低溫余熱發電技術在柴油加氫的應用

楊楚彬

（中國石油化工股份有限公司茂名分公司，廣東茂名 525011）

石油煉化行業是國民經濟重要的基礎原材料工業，也是高耗能行業，煉制過程中成品汽油、柴油的溫度普遍高達100℃～200℃，出裝置前需要使用空冷器、水冷卻器等高能耗方式將成品油冷卻至50℃才能裝罐，造成能源的極大浪費。裝置節能降耗工作不斷深入的今天，欲降低裝置能耗，低溫熱的回收利用是必不可少的，但溫度普遍偏低，客觀上存在著回收技術難度大、經濟效益不高等問題，國內煉化企業紛紛尋求采用先進技術解決這一難題。

茂名石化4#柴油加氫裝置精制柴油需經空冷A503從140℃冷卻到50℃再送出裝置，裝置低溫熱的回收利用也存在極大的困難，公司采用了先進的向心式ORC（有機朗肯循環）低溫發電技術，為裝置低溫余熱發電應用提供了可能。通過利用低溫精制柴油將工質五氟丙烷加熱成高壓蒸氣在向心式膨脹機內進行發電，實現低溫余熱的充分利用。

1 低溫余熱發電原理介紹

有機朗肯循環（Organic Rankine Cycle，簡稱ORC）是以低沸點有機物為工質的朗肯循環，采用有機循環工質（ORC）作為循環工質拖動渦輪機做功[1]。ORC由于沸點低，在低溫條件下可以獲得較高的蒸汽壓力，推動渦輪機做功，適用于低溫位熱源做功發電，100℃左右的熱源就可以維持其正常運行[2]。

向心式ORC低溫發電機組結構簡單，包括渦輪發電機、工質泵、蒸發器、蒸發式冷凝器為一體化機組。其工作原理（見圖1）。低溫余熱發電采用的工質為沸點15℃的五氟丙烷，冷凝系統采用蒸發式空冷，精制柴油作為熱源進入機組蒸發器加熱工質五氟丙烷，加熱后精制柴油溫度下降再返回裝置產品空冷器A503入口。液態工質五氟丙烷進入蒸發器加熱為過熱蒸汽后進入向心渦輪機，熱能轉化為機械能帶動發電機產生電力。過熱工質蒸汽通過蒸發式冷凝器冷卻成為液體，冷卻液體送入工質泵增壓后送回蒸發器，重復循環。

2 裝置余熱發電應用前狀況及分析

4#柴油加氫裝置增設低溫余熱發電項目前，裝置的精制柴油溫度140℃～165℃，精制柴油流量200 t/h～360 t/h，經過空冷器A503冷卻后才能送至罐區，大量的低溫余熱無法回收，按照精制柴油溫度140℃，流量330 t/h，柴油比熱2.74 kJ/kg計算，精制柴油這部分低溫余熱為（140-62）×330×2.74×1 000=70 520 000 kJ/h，精制柴油這部分低溫余熱難以利用，長期需要啟動空冷風機冷卻后才能外送，造成裝置能耗居高不下，迫切需要改變現狀回收低溫余熱以降低裝置能耗。

如利用4#柴油加氫裝置精制柴油作熱源，增設一套ORC余熱發電系統，從裝置引精制柴油到發電機組換熱，換熱后將精制柴油返回裝置空冷A503前入口，發電機組本體發電并網，這樣既可以利用低溫熱用于發電，又可以降低空冷A503的負荷，節省裝置電耗。

圖1 低溫余熱發電技術示意圖

3 改造內容

3.1 改造相關流程

在4#柴油加氫裝置現場采用并聯連接方式布置3臺向心式ORC發電機組，改造相關流程顯示（見圖2），高溫精制柴油（330 t/h、140℃）先后進入余熱發電系統的機組蒸發器和預熱器，降溫至62℃后返回空冷入口。液態工質在預熱器和蒸發器內被高溫柴油加熱成為工質蒸汽，推動渦輪機做功，發電通過機組并網柜輸出至電網，發電電壓為6 000 V。工質蒸汽隨后進入蒸發式冷凝器，冷凝成液態工質，經工質泵驅動，壓力升高，送入預熱器，完成熱力循環。工質五氟丙烷在管道內由工質泵驅動封閉循環流動，蒸發式冷凝器中散熱量主要由水分的蒸發隨空氣散至大氣環境。

圖2 發電機組流程示意圖

3.2 發電機組設備

3臺并聯的向心式ORC發電機組主要部件包括渦輪發電機、蒸發器、預熱器、工質泵、油泵、控制柜、并網柜、蒸發式冷凝器。每臺機組自帶1套就地PLC，作為單臺機組的核心控制系統，控制系統對工藝參數進行采集、監視和控制，各支路的溫度、壓力及流量實時顯示。當任意1臺發電機組發生故障時，聯鎖關斷故障機組的電動閥，同時開啟旁路電動調節閥開度至30%，保證系統管網壓力及整套系統穩定運行；其他兩臺發電機組正常工作。

3.3 發電機組故障保護系統

（1）過負荷保護：當單臺發電機功率超過設定值630 kW時，機組旁通閥聯鎖打開30%的開度，當單臺發電機功率超過設定值650 kW時，系統會自動發出報警；當發電功率高于680 kW時，發電機系統會自動停機。

（2）高溫保護：發電機組入口溫度為178℃時報警，180℃是設計溫度，185℃發電機組聯鎖跳停。

（3）高壓預保護：發電機組控制系統按照蒸發器內工質壓力來調節蒸發器氣動閥開度，當工質五氟丙烷蒸發壓力達到1 350 kPa時，機組旁通閥聯鎖打開30%的開度，當蒸發壓力達到1 500 kPa時，機組熱氣旁通閥就會自動打開以減小高溫柴油進入，以避免對機組造成損壞。

（4）旁通閥聯動：低溫余熱發電機組配置了高溫柴油氣動閥和旁通閥，在緊急情況下（如發電機超速、電機出現短路過負荷等），控制系統會第一時間快速的切斷高溫柴油的供給，通過旁通管路切斷高溫柴油進入發電機組，以保護人員和機組的安全。

（5）發電并網采用高壓并網技術，能夠有效降低發電機并網時對電網產生的沖擊電流，避免對電網中其他負載的干擾。為了確保發電機組更加穩定、可靠地運行，除以上功能外，低溫發電機組并網柜還具有以下功能：電壓、電流、頻率、功率、功率因素等指示、檢測；過流、過壓、過載、短路等保護。

3.4 相關技術參數

發電機組相關技術參數（見表1）。

表1 發電機組相關技術參數

4 結論

4#柴油加氫裝置余熱發電技術是裝置進一步深化節能的一個重要方面，余熱發電機組運行正常后，裝置每年電量輸出1 452×104kW·h，裝置能耗降低443.03 MJ/t，裝置節能效果顯著，回收低溫余熱意義重大，余熱回收技術市場前景廣闊，目前已從用于局部生產裝置用能優化擴大到用于全廠用能優化，使原來廢棄不用且花費代價冷卻的能量發揮了作用，具有良好的經濟效益及社會效益。

一體化光驅動水分解的研究

鑒于全球氣候變化，迫切需要開發從可再生能源獲取和儲存電力的有效方法。在這種情況下，光催化將水分解生成氫燃料和氧氣成為特別有吸引力的方法。然而，有效實施模仿生物學光合作用過程在技術上極具挑戰性，因為它涉及到可相互干擾的諸過程的組合?，F在，Jacek Stolarczyk博士和Jochen Feldmann教授領導的慕尼黑大學（LMU）物理學家與Frank Wurthner教授領導的維爾茨堡大學化學家合作，首次成功地借助一體化催化體系的水完全分解進行了示范。新研究論文發表在《自然能源》雜志。

水分子光催化分裂的技術方法采用合成組分來模擬在自然光合作用期間發生的復雜過程。在這樣的系統中，吸收光量子（光子）的半導體納米粒子原則上可以用作光催化劑。光子的吸收產生帶負電荷的粒子（電子）和被稱為“空穴”的帶正電荷的物質，兩者必須在空間上分開，這樣水分子可被電子還原成氫，并被空穴氧化成氧氣。Stolarczyk說，“如果只想用水產生氫氣，通常會通過添加犧牲性化學試劑快速去除空穴。但為了實現完全水分解，空穴必須保留在系統中，以驅動緩慢水氧化的過程。”問題在于要使兩個半反應同時發生在單個粒子上，同時確保帶相反電荷的物質不重新組合。此外，許多半導體本身可能被氧化并被帶正電荷的空穴破壞。

Stolarczyk稱，“通過使用由半導體材料硫酸鎘制成的納米棒解決了這個問題，并在空間上分離了在這些納米晶體上發生氧化和還原反應的區域。”研究人員用微小的鉑顆粒裝飾在納米棒的尖端，這些鉑顆粒充當了光吸收激發的電子受體。這種配置提供了一個有效的光催化劑，用于將水還原為氫氣。另一方面，氧化反應發生在納米棒側面。為此，LMU研究人員在側面附上Wurthner團隊開發的釕基氧化催化劑。該化合物的官能團可將其固定在納米棒上。這些基團為催化劑提供了極快的空穴傳輸，這樣有利于有效產生氧氣，并最大限度減少對納米棒的損害。該研究是巴伐利亞州資助的“太陽能技術產生混合動力”（SolTech）跨學科項目的一部分。新光催化系統的開發是SolTech把不同學科和不同地區已有專業知識匯集起來的一個很好的例子。如果沒有兩個體系的化學家和物理學家之間的跨學科合作，該項目就不可能取得成功。

（摘自中外能源2019年第3期）