工業(yè)領域液體能量回收裝置的應用

文/李小龍 陳先春

工業(yè)領域液體能量回收裝置的應用

文/李小龍 陳先春

將工藝系統(tǒng)的液體余壓能通過能量回收裝置進行回收利用，有效降低能耗占比——本文通過對液體壓力能能量回收裝置，在石油化工領域和海水淡化領域不同工藝中的應用進行總結(jié)和分析，得出結(jié)論：液體壓力能能量回收裝置按原理分為液力透平（離心式）和正位移式兩類，液力透平式效率在70%～80%之間；正位移式效率在90%～96%之間；液力透平式主要應用于石油化工領域，正位移式主要應用于海水淡化領域。

近年來，國家高度重視節(jié)能減排工作。“十二五”期間，全國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗降低了18.4%，“‘十三五’節(jié)能減排工作方案通知”提出，到2020年，全國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗比2015年下降15%，節(jié)能減排任務依然嚴峻。工業(yè)生產(chǎn)中的余壓能是可再生能源，用能量回收裝置代替減壓閥，避免余壓能的浪費。液體能量回收利用技術的發(fā)展具有重要意義，在石油化工領域、海水淡化領域和鋼鐵冶金領域等工藝流程中有大量余壓液體，這些高壓液體可以通過壓力能量回收裝置回收做功，將其壓力能轉(zhuǎn)換為被驅(qū)動部件的機械能，有效節(jié)約工藝系統(tǒng)的電力成本。

壓力能能量回收裝置分類

壓力能回收技術形式各有不同，從工作原理上分為液力透平（離心式）和正位移式兩大類。液力透平能量回收裝置是把流體壓力能轉(zhuǎn)化為機械能的裝置，液力透平為旋轉(zhuǎn)式能量回收裝置。工業(yè)上應用最多的是反轉(zhuǎn)離心泵，其效率一般在70%～80%之間。反轉(zhuǎn)離心泵是指把泵反轉(zhuǎn)作為能量回收裝置使用，是近幾十年國內(nèi)外水力機械行業(yè)比較熱門的研究方向，反轉(zhuǎn)離心泵作液力透平使用時，泵的出口作為透平的入口，泵的入口作為液力透平的出口，特點是結(jié)構簡單、價格低廉和檢查維護方便。

正位移能量回收裝置是把高壓流體直接增壓低壓流體，不需要經(jīng)過轉(zhuǎn)化成軸功這一過程，即能量轉(zhuǎn)換為壓力能到壓力能，從而減少中間轉(zhuǎn)換的損失，能量轉(zhuǎn)換效率高達90%～96%。正位移能量回收裝置按照結(jié)構一般分為活塞式、旋轉(zhuǎn)直接接觸式和閥控直接接觸式3類，但受開發(fā)時間、技術條件和制造成本所限，使用范圍尚不如液力透平廣。

石油化工領域壓力能能量回收裝置的應用

石油冶煉工藝壓力能能量回收

1. 主要工藝應用

在石油冶煉工藝中，主要工藝系統(tǒng)均需要在高壓環(huán)境下進行反應，如加氫裂化工藝系統(tǒng)中，反應蠟油富余壓力為14.2 MPa，需要用減壓閥降到2.8 MPa，貧胺液富余壓力為13.9 MPa，需要用減壓閥降到2.5 MPa；渣油加氫工藝中，反應蠟油富余壓力為16.9 MPa，需要用減壓閥降到2.8 MPa，貧胺液富余壓力為16.7 MPa，需要用減壓閥降到2.5 MPa。在沒有壓力能回收裝置之前，從高壓反應器工藝系統(tǒng)流出的高壓介質(zhì)，通常通過減壓裝置（減壓閥等）減壓而白白浪費掉，通過設置能量回收裝置可以有效地回收這部分浪費掉的壓力能，提高整個工藝系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

根據(jù)回收壓力能介質(zhì)的溫度，可分為熱液力透平和冷液力透平，工藝流程圖如圖1所示，熱液力透平是熱高壓分離器至熱低壓分離器降壓區(qū)的液力透平的應用。冷液力透平指的是在高壓循環(huán)氫脫硫塔的降壓區(qū)的液力透平的應用。

圖1 熱液力透平（左）和冷液力透平（右）工藝流程

2. 裝置結(jié)構及布置方式

石油冶煉工藝中壓力能回收裝置中，考慮到輸送的介質(zhì)多為易燃、易爆或有毒介質(zhì)和大多介質(zhì)不允許摻混，壓力能回收裝置均使用離心泵反轉(zhuǎn)的液力透平方式。一般認為液力透平單級泵功率在22 kW以上，多級泵在75 kW以上是經(jīng)濟合理的。

石油冶煉工藝中液力透平布置方式主要分兩種，第一種是液力透平直接與驅(qū)動泵相連，省去泵電機、超越離合器等部件，其優(yōu)點是結(jié)構簡單，效率高，費用少以及維護方便，其缺點是對工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求極高，運行參數(shù)固定。第二種是液力透平通過離合器與電機相連，電機同時與泵相連，即使透平不工作，電機也具有獨立驅(qū)動泵的能力，當液力透平工作后，通過離合器連接到電機，液力透平和電機共同驅(qū)動泵運轉(zhuǎn)，或獨立由液力透平通過電機驅(qū)動泵運轉(zhuǎn)，達到節(jié)能的目的。

化肥加工工藝壓力能能量回收

1. 主要工藝應用

化肥加工工藝主要是指合成氨和尿素加工。氨是化肥工業(yè)和基本有機化工的主要原料，合成氨的產(chǎn)業(yè)在我國的農(nóng)業(yè)和工藝中都非常重要，合成氨為高耗能工業(yè)，所使用的能源占到了社會總能耗的3%，因此合成氨工藝中的節(jié)能顯得尤為重要。

合成氨工藝中可回收壓力能的工藝主要有兩種。

（1）合成氨廢銅氨液壓力能回收工藝

如圖2所示，在合成氨工藝中，壓力回收裝置安裝在銅洗塔出口端，經(jīng)過銅洗塔出來的12 MPa廢銅氨液通過壓力回收裝置后變?yōu)?.4 MPa低壓液體，流向再生系統(tǒng)，通過再生系統(tǒng)出來后的新鮮銅氨液流向壓力回收裝置的驅(qū)動泵端，經(jīng)過驅(qū)動泵加壓后壓力變?yōu)?3 MPa，重新流入到銅洗塔，再經(jīng)銅洗塔反應后的12 MPa廢銅氨液流入到壓力回收裝置降壓到0.4 MPa，然后流入到再生系統(tǒng)，這樣重復回收廢銅氨液能量。

圖2 合成氨氨銅液壓力能回收系統(tǒng)工藝流程

（2）合成氨尿素生產(chǎn)工藝

在尿素的生產(chǎn)工藝中，由尿素裝置CO2汽提塔出口管線上安裝壓力能能量回收裝置，汽提塔出口壓力為14.3 MPa的高壓尿液，在經(jīng)過壓力能能量回收裝置后，壓力降為0.3 MPa，然后直接進入低壓分解系統(tǒng)精餾塔，壓力能能量回收裝置回收的高壓尿液的壓力，能用來驅(qū)動由低壓回收系統(tǒng)低壓甲銨冷凝器液位槽來的壓力為0.3 MPa的低壓甲銨液，使之壓力升至16 MPa后進入高壓系統(tǒng)高壓洗滌器，其工藝流程簡圖見圖3所示。

2. 裝置結(jié)構及特點

合成氨相關的壓力能能量回收裝置按照原理分為如下兩種，一種是利用液力透平（離心式），第二種是正位移式功交換器（活塞式）。液力透平技術成熟，應用較多，正位移式轉(zhuǎn)換效率高，但技術成熟度不如液力透平，應用相對較少。

圖3 尿素工藝壓力能回收系統(tǒng)流程

圖4 帶壓力能回收裝置的反滲透海水淡化工藝流程

海水淡化領域壓力能能量回收裝置的應用

國際上主流的海水淡化法主要有熱法和膜法，反滲透法以投資少、能耗低、占地少和操作方便等特點而得到廣泛應用，與其他技術相比，反滲透海水淡化過程不發(fā)生相變，是最節(jié)能的海水淡化技術之一。反滲透海水淡化工藝中的壓力為6～8 MPa，淡水分離后從膜組件中排放出的濃水壓力仍高達5～6.5 MPa。據(jù)統(tǒng)計，濃水壓力能直接釋放所造成的損失約占產(chǎn)水總成本的30%～50%、運行費用的75%，回收濃鹽水壓力能是降低反滲透海水淡化成本的有效途徑。為此，人們針對反滲透海水淡化系統(tǒng)的壓力能回收技術進行了大量研究工作，除了反滲透海水滲透法工藝外，新興起的納濾膜技術中有3.5 MPa的富余高壓濃水壓力能也可進行回收利用。

壓力能回收裝置工藝

設計壓力能回收裝置的反滲透海水淡化工藝流程簡圖如圖4所示，從過濾器內(nèi)流出的海水經(jīng)高壓泵加壓后流入到反滲透裝置中（海水壓力為6～8 MPa），高壓海水流經(jīng)反滲透裝置后一部分低壓純水流入到產(chǎn)水箱內(nèi)，另一部分高壓濃水（5～6.5 MPa）作為動力輸入源流入到壓力能回收裝置中帶動驅(qū)動泵端做功，做功后的低壓濃水排出到廢水回收系統(tǒng)，從過濾器流出的低壓海水引入到壓力能回收裝置的驅(qū)動泵端入口，做工后從驅(qū)動端泵出口流出到增壓泵入口，此時的增壓泵代替最初的高壓泵對增壓海水進一步增壓達到6～8 MPa，然后流入到反滲透裝置內(nèi)產(chǎn)水，壓力能回收裝置正常工作后可關閉高壓泵，同時增壓泵也只需要增加部分壓力，大大降低了增壓泵的功率，達到較高的節(jié)能效果。

壓力能回收裝置結(jié)構及特點

反滲透海水淡化的壓力能回收裝置按工作原理可分為液力透平（離心式）和正位移式兩種壓力能回收裝置。

1. 離心式壓力能回收裝置

離心式壓力能回收裝置按照結(jié)構可分為兩大類，第一類是傳統(tǒng)的液力透平組合模式，即液力透平、高壓泵和電機三者通過離合器連接在一起，這種結(jié)構比較簡單，價格低廉，在早期反滲透海水淡化工藝中應用較多，但這種結(jié)構效率低、穩(wěn)定性差，隨著新技術的出現(xiàn)，在海水淡化領域應用越來越少。

第二類是液力透平與高壓泵做成一體，省去電機和中間的離合器，如圖5所示，由于液力透平和離心泵做成了一體，較大提高了系統(tǒng)的效率、減小了裝置體積，提高了裝置的可靠性，目前該類裝置被廣泛應用于反滲透海水淡化能量回收系統(tǒng)工藝中。

2. 正位移式壓力能回收裝置

離心式壓力能回收裝置能量的轉(zhuǎn)換過程為“壓力能-機械能（軸功）-壓力能”，其能量回收效率相對較低。為提高能量回收效率，開發(fā)了正位移式壓力能回收裝置，利用流體的不可壓縮性使高壓流體壓縮低壓流體，將高壓濃水的壓力能直接傳遞給進料海水，實現(xiàn)“壓力能-壓力能”的直接傳遞，不需要機械輔助裝置，減少了能量轉(zhuǎn)化的中間環(huán)節(jié)，能量回收效率大大提高，一般在90%～96%。

圖5 一體式透平流程

正位移式壓力能回收裝置應用最多的主要是活塞式和旋轉(zhuǎn)直接接觸式。

（1）活塞式正位移壓力能回收裝置

活塞式正位移能量回收系統(tǒng)的結(jié)構比較簡單，利用兩個活塞腔室和進出口的閥門實現(xiàn)高壓介質(zhì)推動活塞加壓低壓介質(zhì)，如圖6所示，該技術開發(fā)應用較早，技術相對比較成熟。

（2）旋轉(zhuǎn)直接接觸式正位移壓力能回收裝置

旋轉(zhuǎn)直接接觸式正位移能量回收裝置中，低壓流體與高壓流體在轉(zhuǎn)子軸向孔道中直接接觸，在轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)中通過碰撞實現(xiàn)壓力能交換，工藝原理圖如圖7所示，在實際應用中，可達到95 %以上的能量轉(zhuǎn)換效率。

圖6 活塞式正位移壓力能回收裝置流程

圖7 旋轉(zhuǎn)直接接觸式正位移壓力能回收裝置流程

結(jié)論

本文對壓力能回收裝置的應用進行了概述，主要結(jié)論如下：

（1）液體壓力能能量回收裝置被廣泛應用于石油冶煉工藝、海水淡化工藝、化肥加工工藝及其他可安裝液體壓力能能量回收系統(tǒng)的其它工藝流程中，具有較高的節(jié)能效果。

（2）石油冶煉工藝中壓力能回收裝置，以離心泵反轉(zhuǎn)作液力透平的方式居多，結(jié)構型式參照API標準。

（3）化肥加工工藝中的壓力能回收裝置主要應用在合成氨、尿素工藝，以離心式壓力能回收裝置居多，在一些中小型合成氨工藝中也有正位移能量回收裝置（活塞式）的應用。

（4）海水淡化工藝既有離心式又有正位移式壓力能能量回收裝置，是壓力能能量回收裝置應用最廣的領域，也是引領能量回收裝置技術進步的領域。

本文作者來自合肥華升泵閥股份有限公司。