吸收式換熱技術在煉廠余熱采暖中的應用

程延，何正

（1.中國石化北京燕山分公司，北京 102500；2.北京清華同衡規劃設計研究院有限公司，北京 100084）

早期，工業余熱主要是應用在發電領域，通過循環工質驅動透平發電，具有低排放、節能環保等優點。發達國家十分重視這項技術，如日本在海洋溫差熱發電技術方面已居世界領先地位[1]。文章案例中工業余熱首次應用于煉油領域的供暖。在基于吸收式換熱的集中供熱技術基礎上進行了深度優化，提出了基于吸收式換熱的石化余熱供暖新工藝，并應用于某石化廠生活區。

1 項目背景及技術優勢

1.1 項目背景

根據《北京市2013—2017年加快壓減燃煤和清潔能源建設工作方案》的目標要求，2017年全面停止使用燃煤。而某石化公司生活區采用燃煤供暖面積達88.4萬m2，使用型煤鍋爐和工業蒸汽供暖，污染物排放量大，燃料能耗成本高，在整個采暖季能耗成本（包括燃煤、蒸汽、水、電）可達2 135.6萬元，高于24元/m2。并且一旦停用燃煤后，蒸汽用量將會大幅提升，供暖成本也會顯著上升。因此，利用大溫差熱泵技術進行余熱供暖，就成為了有效解決該石化公司供暖問題的關鍵。

1.2 石化行業余熱特點

石化行業生產過程中消耗的能源轉換為不同品位的余熱，在現有技術下，中高品位（溫度高于120℃）的余熱資源已得到較好地回收利用，而低溫余熱（溫度低于120℃）因位置分散、溫度低、長距離輸送難度大等因素導致回收利用率低，未能得到較好利用[2]。某石化公司煉廠余熱分布情況見表1。

表1 某煉廠余熱分布

由表1可知，80%的余熱量集中在100℃以下，而62%的余熱為循環水余熱，溫度為35℃左右，熱量大，品位低。

1.3 吸收式換熱技術

為回收利用工業低溫余熱，解決供回水溫差小，難于長距離輸送等難題[3]，清華大學于2007年首次提出基于吸收式換熱的集中供熱技術[4]。該技術獲得了國家發明專利（專利號200810101065.X），并獲得國家發明二等獎。大溫差吸收式換熱機組是由熱水型吸收式熱泵和水—水換熱器組成（吸收式熱泵原理見圖1）。一次網高溫供水首先作為驅動熱源進入吸收式熱泵，然后進入水—水換熱器加熱二級網熱水，最后再返回吸收式熱泵，在熱泵蒸發器中降溫至25℃左右后返回一次網回水管。

圖1 吸收式熱泵原理

該技術充分利用一次高溫熱水中蘊藏的高位熱能做功能力，在吸收式換熱裝置中產生熱泵效應，吸收低溫熱源的熱量，借助設置在用戶熱力站處的大溫差吸收式換熱機組，顯著降低一次水回水溫度至25℃左右，提高了供回水溫差。由于一次水供回水溫差增加約1倍，提高了供熱管網的輸送能力，在供熱量相同時，流量減少約50%，減小了管網管徑，降低輸配能耗，為長距離輸送創造條件[5-7]。

基于吸收式換熱的供暖新工藝設計流程見圖2。從圖2看出，針對石化廠低溫余熱特點，基于吸收式換熱的集中供熱技術，末端大溫差換熱機組將一次網回水溫度降至20℃左右，低溫的一次水回水進入石化廠，根據廠內余熱的品位，通過換熱器以及熱泵聯合，梯級回收循環水、工藝物料等的余熱，通過計算余熱回收過程中的熱平衡確定一次水的流量，若換熱后的一次網水溫度未達到設計的一次水供水溫度，則需新增一臺汽—水換熱器進行升溫，溫度升至約120℃后，輸送至換熱站末端。

圖2 基于吸收式換熱的供暖新工藝設計流程

2 石化煉油廠余熱利用項目工藝方案設計

2.1 余熱量情況分析

煉油廠的主要工藝裝置為常減壓蒸餾、催化裂化、延遲焦化以及加氫裝置，其工藝余熱約占全廠工藝余熱的73.5%[8]。根據某煉油廠的余熱調研數據（見表2），結合余熱特點及余熱需求，選取催化裝置和加氫裝置的部分工藝余熱供暖，熱量不足部分利用汽—水換熱器進行補熱。

表2 某石化廠設計可利用余熱

2.2 技術方案

1）改造前供暖情況

改造的對象為某石化廠生活區的4個換熱站，其中，A站供熱熱媒為余熱＋蒸汽，B站供熱熱媒為蒸汽，C和D站供熱熱媒為型煤。

2）新工藝方案流程

方案設計溫度為30℃的一網回水分成3路進行取熱（見圖3）。

圖3 新工藝系統總流程

其中一路流量為60 t/h，與催化裂化裝置穩定塔底汽油換熱后溫度由30.0℃提高至80.0℃；第二路流量為360 t/h，先后與催化裂化裝置分餾塔頂油氣、頂循油、0#和–10#柴油進行換熱取熱，溫度由30.0℃提高至94.0℃；第三路流量為120 t/h，先后與航煤產品、脫硫汽油產品進行換熱取熱，溫度由30.0℃提高至98.0℃。三路混合后由蒸汽加熱至130℃供出。余熱取熱40 MW，整個采暖季極寒天氣所需負荷為59.9 MW，需用蒸汽補熱19.9 MW，即28.4 t/h。保留原有蒸汽管線，既可以解決廠內蒸汽不足問題，又能確保裝置故障停車時的應急供暖。

新工藝應用中需要新增一些大溫差換熱機組以及循環水泵、補水箱、除污器等配套設備（見表3）。

2.3 方案運行工況分析

根據石化廠所在地供暖季期間室外溫度相關數據，方案初期得到熱負荷及一次網供水溫度變化曲線（見圖4）。在供暖初末期，一次網供水溫度為78℃即可達到室內供暖需求，熱負荷為28.7 MW，而此時需開啟航煤加氫原空冷、水冷系統，來冷卻多余的余熱。隨著氣溫降低，余熱量在不足以滿足供熱需求時，需開啟蒸汽補熱換熱器，通過蒸汽換熱來滿足系統供熱需求，見圖5。

表3 某石化煉廠余熱利用和蒸汽補熱所需設備

圖4 一次網供水、熱負荷隨室外溫度變化

圖5 整個供暖季供熱量

由圖5可知，整個供暖季需供熱量總計46萬GJ，其中余熱量39.5 GJ，蒸汽補熱量6.5 GJ，余熱占供熱總量的86%。因此新工藝的應用可以充分回收利用廠內的低溫余熱，大大減少蒸汽使用量，完全取締了原型煤的消耗。

3 石化煉油廠項目實際運行情況分析

3.1 采暖季供熱負荷情況

采暖季從2016年11月開始到2017年3月結束，初末期的熱負荷為25 MW，在嚴寒期供熱負荷為38 MW。

3.2 實際余熱量情況分析

方案設計余熱量為43.5 MW，但由于催化裂化裝置減產（減產約30%）以及一網回水溫度高于設計值（設計30℃，實際38℃），導致實際余熱量為28 MW，相比設計大幅減少，但并不影響實際供熱需求。余熱量的計算公式為：

式中，Q為熱量，C為比熱容，M為質量流量，ΔT為溫度差。

各裝置實際產生的余熱量見表4。

因實際余熱量只有28 MW，在初寒期（11月）需要少量補充蒸汽量。嚴寒期（1月）最冷天需要補充蒸汽量為18 t/h，平均大約需要補充蒸汽熱量為8 MW。到了供暖末期（2月下旬），所需蒸汽補充量基本為0。從供暖初期到末期余熱提供量以及補充蒸汽量見圖6。

3.3 一次網供回水參數情況分析

供暖季一次網水流量見圖7。由圖7可知，一次網水流量在調試階段及供暖初期（11月），水流量為580 t/h左右，調試后，整個采暖季（從12月到2月下旬）一網水流量基本穩定在430 t/h。

表4 煉廠設計以及實際可利用余熱位置及利用量

圖6 供暖季供熱量與時間關系

圖7 供暖季一次網水流量

在整個供暖季，一次網水的供水溫度在82～113℃變化，經過調試階段以及采暖初期回水溫度變化基本穩定在40～45℃，采暖嚴寒期及末期回水溫度變化基本穩定在35～40℃，達到了大溫差換熱的目的（見圖8）。

3.4 典型月分析

以2016年12月1—31日為依據，整月供暖過程中，一次網水的供水量從開始的577 t/h逐漸穩定在430 t/h，供水溫度在87～106℃變化，回水溫度在31～41℃變化。整月平均蒸汽補充量為6.3 t/h，余熱平均產生量為25.6 MW，供暖平均供熱量為29.5 MW，補充熱量為3.9 MW，余熱量占總供熱量的86%。

3.5 單一站點分析

圖8 供暖季一次網供回水溫度波動范圍

B站在應用新工藝改造后，一網供水溫度在77～107℃波動，一網回水溫度在35～50℃波動，采暖期間穩定在40～45℃（見圖9），改造后一網供回水溫度基本達到大溫差換熱的需求。其次是二網供水溫度在50～63℃變化，二網回水溫度在45～55℃變化，根據二網的供回水溫度變化范圍，B站改造后的余熱利用量以及配合蒸汽補充供暖能力基本達到了設計初期的效果。在改造調試穩定后（從2016年12月5日后），B站的二網水流量基本穩定在140 t/h。最冷天所需熱負荷為10.5 MW，采熱初末期所需熱負荷分別為5.0 MW和6.5 MW，利用余熱量配合蒸汽補充可以充分滿足B站的供暖需求。

圖9 B站供暖季一網和二網供回水溫度變化

4 應用效果分析

該案例中利用30～40℃的低溫一網回水，進入煉油廠利用余熱取熱以及蒸汽補熱后，可以完全關停物料空冷環節，降溫過程改造為閉式系統后，也解決了石化行業現有工藝物料降溫過程中失水量大的問題。生活區增加了大溫差吸收式熱泵機組換熱，使得二次網供回水溫度完全滿足供暖標準需求。

利用大溫差吸換熱技術回收了煉油廠余熱，使換熱站末端蒸汽等能耗顯著降低，煉廠工藝物料冷卻環節的電耗水耗也有所降低，關停燃煤鍋爐減少了每年排污費的支出。

4.1 減少燃煤鍋爐排污費

C站和D站改造前均通過燃煤供暖，改造后關停燃煤鍋爐，每年減少排污費79.5萬元。

4.2 煉廠空冷節約電費

催化裂化裝置、加氫裝置以及汽油吸附脫硫裝置的總余熱量為28.2 MW。如原料油加工量按照1 000萬t計算，熱輸出對煉油系統能耗貢獻為1.91個單位。

1）催化裂化裝置

關停8臺功率為18.5 kW風機；1臺功率為36 kW風機；1臺功率為36 kW風機。整個采暖季節約電量：

（18.5×8＋36×1＋36×1）×120×24＝63.4（萬kW·h）。

2）加氫裝置

關停2臺功率為18 kW風機。整個采暖季節約電量：

18×2×120×24＝10.4（萬kW·h）

3）汽油吸附脫硫裝置

關停2臺功率為22 kW風機。整個采暖季節約電量：

22×2×120×24＝12.7（萬kW·h）

改造后，煉廠整個采暖季節電量達86.5萬kW·h，按照電價0.42元/（kW·h）計算，節電費用可達36.3萬元。

4.3 換熱站末端

改造后，換熱站末端加入了大溫差吸收式換熱器以及其他一些換熱設備，整個采暖季節約蒸汽54 737 t，熱量折算間接節約天然氣425萬m3，節約除鹽水13 369 t，節能效益顯著。

4.4 減排效果

2016年11月至2017年3月供暖季期間削減燃煤使用量10 982 t，節省蒸汽54 737.28 t，總節電量209.13萬kW·h，實現了煉廠熱輸出29萬GJ，項目總節能量11 605噸標煤；實現二氧化碳減排3.3萬t，二氧化硫減排72.35 t，煙塵減排3.68 t，氮氧化合物減排59.03 t，大溫差吸收式換熱技術在石油化工領域的應用推廣具有示范意義。

5 結論

1）采用余熱替代型煤爐供暖，對比天然氣供暖改造方案，節省了天然氣資源的同時，實現了煉油裝置的余熱外送，節省了裝置空冷電耗，實現了將民用采暖作為工藝低溫余熱利用熱阱的技術突破，具有良好的節能收益和減排效果。

2）采用該技術，在不增加投資的前提下提高了原有供熱管網的熱能輸送能力，將原33萬m2的供熱能力提高到89萬m2。

3）目前，石化生活區的民用供暖面積總量約301萬m2，未進行改造的供暖面積約有40萬m2，現用蒸汽供暖。石化余熱加廢熱（低于90℃的熱源）總量約1 500 MW，其中90%為循環水廢熱，可以為約5 000萬m2的面積供暖。由此看來，石化余熱外輸的潛力巨大，該技術具有推廣價值。