化工裝置工藝氣余熱回收節能優化策略

祁世杰(中國昆侖工程有限公司遼寧分公司，遼寧 遼陽 111003)

0 引言

化工工業是將天然物質或其他自然物質作為原材料，并根據不同物質的化學性質及其特點進行相應的化學反應工程。大量使用這些自然的物質存在著資源浪費、資源匱乏、環境污染等問題，有些資源使用過后并不可再生致使資源逐漸缺少。在化工工藝實施過程中，節約資源是十分重要的，能源的節約能有效地將所節約到的能源放在更多的領域上去實施，進而起到回收利用的作用。

1 生物質碳化伴生氣余熱回收工藝

現有通用的生物質碳化工藝，通常使用低高溫碳化工藝及其設備進行生產，低高溫碳化工藝指在低溫條件下，低溫碳化過程所產生的伴生氣體因熱值低很難燃燒被利用，低溫產生的伴生氣體多數都直接排空。在高溫條件下，高溫碳化過程中產生較高溫度的伴生氣體，一般通過簡單提純、過濾等手法處理后被利用，雖然此類方法可一定程度的提高利用效果，但是仍然存在著很多問題：(1)在低溫條件下所產生的低溫伴生氣體熱值低不易被利用導致直接排空，造成能量資源的浪費以及環境的污染；(2)在高溫條件下產生的伴生氣體存在著焦油、灰塵等的各種雜質，生產過程中要處理起來難度較大，成本投入高；(3)全自動化程度低；(4)氧化效率不理想且還需要借助外界的能量來維持運作，技術陳舊能耗較大。

新技術的余熱回收裝置包括啟動預熱系統、逆流氧化系統、自動控制系統三個系統組成。該設備在將液化氣及空氣混合燃燒產生的熱量作為設備啟動的初始能量，該裝置采用高溫熱逆流換向氧化工藝，其原理是讓低溫碳化過程產生的低熱值伴生氣體可在高溫環境下自主氧化。在這一過程中，產生的熱量一邊提供給伴生氣體氧化過程所需要的能量，另一邊也利用該熱量作為給外界提供的熱輸出。液化氣和空氣在該設備的混燃器中進行完全燃燒，產生的高溫氣體對逆流氧化系統中的蓄熱介質石英砂進行加熱。當石英砂被加熱達到預先設定的溫度時，設備將自動切斷液化氣停止燃料供料讓其自行升溫。該設備具備的優點有：使低溫狀態下的低熱值伴生氣體能充分燃燒并將能量回收利用，與一般技術相比減少污染氣體排放更環保，對減低尾氣處理要求大大降低并大幅度提升燃料利用率，自動化程度高，需要燃料量低，節能顯著突出，新技術達到了環保節能的目的[1]。

2 高溫余熱回收裝置

通常氣體余熱回收設備的工藝原理是將高溫氣體分成幾部分傳遞熱量，達到高溫介質降溫的目的，并將設備內部的水加熱蒸發獲得蒸汽，高溫氣體能降低到合適的溫度，降溫后的氣體從設備排出去后續工序。該設備選材要求相對較高，不僅增加投入成本，還加大了生產過程的復雜程度。新出現的裝置為臥式三重套管高溫余熱回收裝置，有效的解決了一般設備中存在的不足。該設備制作的條件不高，故成本無需增加太多。

如圖1所示，該設備的優點在于：(1)直連式的設計，很大程度上舍去了傳統設備中的高溫引出管。而高溫引出管往往使用合金鋼管制造。通過減少使用合金鋼這類昂貴材料可達到節約成本目的。在另一層面還能降低能量損失，提高余熱回收效率最終可提高產品產量。(2)該裝置利用三重套管式的構造模式，選用了合成塔-臥式廢熱鍋爐一體化的直連式設計，讓生產過程中產生的高溫氣體首先流向不受壓的內套管內，將高溫氣體降至合適的溫度后再和水進行傳熱工作(高壓鍋爐管內進行)，因不接觸介質故鍋爐管可使用低等級材料，延長檢修周期，不僅能節省成本，還使需購買的材料更容易獲得，在安全方面更利于平穩運行。(3)裝置在高壓聯箱內部設置了分隔措施，將高溫、高壓分成兩部分由內外兩個聯箱承擔，有效降低了承壓板所受到的壓力，這樣能有效的提升設備的運作效率，在制造材料方面降低對外聯箱的選材要求和制造難度，能在節省成本的同時也很大程度上確保了設備安全。(4)制氣、變換、合成等各個步驟中所產生大量的余熱，使用該設備進行余熱回收可減少能源的損耗，達到化工工業生產節能的目的。

圖1 臥式三重套管高溫余熱回收裝置

3 石油化工中可使用的工藝余熱回收利用裝置

石油化工裝置存在許多可利用的熱量。例如石化企業生產產品過程中會有很多地方有化學反應發生，通常放熱的化學反應產生的熱量會因反應物化學性質及反應條件的不同，介質的溫度也不相同，但多數是通過使用冷卻水冷卻將這部分反應生成熱帶走。出于對這一環節考慮，在工廠內構建出冷卻水循環系統，因為冷卻水循環系統中的供水溫度相對較低且固定(由當地氣象條件決定)，將相對高溫的介質冷卻后，這部分本可以利用的熱量將不能被使用。且循環水系統還需用電能將冷卻水強制驅動在循環冷卻水涼水塔處將熱量釋放，造成了很大的能量浪費。

而工藝余熱分級回收利用裝置可將化工裝置中的類似余熱回收分級利用，該裝置能回收余熱并將其利用的方法是：設置多個不同溫度級別的冷卻循環單元，該裝置同原有的化工工藝的冷卻系統和化工工藝中的反應釜連接(石油化工工藝流程中的原有設備，也是本裝置回收利用的熱源和需要冷卻的設備)，在裝置工作時，時刻監測進出水口的溫度，如果進水口處的溫度小于或者等于原來的冷卻系統中的冷卻水溫度時，再把出水口溫度進行一一對比后將相同溫度的冷卻水流入其中。如果進水口處的溫度高于所有冷卻水循環單元的出口溫度時候，裝置則會自動將循環冷卻水系統和反應釜連接起來，恢復為全廠用循環冷卻水為冷卻介質的流程。

如圖2所示，該裝置能解決現有化工裝置中工藝存在的冷卻循環水耗能過大，循環水余量不足，余熱不能被完全利用的問題，且很好地把各個階段通過化學反應所產生的熱量進行分層次逐級收集起來，并對不同溫度進行不同的回收處理，可將其分別用于制冷、供暖、工藝介質加熱等方向，最大程度上將化工裝置中余熱充分利用[2]。

圖2 工藝余熱分級回收利用裝置

4 煤氣余熱回收工藝裝置

該裝置屬于煤氣回收系統的工藝單元，適用于需要對煤氣冷卻時可余熱回收利用的裝置。其余熱回收工藝是將蒸氨裝置生產操作過程中剩余的廢水送至煤氣橫管式初冷器中，經換熱后的蒸氨廢水可得到高溫煤氣中的熱量達到預熱的目的，能為后續蒸餾過程節省能量。煤氣則在初冷器上層部分被蒸氨廢水冷卻，后在下層部分再用循環冷卻水進行冷卻。高溫煤氣中的熱量被蒸氨廢水所獲取，提高溫度后再送往氨水蒸氨裝置進行使用。大多數技術方案為僅使用循環冷卻水將煤氣的熱量帶走，需消耗冷卻介質的冷量，既浪費了熱煤氣中的熱能，又需要增加額外過多的電能消耗，存在能源的浪費。與通用技術相比較，該裝置生產工藝的方法并不復雜，但可將其能耗水平降低10%～20%，該工藝過程中并不需要額外提供動能，這樣可大幅度減少運行成本，還可達到節能環保目的[3]。煤氣余熱回收裝置如圖3所示。

圖3 煤氣余熱回收裝置

5 結語

在很多化工裝置中能夠以不同形式實現余熱回收，在設計化工工藝裝置的時候需要將各個單元細分開來考慮，對化工工藝進行深入的研究并制定策略，在逐步摸索中完善化工工藝。還需對國內外的余熱回收節能技術及設備進行學習，在借鑒后加入自己的觀點，以求對新建及現有工藝裝置能達到更加節能和可持續發展的目的。