煉油廠低溫熱聯合利用技術及應用

李供法

(中海石油寧波大榭石化有限公司,浙江 寧波 315800)

隨著人類生產活動和社會活動的增加,特別是工業革命以來,由于大量燃料的燃燒、工業廢氣和汽車尾氣的排放,使得大氣環境質量日趨惡化[1]。節能減排是國家“十四五”規劃的重要任務。各個企業成立“碳達峰、碳中和”工作領導小組,認真落實關于做好“碳達峰、碳中和”工作要求,全面推動公司綠色低碳轉型。

石化行業存在大量90～150 ℃中等溫位的低溫余熱[2-5]并且大部分被水冷或空冷冷卻掉。回收煉油廠低溫余熱具有巨大的節能潛力和良好的經濟效益。隨著國內可持續發展戰略、加強環保與清潔能源等政策的實施,設法提高能源利用效率是目前我國節能減排的工作重點。石油化工在加工過程中,產生大量的低品位熱源(溫度一般小于120 ℃),這部分熱量因品味較低而無法有效利用,只能通過空冷或是循環水冷卻,造成熱量的極大浪費和煉廠裝置能耗的升高。煉廠低溫熱量的利用和優化也有不少研究。通過探討煉廠低溫熱分布情況,結合煉廠對不同品味熱源的需求狀況,通過采用二類熱泵機組技術提升煉廠低溫熱的品味,匹配全廠工藝裝置熱量需求,降低煉廠的能耗,從而減少煉廠的碳排放,為煉油廠低溫余熱利用提供經驗借鑒。

1 存在問題

如圖1是煉油廠典型的分餾塔頂流程圖,分餾塔頂溫度106.3 ℃,壓力為0.8 MPa,塔頂油氣經過空冷冷卻至42 ℃之后,一部分作為冷回流返回分餾塔頂,控制分餾塔頂溫度,另外一部分送至下游作為其他單元的進料。塔頂油氣溫度經過空冷由106 ℃降低為42 ℃,大量的低溫熱被空冷冷卻,造成熱量的浪費。

圖1 分餾塔頂氣相冷凝流程圖

對某煉廠芳烴聯合裝置塔頂空冷熱負荷進行調研,初步統計裝置塔頂低溫熱負荷,如表1所示。

表1 芳烴聯合裝置冷卻負荷分布

表1(續)

如上圖1和表1所示,煉廠裝置內存在大量的低溫熱,這些熱量溫度從90～160 ℃不等,塔頂的低溫熱未得到充分利用,只能通過空冷或循環水冷卻掉。以表1所示的某煉廠芳烴聯合裝置的低溫熱合計有320 MW的低溫熱被空冷冷卻,熱量即沒有回收又浪費了很多電能,造成裝置能耗的升高。

2 技術分析及措施

目前大量應用于工業的主要熱水余熱回收技術主要有:低溫熱水發電、低溫熱水產低壓蒸汽及熱水余熱制冷等[6]。

2.1 低溫余熱發電

低溫熱發電技術原理是利用有機朗肯循環,利用液態有機工質沸點低的原理,低品位的熱流在換熱器中放熱給有機工質,有機工質蒸發為飽和蒸汽,推動膨脹機做功, 將品味較低的能量轉化為機械能,從而帶動發電機發電或拖動其他轉動機械。熱水發電技術能量利用率低,綜合利用率在8%～10%左右。發電系統由余熱鍋爐換熱器、透平、冷凝器和工質泵四大部套組成。余熱流在換熱器中放熱給有機工質,工質由于吸熱而成蒸汽。這種蒸汽通過透平膨脹做功, 從而帶動發電機發電或拖動其他轉動機械。從透平排出的蒸汽在冷凝器中向冷卻水放出熱量而凝結成液體,從而借助工質泵重新泵回換熱器,如此不斷循環就能發電或產生動力。由于系統技術簡單、熱回收性能好及透平尺寸小、無濕蒸汽區等特點,特別適用于低溫和中、小容量的能量回收。

2.2 低溫熱制冷水

余熱制冷是一種以工業余(廢)熱為熱源制取7 ℃以上冷凍水,用于空調或工業冷卻,或將低于100 ℃的低溫熱源的溫度提升40～60 ℃,再用于工業生產,是一種能大幅度提高企業能源利用率,達到節能、節水、減少溫室氣體排放、減少熱排放目的的高新技術。余熱制冷系統耗電只占制冷機輸出功率的2%～3%,比電制冷節電70%～80%,可節約大量一次能源。大幅度提高一次能源的利用率,提高幅度約10%。減少煤、石油的使用,可減少CO2、NOX等有害氣體及溫室氣體的排放,改善環境條件。

低溫熱制冷技術是利用工業余熱制取7～12 ℃的冷水,用于裝置使用。制冷劑以溴化鋰作為制冷劑。目前低溫熱制冷在煉化企業用途較多,技術較為成熟,能夠很好地利用煉廠的余熱,實現節能減排的目的。低溫余熱制冷效率相對較高,但煉廠對制冷水的需求各不同。

2.3 低溫熱熱泵余熱回收技術

如圖2低溫余熱熱泵回收技術是采用二類熱泵[7]作為低溫熱回收設施,二類熱泵機組以溴化鋰溶液為吸收劑,水為制冷劑,通過在蒸發器和發生器中吸收低品位余熱的能量,由吸收器產生高品位蒸汽或熱水的設施。

圖2 第二類溴化鋰吸收式熱泵工作原理

熱泵運行過程基本原理:水的沸點隨壓力的不同而發生變化以及水蒸發吸熱、冷凝放熱的特性,將水作為傳熱的中間介質,通過循環具有強吸濕性的溴化鋰溶液實現熱量傳遞的物理過程。

2.3.1 熱量平衡

對于熱泵機組而言,中溫熱源是溫度為108 ℃的熱水,低溫冷卻熱量輸出即被循環水帶走的熱量Q2,高溫熱是制備出的蒸汽熱量Q1～Q2。熱泵的性能系數(COP)定義為得到的有用熱量與消耗的驅動熱量之比,即COP=(Q1-Q2)/Q1。

如第二類吸收式熱泵COP=0.3,即回收1份中溫廢熱熱量,產生0.3份高品位熱,可見第二類吸收式熱泵能夠產生比中溫廢熱品味高的熱媒,產生的高品位熱可以用于廠內工藝,具有較顯著的節能優勢。吸收式熱泵的熱量平衡圖如圖3所示。

圖3 吸收式熱泵的熱量平衡圖

2.3.2 機組特點

第二類吸收式熱泵能回收30%～50%左右的低品位余熱的熱量,主要有以下特點:

1)可發生低低壓蒸汽,也可制取高溫熱水。二類熱泵機組可以根據企業用戶的需求不同,通過回收低溫熱的熱能用來制取低低壓蒸汽或是熱水。

2)不消耗高品位能源。第二類吸收式熱泵消耗的是低品位余熱或是廢熱,不消耗高品位能源。可以利用熱水或是工藝介質。

3)回收成本周期短。第二類吸收式熱泵消耗低品位的熱量,這些熱量在煉廠中一般是空冷或是水冷冷卻,節能效果顯著,且設備投資成本較低,回收成本周期較低。

4)環境效益顯著。二類熱泵機組消耗公共工程水電汽風等較少,運行時沒有任何污染和廢棄物,環境效益明顯。

5)自動運行。吸收式熱泵機組采用PLC自動控制,可實現一鍵開停機功能,操作簡單,運轉部件較少,機組運行簡單可靠,維護費用低,自動控制程度高。

3 低溫熱回收技術應用

3.1 某煉廠低溫熱現狀分析

以某煉油廠DMTO裝置為例,利用低溫熱熱泵余熱回收技術對該煉廠的低溫熱進行回收利用,計算經濟效益和能耗節約量。如圖4～5所示,DMTO裝置部分工藝過程如下:

DMTO裝置水洗塔(T1202)塔底工藝水流量2 480 t/h,溫度為93 ℃,經烯烴分離單元換熱后,溫度降至70.5 ℃,再經空冷器(AE1202)冷卻至62 ℃,然后經循環水冷卻器(WC1204)冷卻至53.6 ℃,最后工藝水分成兩路,一路1 898 t/h直接返回至水洗塔的中部,另一路581 t/h工藝水經循環水冷卻器(WC1205)冷卻至36.6 ℃返回至塔頂部。空冷器AE1202風機消耗電量為254 kW工藝流程圖詳見圖4。

圖4 某煉廠水洗塔和急冷塔工藝流程簡圖

DMTO裝置急冷塔(T1201)塔底急冷水抽出溫度108 ℃,流量770 t/h經烯烴單元換熱后溫度降至102.4 ℃,再經空冷器(AE1201)冷卻至68 ℃,然后分成兩路,一路93 t/h返回至塔底,另一路680 t/h返回至塔頂。空冷器AE1201風機消耗電量為316 kW。

自水洗塔底、急冷塔底、烯烴分離、氣壓機凝液及廢甲醛罐來的污水合計230 t/h左右,進入污水罐V1202,經過換熱器E1206A-D與污水汽提塔底液換熱后溫度108.7 ℃進入污水汽提塔T1203。污水汽提塔塔頂壓力0.19 MPa,溫度129.6 ℃,塔底溫度136.5 ℃;凈化水自污水汽提塔底抽出,抽出量220 t/h,溫度136 ℃,經過換熱器E1206A-D和E1104AB后溫度降為105 ℃,再經過空冷AE-1240A-F和循環水冷卻器WC-1209AB溫度降為60～70 ℃出裝置,流程如下圖5所示。

DMTO裝置中水洗塔塔底工藝水(流量2 480 t/h,溫度70.5 ℃)和急冷塔底急冷水(流量770 t/h,溫度108 ℃)的熱量被循環水或空冷直接冷卻;污水汽提塔底凈化水(流量220 t/h,溫度105 ℃),熱量被循環水或空冷直接冷卻。這些熱量因品味相對較低,無法得到充分利用。

圖5 凈化水工藝流程簡圖

該煉廠鍋爐動力發生蒸汽系統主要有:

1#、2#、3#高壓鍋爐(2開1備),以水煤漿為燃料,發生9.0 MPa蒸汽,送入高壓蒸汽管網;

一臺CO余熱鍋爐,發生4.0 MPa蒸汽;

一臺燃氣鍋爐,以裝置內燃料氣作為燃料,發生1.0 MPa蒸汽。

鍋爐給水配置兩臺(1#、2#)高壓除氧器,除氧器的操作壓力為0.5 MPa,給1#、2#、3#高壓鍋爐(2開1備)供水。正常操作條件下,除氧器的除鹽水進水溫度為43 ℃,流量315 t/h,現用1.0 MPa蒸汽作為除氧器驅動蒸汽,蒸汽用量為46.6 t/h。工藝流程圖詳見圖6。

圖6 除氧器流程簡圖

低溫余熱通過熱泵機組發生蒸汽的技術,可以充分實現低溫余熱的高效回收利用。煉油廠的余熱資源巨大,為低溫余熱發生蒸汽技術的發展和應用提供了空間。

從能量利用的本質出發,著重從源頭入手解決問題。依次對煉化企業的能量利用、回收和轉換三個環節進行系統優化[8-9],即依次對能量利用環節的設備結構改善和運行參數,對能量回收環節(換熱網絡和換熱流程)進行建模、分析和優化,對能量轉換環節的運行參數及設備結構形式改進。通過對對象的全方位診斷、分析及優化,從而達到能源循環利用、降低能耗,提升效益。

DMTO的工藝水、急冷水屬于低溫位熱量,可回收潛力巨大,目前利用效果不好。如何高效率利用好低溫熱,與現有工藝裝置、公用工程充分結合,是優化方案的關鍵點。從現場情況分析,急冷水溫位較高,可以利用二類熱泵機組技術,回收低溫余熱發生低壓蒸汽,效率最高可達30%～50%。同時考慮將工藝水和急冷水與動力系統除氧器進行聯合,回收工藝水和急冷水的低溫熱,降低除氧器1.0 MPa蒸汽消耗。

3.2 某煉廠低溫熱利用技術方案

低溫熱利用方案為:如下圖7所示,從裝置來的急冷水,流量770 t/h,溫度89 ℃,先進入熱泵機組發生0.35 MPa蒸汽。急冷水溫度由89 ℃降至75 ℃,回收這部分急冷水的熱量發生0.35 MPa蒸汽供裝置使用。整個系統可以回收2.25 MW的熱量,發生0.35 MPa蒸汽3.22 t/h。

進除氧器的除鹽水(溫度43 ℃,流量315 t/h),先與經過換熱器E1001(除鹽水-凈化水換熱器)與溫度75 ℃,770 t/h的急冷水換熱,換熱后,除鹽水的溫度升高至55 ℃;之后除鹽水經過換熱器E1002/E1003(除鹽水-凈化水換熱器)與溫度為105 ℃,200 t/h的凈化水換熱,凈化水的溫度由105 ℃降低為65 ℃,除鹽水的溫度由55 ℃升高至80 ℃,經升溫后的除鹽水再分別進入1#和2#除氧器,可節省除氧器1.0 MPa蒸汽11.67 t/h。急冷水節約空冷電量316 kW,凈化水空冷節約電量60 kW,表2為E1001、E1002和E1003除鹽換熱器參數表,表3為二類熱泵機組參數表。

表2 E1001、E1002和E1003除鹽換熱器參數表

圖7 凈化水-急冷水換熱流程簡圖

表3 二類熱泵機組參數表

3.3 某煉廠低溫熱利用方案效果

通過對某煉廠低溫熱利用分析,工藝水、急冷水和凈化水的熱量得到了充分利用,即節約了一部分1.0 MPa蒸汽,又產生0.35 MPa蒸汽。整體上全廠降低1.0 MPa蒸汽消耗11.67 t/h,產生0.35 MPa蒸汽3.22 t/h,產生的低低壓蒸汽通過平衡全廠的蒸汽系統,避免蒸汽放空。急冷水返回空冷前溫度為70 ℃,大大降低了空冷的負荷,節約了電能。凈化水出裝置溫度降低為65 ℃,關閉了凈化水空冷和循環水冷卻器,節約了空冷電量和循環水的消耗。

方案實施后,裝置能耗和收益見表4～5所示:

表4 能耗變化表

表5 收益表

4 結論

(1)在節能降耗大背景下,煉廠的低溫熱具有很大的節能空間,如何利用煉廠的低溫熱是值得深入研究的課題。

(2)低溫熱的利用需要結合煉廠本身的實際情況,尋找合適的熱源和熱阱,采用合適的低溫熱回收方法,并結合工程實際得到可行的最終方案。

(3)采用二類熱泵機組技術,提高煉廠低溫熱的品味,能夠提升煉廠低溫熱的可利用空間。

(4)產生的低低壓蒸汽,需通過平衡全廠的蒸汽系統,避免蒸汽存在放空現象。