氨基酸聯(lián)產(chǎn)中的分布式供能技術(shù)應(yīng)用探索

張 奇，姜增妍，馬玉岳，陳玲玲，馬秀亮

(1.北京城市學(xué)院生物醫(yī)藥學(xué)部，北京 100094；2.煙臺(tái)恒源生物股份有限公司，煙臺(tái) 265709)

0 引 言

“有機(jī)酸-氨基酸”的催化生產(chǎn)過程可釋放豐富的余熱資源，目前，國(guó)內(nèi)企業(yè)余熱資源平均利用率較低，僅占其燃料消耗總量的17%～67%。因此，開展節(jié)能技改，回收可利用的余熱資源，對(duì)降低生產(chǎn)成本，對(duì)提高產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)水平及企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，具有重要價(jià)值。

分布式供能是指將供能系統(tǒng)以小規(guī)模、分散式的方式布置在用戶附近，同時(shí)輸出電、熱、冷等多種能源。相對(duì)于傳統(tǒng)集中供能，分布式供能系統(tǒng)避免了集中供能系統(tǒng)中能量遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膿p失，可由約30%的能源利用率提升至80%以上，且易于實(shí)現(xiàn)能量梯級(jí)利用，具有能源利用率高、規(guī)模小、靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)[1-2]。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，采用分布式供能作為集中式供能系統(tǒng)的有力補(bǔ)充，并逐步替代傳統(tǒng)集中供能，對(duì)實(shí)現(xiàn)我國(guó)節(jié)能減排具有重要意義。

分布式供能系統(tǒng)的概念提出于20世紀(jì)70年代，由于該系統(tǒng)能源利用率高、節(jié)能效益明顯，很快得到了世界上許多國(guó)家的重視，北美、歐洲、亞洲等一些國(guó)家進(jìn)行了大量研究工作，特別在美國(guó)、日本等國(guó)起步早、成果多[3-4]。

在國(guó)內(nèi)，分布式供能的應(yīng)用起步較晚，隨著能源發(fā)展戰(zhàn)略的調(diào)整，對(duì)能源多樣性需求也不斷增加，分布式供能系統(tǒng)也呈現(xiàn)快速發(fā)展的勢(shì)頭，在北京、上海、廣州、杭州、武漢等地已有應(yīng)用案例[5]，但是基于化工企業(yè)工業(yè)余熱的冷熱電多聯(lián)供的分布式能源供應(yīng)系統(tǒng)較為少見。

本研究利用“有機(jī)酸-氨基酸”聯(lián)合生產(chǎn)時(shí)初始步驟中以苯氧化法生產(chǎn)富馬酸釋放的大量熱能，開展基于富馬酸生產(chǎn)反應(yīng)能的分布式能源供應(yīng)研究，計(jì)算熱/電、冷(熱)/熱水/電/蒸汽等不同方式對(duì)熱能的綜合利用率，搭建技改工藝，以期實(shí)現(xiàn)資源循環(huán)綜合高效利用。

1 方法

1.1 冷(熱)/熱水/電/蒸汽多能聯(lián)供工藝構(gòu)建

本研究針對(duì)富馬酸生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的余熱，構(gòu)建冷/熱/電/蒸汽多能聯(lián)供工藝和分布式能源多聯(lián)供系統(tǒng)，如圖1所示，實(shí)現(xiàn)能量的梯級(jí)綜合利用：(1)蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)做功發(fā)電；(2)以溴化鋰吸收式空調(diào)機(jī)組制冷或者采暖；(3)直接外供蒸汽；(4)間接換熱產(chǎn)生生活熱水。

圖1 冷/熱/電/蒸汽多能聯(lián)供工藝

1.2 計(jì)算方法

1.2.1 總熱效率

總熱效率是評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)之一，用于衡量熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)能源利用率的高低。總熱效率為輸出能量與輸入能量的比值，即：

式中，η為系統(tǒng)熱效率，%；Pe為供電功率，kW；Qpq為排汽帶出的熱量，kJ；Qs為飽和蒸汽帶入的熱量，kJ。

1.2.2 分布式多級(jí)聯(lián)供系統(tǒng)能效

系統(tǒng)整體能效可以通過系統(tǒng)發(fā)電效率、能量利用效率和火用效率來分析。能量利用效率ηl可以從數(shù)量上反映系統(tǒng)能量的利用程度，其表達(dá)式為：

式中，W為發(fā)電功率，kW；Qh為供熱量，kW；Qc為供冷量，kW；Qw為蒸汽能量，kW。

2 結(jié)果

2.1 熱電聯(lián)產(chǎn)熱效率

將富馬酸氧化余熱以分布式供能方式輸出，如近用以蒸汽輸出和發(fā)電功能，如圖2所示，總熱效率為81.27%，系統(tǒng)損失為18.73%。

圖2 熱電輸出能源分配

2.2 制冷工況

將富馬酸氧化余熱以分布式供能方式輸出，在夏季，輔以溴化鋰吸收式空調(diào)機(jī)組制冷，在汽輪機(jī)排汽全部外供工況下測(cè)試數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果，如圖3所示，總熱效率達(dá)95.96%，顯著高于單純的熱/電輸出；能量損失為4.04%，。

圖3 供暖工況下能源分配

圖4 制冷工況下能源分配

2.3 制熱工況

將富馬酸氧化余熱以分布式供能方式輸出，在冬季，輔以溴化鋰吸收式空調(diào)機(jī)組供暖，在汽輪機(jī)排汽全部外供工況下測(cè)試數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果，如圖4所示，總熱效率達(dá)95.89%，顯著高于單純的熱/電輸出；能量損失為4.11%。

3 討 論

不同溫度的熱能其品位存在較大差異，在實(shí)際應(yīng)用中需要按照“梯級(jí)利用、溫度匹配”的原則，根據(jù)各子系統(tǒng)的需求向其提供合適品位的輸入能流，以取得最優(yōu)的利用效果。苯氧化法生產(chǎn)富馬酸過程中產(chǎn)生大量的以蒸汽形式輸出的余熱，為了提高系統(tǒng)能量利用效率，通過梯級(jí)利用和自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)能源的協(xié)調(diào)分配和充分利用。

本系統(tǒng)中來自苯氧化法生產(chǎn)富馬酸過程中苯與空氣中的氧氣在催化反應(yīng)過程中釋放的熱能作為高品位的熱能直接被汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組利用并轉(zhuǎn)化為電力；隨后，發(fā)電機(jī)組排氣所攜帶的熱量作為中品味能源，可以雙效溴化鋰機(jī)組轉(zhuǎn)化，以提供冷(熱)量；最后，經(jīng)雙效溴化鋰空調(diào)機(jī)組轉(zhuǎn)化后的剩余能源，向外界蒸汽用戶提供蒸汽或通過換熱器向用戶提供生活熱水，實(shí)現(xiàn)低品位能源輸出與利用。通過該多級(jí)分布式聯(lián)供方式，可充分提升能量綜合利用率。

4 結(jié)束語

本研究構(gòu)建了基于富馬酸生產(chǎn)反應(yīng)能的冷熱電多聯(lián)供系統(tǒng)，在工業(yè)產(chǎn)業(yè)層次，實(shí)現(xiàn)分布式供能，探索了全工況條件下不同品質(zhì)能量輸出效率，采用冷/熱/電/蒸汽多聯(lián)供系統(tǒng)，其能量利用效率超過95%，顯著高于單純的熱/電輸出，可用于氨基酸企業(yè)工業(yè)生產(chǎn)中余熱資源循環(huán)綜合高效利用，對(duì)促進(jìn)我國(guó)節(jié)能減排具有重要意義。