超臨界CO2制冷技術(shù)在PVC生產(chǎn)中的應(yīng)用

李 毅，陳 雷

（安徽華塑股份有限公司，安徽 滁州 233290）

安徽華塑股份公司電石法PVC生產(chǎn)裝置采用法國(guó)ARKEMA技術(shù)，聚合裝置分2條線布置，每條線3臺(tái)三葉后掠式單層底伸攪拌的143 m3聚合釜。聚合釜在反應(yīng)過程中主要采取夾套循環(huán)冷卻水和釜頂冷凝器撤熱的方式，同時(shí)在聚合反應(yīng)過程中的脫鹽水注水也是直接吸收聚合反應(yīng)熱的一種方式。當(dāng)?shù)叵募緶囟容^高，極端最高氣溫可達(dá)39.1℃，夏季循環(huán)水溫度較高，聚合反應(yīng)釜熱量難以移除，反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，單體轉(zhuǎn)化率降低，聚合釜產(chǎn)能下降明顯。即便采用上述3種撤熱方式，夏季仍然難以有效提高單釜產(chǎn)能，因此考慮若能將注水用的脫鹽水溫度降至20℃，6～9月PVC單釜產(chǎn)量可提高1 t左右。

華塑公司了解到某公司具有適用于脫鹽水降溫冷卻的CO2熱泵制冷技術(shù)。經(jīng)過多次技術(shù)交流，決定采用其MW級(jí)跨臨界CO2熱泵制冷制熱成套機(jī)組，一邊將脫鹽水水溫由35～40℃降至20℃左右，送入聚合釜，另一邊將水溫由35℃左右加熱至90℃左右，送入熱脫鹽水槽，供生產(chǎn)工藝使用。

跨臨界CO2熱泵技術(shù)，采用天然環(huán)保的CO2為介質(zhì)，專門用于回收各種低品位余熱資源，如低于40℃的各類水源、空氣源等。低溫（可在－40～15℃可調(diào)）的CO2吸熱后，經(jīng)過壓縮，可將低品位熱源轉(zhuǎn)化為120℃以上的高品位熱源，也可將15℃冷水一次加熱至90℃以上。

CO2是一種天然工質(zhì)，無(wú)毒，不燃燒，對(duì)大氣臭氧層沒有破壞作用，溫室效應(yīng)影響小。傳統(tǒng)的制冷劑如CFCs、HCFCs等對(duì)大氣臭氧層有破壞作用、對(duì)地球溫室效應(yīng)有明顯影響。

1 超臨界CO2熱泵原理

MW級(jí)超級(jí)跨臨界CO2冷熱聯(lián)供技術(shù)，采用天然的CO2為介質(zhì)，在制冷的同時(shí)，回用回收的熱量，實(shí)現(xiàn)單機(jī)冷熱聯(lián)供。冷端可根據(jù)需要將水溫降至15～20℃，熱端可將常溫水一次加熱至85℃以上，最高95℃。單機(jī)制冷功率1 300 kW，制熱功率1 670 kW，綜合能效COP可達(dá)7以上。

技術(shù)原理：低溫（在－10～15℃可調(diào)）的 CO2從需要降溫的脫鹽水中吸熱，將脫鹽水溫度降至生產(chǎn)需要的溫度。CO2吸熱后溫度上升再經(jīng)過CO2專用壓縮機(jī)壓縮，將CO2溫度升高至100℃以上（最高可達(dá)140℃），用此高溫CO2可將常溫的脫鹽水加熱至85℃左右，供至熱水箱，超級(jí)跨臨界CO2熱泵原理圖見圖1。左側(cè)為制冷端，右側(cè)為制熱端，中間為CO2超級(jí)熱泵。CO2在熱泵內(nèi)部循環(huán)，正常運(yùn)行，不泄漏，無(wú)需補(bǔ)充。

圖1 超級(jí)跨臨界CO2熱泵原理圖

2 超級(jí)跨臨界CO2熱泵（冷熱聯(lián)供）機(jī)組特點(diǎn)

（1）采用自然界中“生態(tài)精靈”之稱的CO2為工質(zhì)；

（2）單機(jī)制熱功率可達(dá)6 MW；

（3）一臺(tái)機(jī)組實(shí)行冷熱聯(lián)供，綜合COP達(dá)7以上；

（4）冷端可以實(shí)現(xiàn)大溫差降溫（大于30℃）；

（5）冷側(cè)制冷最低可達(dá)－80℃；

（6）制冷COP高（取決于低溫程度），常規(guī)制冷COP大于3，制熱COP大于4；

（7）熱端實(shí)現(xiàn)高溫再利用（正常在85℃左右，最高可達(dá)95℃）；

（8）制熱速度快，15℃水可一次加熱至90℃以上；

3 PVC車間脫鹽水降溫技術(shù)改造需求分析

（1）PVC裝置反應(yīng)釜補(bǔ)充水采用脫鹽水，脫鹽水溫度基本等同于環(huán)境溫度，夏季正常大于35℃，最高可達(dá)40℃。而生產(chǎn)工藝需要脫鹽水溫度20℃左右，反應(yīng)效果最佳，用水量40t/h。因水溫高，需要降低原料投入，整個(gè)生產(chǎn)線產(chǎn)能受影響非常大，而夏季是PVC價(jià)格最高時(shí)期，因減產(chǎn)給公司造成巨大損失。

（2）PVC生產(chǎn)工藝中還需要85℃左右的脫鹽水，目前采用的是低壓蒸汽加熱的方法，使用量40 t/h左右。

（3）夏季聚合釜由于未能及時(shí)撤熱，在聚合反應(yīng)后期頻繁出現(xiàn)超溫超壓現(xiàn)象，采用跨臨界CO2熱泵對(duì)脫鹽水注水進(jìn)行降溫后，有利于降低PVC生產(chǎn)過程的安全風(fēng)險(xiǎn)，并且起到穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量的作用。脫鹽水降溫技術(shù)改造工藝流程簡(jiǎn)圖見圖2。

圖2 脫鹽水降溫工藝流程圖

圖3 跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)冷側(cè)系統(tǒng)圖

圖4 跨臨界CO2熱泵熱側(cè)原理圖

4 PVC車間脫鹽水降溫改造整體方案

（1）在除鹽水箱南側(cè)、袋裝化學(xué)品庫(kù)與儀表機(jī)電房間空地，建設(shè)跨臨界CO2熱泵機(jī)組一臺(tái)；

（2）注入水泵出口總管改接至熱泵蒸發(fā)器入口。蒸發(fā)器出口（降溫后的脫鹽水）接至反應(yīng)釜；

（3）從大流量除鹽水泵出口接一路管道至熱泵冷卻器，冷卻器出口高溫水接至熱脫鹽水槽和燒堿車間。

5 管道與系統(tǒng)技術(shù)改造方案

（1）注入水泵出口總管為DN100，熱泵系統(tǒng)冷側(cè)系統(tǒng)圖見圖3。

脫鹽水需要降溫時(shí)，關(guān)閉直通閥，打開進(jìn)出熱泵蒸發(fā)器閥門，啟動(dòng)CO2熱泵機(jī)組，將除鹽水降溫運(yùn)行。

（2）從大流量除鹽水泵出口總管支接DN80三通，引一路水源至熱泵冷卻器，熱泵熱側(cè)原理圖見圖4。

熱泵冷卻器出口高溫水，接入脫鹽水熱水箱頂部，另一路送燒堿車間。

6 電氣與控制

（1）電氣部分

MW級(jí)超級(jí)跨臨界CO2熱泵機(jī)組由12臺(tái)壓縮機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，6臺(tái)壓縮機(jī)共用一路電源。共有2個(gè)電源柜，單柜正常運(yùn)行3～5臺(tái)壓縮機(jī)，單電源柜運(yùn)行功率不大于200 kW。需要從配電房連接二路電源，開關(guān)容量630 A。電纜參數(shù)為3X185+2X95。

（2）控制部分

跨臨界CO2熱泵機(jī)組采用DCS控制方式，可實(shí)現(xiàn)一鍵啟停。可就地操作，也可以遠(yuǎn)程操作。

7 投資概算及主要設(shè)備

總投資預(yù)計(jì)400萬(wàn)元（不含稅），含設(shè)備及基本材料供應(yīng)、儀表等。主要設(shè)備清冊(cè)如下。

（1）MW級(jí)跨臨界CO2熱泵主機(jī)一臺(tái)套。

進(jìn)口CO2專用跨臨界壓縮機(jī)12臺(tái)；蒸發(fā)器1臺(tái)套；氣體冷卻器1臺(tái)套；回?zé)崞?臺(tái)套；輔助降溫?fù)Q熱器1臺(tái)；分離器1臺(tái)；減壓裝置1套；熱泵機(jī)組控制系統(tǒng)1套。

（2）脫鹽水增壓泵2臺(tái)。

（3）冷凍水回水增壓泵2臺(tái)。

（4）DN100、DN80不銹鋼管道約 450 m。

（5）DN100、DN80不銹鋼閥門共20個(gè)。

CO2熱泵機(jī)組冷側(cè)端脫鹽水進(jìn)水溫度35.1℃，出水12.7℃；熱側(cè)脫鹽水進(jìn)水溫度21.51℃，出水92.3℃；出水溫度滿足工藝要求。

8 投資回報(bào)分析

40 m3脫鹽水，由40℃降溫至15℃，CO2熱泵制冷量：1 172.3 kW；熱泵產(chǎn)生熱量：1 498 kW，將21 m3冷水升溫60℃。

夏季按4個(gè)月計(jì)算：

冷量合計(jì)：1 172.3×4×30×24=3 376 224（kW），約合 29×108（kcal）；

熱量合計(jì)：1 498×4×30×24=4 314 240（kW），約合 37.1×108（kcal）；

冷/熱價(jià)按0.32元/kW·h計(jì)算，冷量?jī)r(jià)值約合108萬(wàn)元，熱量?jī)r(jià)值約合138萬(wàn)元，冷、熱合計(jì)約246萬(wàn)元，耗電937 840 kW·h，約合30萬(wàn)元；

效益合計(jì)246－30=216（萬(wàn)元）。即：夏季僅運(yùn)行4個(gè)月，產(chǎn)生效益約216萬(wàn)元。若考慮夏季之外將冷凍水降溫，年度產(chǎn)生的效益將大于300萬(wàn)元。

9 結(jié)語(yǔ)

PVC裝置采用超臨界CO2熱泵機(jī)組對(duì)脫鹽水進(jìn)行降溫技術(shù)改造至今，滿足生產(chǎn)需要，已安全平穩(wěn)運(yùn)行兩個(gè)多月。符合國(guó)家綠色、環(huán)保、低碳、節(jié)能減排的政策要求。為該公司創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益，同時(shí)也履行了該公司“發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，改善生態(tài)環(huán)境，共建和諧社會(huì)”的發(fā)展使命。