DMO合成反應(yīng)低位熱能利用方案選擇及運行總結(jié)

李發(fā)春

(湖北三寧化工股份有限公司, 湖北枝江 443206)

煤制乙二醇項目存在投資大、生產(chǎn)成本高的問題，同時需要面對石油制乙二醇的競爭，因此，對煤制乙二醇的挖潛增效是企業(yè)面臨的首要任務(wù)。

湖北三寧化工股份有限公司60萬t煤制乙二醇項目采用合成氣制乙二醇技術(shù)。60萬t乙二醇需配套120萬t草酸二甲酯(DMO),其中羰基化法制DMO單系列40萬t，每個系列并聯(lián)2臺DMO合成反應(yīng)器。DMO合成反應(yīng)器合成反應(yīng)熱產(chǎn)生的副產(chǎn)蒸汽由于溫度偏低，只有一部分被用作預(yù)熱循環(huán)氣的加熱蒸汽，其余副產(chǎn)蒸汽利用空冷器或循環(huán)水冷卻為蒸汽凝液。這樣既增加了設(shè)備投資和生產(chǎn)成本，又浪費了低位熱能[1]。因此，需要對這部分低品位熱能進(jìn)行開發(fā)利用。

1 余熱基礎(chǔ)參數(shù)

現(xiàn)有DMO合成流程是通過廢鍋副產(chǎn)蒸汽，控制DMO的反應(yīng)溫度。若直接利用DMO熱水，在余熱利用系統(tǒng)異常時會影響DMO的反應(yīng)溫度，影響生產(chǎn)穩(wěn)定；同時，若直接利用DMO熱水，更改了原煤制乙二醇工藝流程，工藝包方也不會同意。經(jīng)與設(shè)計院協(xié)商和綜合考慮后，將余熱按表1所示參數(shù)向外提供。

表1 DMO反應(yīng)副產(chǎn)蒸汽余熱參數(shù)

目前，低溫?zé)崮芾孟鄬Τ墒斓募夹g(shù)有余熱制冷技術(shù)、余熱升級技術(shù)和熱功轉(zhuǎn)換技術(shù)[2]。

2 余熱制冷技術(shù)

余熱制冷技術(shù)通常指低品位的熱源利用溴化鋰機(jī)組生產(chǎn)-7 ℃的冷凍水。但是在實際應(yīng)用中，將0.5 MPa或者1.7 MPa的蒸汽冷凝液用于溴化鋰機(jī)組制冷，就能夠滿足生產(chǎn)企業(yè)對生產(chǎn)及生活冷凍水的需求。湖北三寧化工股份有限公司乙二醇工廠有足夠的蒸汽冷凝液，不需要利用副產(chǎn)乏汽制冷。

3 余熱升級技術(shù)

余熱升級技術(shù)一般采用熱泵升級，熱泵以消耗一部分高質(zhì)能(電能、機(jī)械能或高溫?zé)崮?作為補(bǔ)償，通過制冷機(jī)熱力循環(huán)，把低溫余熱源的熱量“泵送”成高溫?zé)崦絒3]。但是，大中型壓縮式熱泵在國內(nèi)的應(yīng)用并不成熟；因此，不考慮該方案。

4 熱功轉(zhuǎn)換技術(shù)

按照工質(zhì)分類，熱功轉(zhuǎn)換技術(shù)可分為傳統(tǒng)的蒸汽直接驅(qū)動發(fā)電技術(shù)和有機(jī)工質(zhì)驅(qū)動發(fā)電(即有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)發(fā)電)技術(shù)。蒸汽直接驅(qū)動發(fā)電技術(shù)又可細(xì)分為蒸汽直接驅(qū)動螺桿膨脹機(jī)發(fā)電和蒸汽直接驅(qū)動汽輪機(jī)發(fā)電。

4.1 蒸汽直接驅(qū)動汽輪機(jī)發(fā)電方案

4.1.1 工藝設(shè)計說明

蒸汽直接驅(qū)動汽輪機(jī)發(fā)電方案中，汽輪機(jī)在高速運轉(zhuǎn)時，低溫乏汽會凝析出小液滴，汽輪機(jī)葉片壽命得不到保障。為克服這種情況，將DMO循環(huán)熱水閃蒸產(chǎn)生的87 t/h壓力為0.024 MPa、溫度為106.1 ℃的蒸汽，與18.1 t/h壓力為0.5 MPa的蒸汽利用文丘里管進(jìn)行抽引后在混合罐內(nèi)混合過熱，然后送入2套汽輪機(jī)組發(fā)電，汽輪機(jī)產(chǎn)生的乏汽送入水冷器冷凝。由于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速高，所以發(fā)電效率比較高。

4.1.2 工藝流程

蒸汽直接驅(qū)動汽輪機(jī)發(fā)電方案的工藝流程見圖1。

圖1 蒸汽直接驅(qū)動汽輪機(jī)發(fā)電方案的工藝流程

4.1.3 工藝流程物料參數(shù)

蒸汽直接驅(qū)動汽輪機(jī)發(fā)電方案的工藝流程物料參數(shù)見表2。

表2 蒸汽直接驅(qū)動汽輪機(jī)發(fā)電參數(shù)

4.2 ORC發(fā)電方案

4.2.1 工藝設(shè)計說明

熱水或熱源流進(jìn)入ORC膨脹發(fā)電站的蒸發(fā)器中，與液體有機(jī)工質(zhì)換熱，降溫后的熱水或熱源流重新返回原工藝[4]。換熱后的工質(zhì)液體蒸發(fā)為高壓氣體有機(jī)工質(zhì)，進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹做功，做功后的低壓氣體有機(jī)工質(zhì)進(jìn)入殼管式冷凝器用循環(huán)冷卻水冷凝為液體工質(zhì)，經(jīng)過工質(zhì)泵加壓后進(jìn)入預(yù)熱器/蒸發(fā)器進(jìn)行預(yù)熱和蒸發(fā)，如此循環(huán)。ORC發(fā)電的運行原理圖見圖2。

圖2 ORC發(fā)電的運行原理圖

4.2.2 機(jī)組選型及說明

目前，國內(nèi)ORC發(fā)電方案大多采用螺桿膨脹機(jī)，國外則大多采用透平機(jī)。國內(nèi)螺桿膨脹機(jī)和透平機(jī)單臺最大發(fā)電功率在1 MW左右，1 MW以上的透平機(jī)需要國外定制。以PJ935/Q17.2型螺桿膨脹發(fā)電機(jī)組為例，有機(jī)工質(zhì)為QT2,其他主要參數(shù)見表3。

表3 膨脹螺桿發(fā)電機(jī)組主要參數(shù)

4.3 蒸汽直接驅(qū)動螺桿膨脹機(jī)發(fā)電方案

4.3.1 工藝流程

飽和蒸汽從DMO合成反應(yīng)器副產(chǎn)蒸汽母管到螺桿膨脹發(fā)電機(jī)組(拖動發(fā)電機(jī)發(fā)電)，低溫水蒸氣進(jìn)入冷凝系統(tǒng)冷凝，凝液返回原有工藝系統(tǒng)。蒸汽直接驅(qū)動螺桿膨脹機(jī)發(fā)電方案的工藝流程見圖3。

圖3 蒸汽直接驅(qū)動螺桿膨脹機(jī)發(fā)電方案的工藝流程

4.3.2 主要工藝參數(shù)

螺桿膨脹發(fā)電機(jī)組進(jìn)出口DMO合成反應(yīng)器副產(chǎn)蒸汽參數(shù)及發(fā)電功率見表4。

表4 螺桿膨脹發(fā)電機(jī)組參數(shù)

在選定相關(guān)乏汽利用技術(shù)路線、方案的基礎(chǔ)上，部分技術(shù)方按照選定的技術(shù)路線制作了較詳細(xì)的方案，并進(jìn)行報價(見表5)。熱源參數(shù)：飽和蒸汽壓力為0.025 MPa，溫度為106 ℃，質(zhì)量流量為87 t/h。

表5 各種發(fā)電方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比

在比較各技術(shù)方的方案后，從裝置的建設(shè)難度、設(shè)備的可維護(hù)性能、投資回收期、公司業(yè)績及安全環(huán)保的角度考慮，最終選擇了江西某公司的方案及設(shè)備。自2021年DMO合成反應(yīng)器開車以來，6臺發(fā)電設(shè)備，除1臺由于設(shè)備振動大，返廠維修外，其他設(shè)備均穩(wěn)定運行。單臺設(shè)備典型的運行參數(shù)為：進(jìn)汽質(zhì)量流量13 t/h,飽和蒸汽壓力0.03 MPa，排汽溫度28 ℃，發(fā)電功率650 kW。運行參數(shù)與設(shè)計值非常接近。

5 結(jié)語

煤制乙二醇項目DMO合成反應(yīng)器副產(chǎn)蒸汽，采用蒸汽直接驅(qū)動螺桿膨脹機(jī)發(fā)電是可行的。螺桿膨脹機(jī)的結(jié)構(gòu)特點使其對飽和的乏汽帶液的容忍性比較高，螺桿膨脹機(jī)能夠長期穩(wěn)定運行，且蒸汽熱功轉(zhuǎn)化效率較高，經(jīng)濟(jì)效益可觀。