芳烴裝置中二甲苯塔頂冷凝熱用于有機(jī)朗肯循環(huán)低溫?zé)岚l(fā)電

姚玉婷，李士雨

（天津大學(xué) 化工學(xué)院，天津 300350）

芳烴裝置中的二甲苯塔操作溫度高、能耗高，常壓下二甲苯塔的塔釜溫度約為183 ℃、塔頂溫度約為137 ℃，它的能耗在芳烴裝置的分餾塔中排在首位。許多研究者研究了降低二甲苯塔能耗的方法，如通過提高精餾塔分離效率來降低二甲苯塔的能耗，包括改造塔盤提高塔板效率［1-2］，降低回流比，或優(yōu)化精餾塔的操作參數(shù)［3-5］；也有研究者考慮將二甲苯塔進(jìn)行提壓操作［6-7］，以提高塔頂冷凝器的冷凝溫度，用塔頂冷凝熱代替苯塔和甲苯塔再沸器的蒸汽加熱，進(jìn)而節(jié)省蒸汽，對于已建成的裝置采用這種方法需要更換塔、相關(guān)換熱設(shè)備及管線，所需費用很高。

近年來，研究者開始嘗試將有機(jī)朗肯循環(huán)（簡稱ORC）低溫?zé)岚l(fā)電技術(shù)［8-12］應(yīng)用在化工過程中，該技術(shù)可將過去難以有效回收的低溫?zé)峄厥辙D(zhuǎn)換為電能，是一種很有潛力的低溫?zé)峄厥绽眉夹g(shù)。研究者嘗試將該技術(shù)用于精餾塔塔頂冷凝器冷凝熱的回收，但多數(shù)研究結(jié)果表明，回收的電能不多（千瓦級水平），造成投資回收期過長，經(jīng)濟(jì)可行性較差。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因有兩個：一是所回收的能量溫位低，因而發(fā)電效率低；二是可回收的能量不夠多。

二甲苯塔的塔頂冷凝熱溫位高、量大，本工作研究了采用ORC技術(shù)回收二甲苯塔的塔頂冷凝熱的可行性，并采用Aspen Plus軟件對其進(jìn)行了模擬分析。

1 裝置及其計算機(jī)模擬

所研究的二甲苯塔如圖1所示。該塔常壓操作，塔頂溫度較高，采用空冷器進(jìn)行冷凝。通過采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，建立計算機(jī)模擬模型，得到該塔的物料平衡數(shù)據(jù)（如表1所示），塔頂冷凝器、塔釜再沸器的熱負(fù)荷分別為28.3 MW和30.1 MW。

圖1 二甲苯塔Fig.1 Xylene column.

表1 二甲苯塔的物料平衡Table 1 Material balance of xylene column

2 塔頂冷凝熱用于ORC發(fā)電

從表1可看出，二甲苯塔的塔頂冷凝溫度較高，達(dá)到137.4 ℃，且冷凝熱較大，達(dá)到28.3 MW。該二甲苯塔附近還有苯塔、甲苯塔等，這些塔的塔釜再沸器溫度都高于137.4 ℃，無法利用二甲苯塔的塔頂冷凝熱；若用該冷凝熱產(chǎn)生低壓蒸汽，則由于所能產(chǎn)生的低壓蒸汽的品質(zhì)太低，應(yīng)用價值不高。所以，目前工廠將其用于空冷器冷凝。

2.1 ORC低溫?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計

用于回收二甲苯塔塔頂冷凝熱的ORC系統(tǒng)的示意圖見圖2，該系統(tǒng)由蒸發(fā)換熱器、透平機(jī)、發(fā)電機(jī)組、冷凝器和工質(zhì)泵等主要設(shè)備組成，蒸發(fā)換熱器代替了圖1中的空冷器，用于回收塔頂冷凝熱。ORC系統(tǒng)中的循環(huán)介質(zhì)為有機(jī)工質(zhì)，首先被工質(zhì)泵增壓到一定壓力，進(jìn)入蒸發(fā)換熱器內(nèi)被二甲苯塔塔頂蒸氣加熱氣化，二甲苯塔的塔頂蒸氣冷凝為液體，氣化的有機(jī)工質(zhì)進(jìn)入透平機(jī)，驅(qū)動輪機(jī)轉(zhuǎn)動并帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，做功后離開透平機(jī)的工質(zhì)乏氣進(jìn)入冷凝器被冷源冷凝為液相，再由工質(zhì)泵加壓輸送至蒸發(fā)換熱器，完成一次循環(huán)。

有機(jī)工質(zhì)的選擇是ORC系統(tǒng)的關(guān)鍵。常用的有機(jī)工質(zhì)可分為氫氟化碳化合物（HFC）、氫氯氟化碳化合物（HCFC）和碳?xì)浠衔铮℉C）三類［13-15］，采用Aspen Plus軟件查得的各物質(zhì)相關(guān)物性數(shù)據(jù)見表2。

圖2 用于回收二甲苯塔塔頂冷凝熱的ORC系統(tǒng)示意圖Fig.2 Diagram of organic Rankine cycle（ORC） system for recovering overhead condensation heat of xylene column.

表2 常用有機(jī)工質(zhì)的相關(guān)物性數(shù)據(jù)Table 2 Data of relevant physical properties of common organic working fluids

鑒于二甲苯塔的塔頂冷凝溫度為137.4 ℃，若以最小換熱溫差為10 ℃進(jìn)行設(shè)計，有機(jī)工質(zhì)的蒸發(fā)溫度最高為127.4 ℃，可按125 ℃進(jìn)行設(shè)計?？紤]有機(jī)工質(zhì)做功后需要冷凝，若采用循環(huán)水冷卻，則有機(jī)工質(zhì)的冷凝溫度至少應(yīng)該設(shè)計在45 ℃以上。若考慮有機(jī)工質(zhì)做功后的壓力為常壓或略高于常壓，則由表2中的常壓沸點數(shù)據(jù)可看出，可以考慮的有機(jī)工質(zhì)有HFC245fa，HFC245ca，R601，R601a。需要說明的是，HCFC類有機(jī)工質(zhì)由于具有破壞臭氧層的作用，面臨淘汰，故本研究未做考慮。

采用Aspen Plus軟件對篩選出的4種有機(jī)工質(zhì)進(jìn)行進(jìn)一步分析，得到對應(yīng)的操作壓力、所需工質(zhì)流量及等熵膨脹下膨脹機(jī)效率為0.72（默認(rèn)值）時的理論做功量（如表3所示）。

表3 4種有機(jī)工質(zhì)用于二甲苯塔塔頂冷凝熱回收時對應(yīng)的操作壓力、工質(zhì)流量及理論做功量Table 3 Operating pressures，working fluid flows and theoretical working quantities of four organic working fluids used for recovering overhead condensation heat of xylene column

由表3可看出，工質(zhì)R601，即正戊烷，相對于其他三種工質(zhì)具有以下優(yōu)點：流量小、操作壓力低、理論做功量大，因此本研究選擇正戊烷作為ORC低溫?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)的有機(jī)工質(zhì)。選用正戊烷做有機(jī)工質(zhì)的另一個好處是正戊烷是石化企業(yè)工藝流股組成之一。

2.2 ORC發(fā)電系統(tǒng)的計算機(jī)模擬

采用Aspen Plus軟件對ORC發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行計算機(jī)模擬，模擬流程如圖3所示。ORC中泵的實際運行效率一般在0.6以下［16］，本研究取0.6；膨脹機(jī)等熵效率約為0.67～0.71［17］，本研究取0.7；機(jī)械效率取0.9。忽略管路輸送引起的損失，凈輸出功率等于ORC系統(tǒng)膨脹做功產(chǎn)生的功率減去系統(tǒng)中泵消耗的功率，發(fā)電效率等于系統(tǒng)凈輸出功率與有機(jī)工質(zhì)從熱源吸收的能量之比。正常工況下ORC系統(tǒng)物料平衡和能量平衡的模擬結(jié)果見表4，相關(guān)設(shè)備參數(shù)計算結(jié)果見表5。由表5可見，該發(fā)電系統(tǒng)凈輸出功率和發(fā)電熱效率分別為3.23 MW和11.4%。

表4 正常工況下ORC系統(tǒng)物料平衡和能量平衡數(shù)據(jù)Table 4 Material balance and energy balance data of ORC system under normal operating conditions

表5 正常工況下ORC系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備參數(shù)Table 5 Relevant equipment parameters of ORC system under normal operating conditions

3 結(jié)論

1）以凈輸出功率多和工質(zhì)流量少為目標(biāo)，比較了HFC245fa，HFC245fa，R601，R601a四種工質(zhì)，工質(zhì)R601，即正戊烷，具有流量小、操作壓力低和理論做功量大的優(yōu)點，且正戊烷是石化企業(yè)工藝流股組成之一，因此選擇正戊烷作為有機(jī)工質(zhì)。

2）正常工況下，在蒸發(fā)溫度125 ℃、冷凝溫度45 ℃的條件下，ORC系統(tǒng)凈輸出功率為3.23 MW、發(fā)電效率為11.4%。該發(fā)電系統(tǒng)將二甲苯塔的冷凝器的低溫?zé)崛坑糜贠RC系統(tǒng)，發(fā)電效率高，電能輸出量大，具有生產(chǎn)可行性。

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