展[J].節(jié)能技術(shù),2012,30(174):312-315.