低溫余熱回收利用

第六部分

低溫余熱回收利用技術(shù)主講人：尹洪超大連理工大學(xué)能源與動力學(xué)院教授博士生導(dǎo)師大連理工大學(xué)能源管理與節(jié)能監(jiān)測中心主任Tel：0411-8470645413940865971E-mail：hcyin@主要內(nèi)容一、石化低溫余熱回收利用概述二、石化低溫余熱的系統(tǒng)集成優(yōu)化利用三、石化低溫余熱升級利用四、熱管式換熱器五、冷凝水回收六、余熱鍋爐七、螺旋板式換熱器八、強化傳熱一、低溫余熱回收利用概述一、低溫余熱回收利用概述低溫余熱回收利用原則

1、首先改進降低工藝用能，優(yōu)化工藝裝置換熱流程，系統(tǒng)熱集成，盡量少產(chǎn)低溫余熱；2、低溫余熱的回收和利用必須經(jīng)濟合理、運行可靠。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)：有些企業(yè)在確定低溫余熱利用方案時，低溫余熱的價格確定不合理；另外有時將回收利用的系統(tǒng)管道投資沒有考慮。這兩方面導(dǎo)致了不合理方案的產(chǎn)生。

3、低溫余熱的利用應(yīng)優(yōu)先級首先考慮長周期運行的同級利用（低溫?zé)崃恐苯哟媪嗽卸文茉矗?；其次考慮全年中部分時間利用的同級利用；最后才考慮升級利用一、低溫余熱回收利用概述同級利用方式1、作工藝裝置重沸器熱源，如氣體分流裝置；2、預(yù)熱除鹽水；3、預(yù)熱加熱爐空氣；4、物料的預(yù)熱、伴熱、維溫；5、采暖與生活熱水。一、低溫余熱回收利用概述目前，低溫余熱的主要利用方式為同級利用，這種利用方式的節(jié)能效果最顯著，并且在相當長的時期內(nèi)，將仍是該種利用方式。濟南分公司全廠性低溫余熱回收與利用措施，投資2000萬元，現(xiàn)在已投用，年節(jié)標油20000噸，年效益約6000萬元。安慶分公司煉油廠全廠性低溫余熱回收與利用措施，投資2000萬元，節(jié)約1.0Mpa蒸汽29t/h，年節(jié)標油16000噸，年效益約2442萬元。一、低溫余熱回收利用概述升級利用方式1、發(fā)電；2、制冷；3、第二種吸收式熱泵；4、作海水淡化熱源。一、低溫余熱回收利用概述

幾種低溫余熱利用方式的折能系數(shù)（定義為低溫?zé)崂盟〈囊淮文茉戳空嫉蜏責(zé)崃康陌俜直龋┮娤卤恚壳皣鴥?nèi)低溫擴容發(fā)電投用的企業(yè)有長嶺和錦西煉廠。低溫余熱利用方式折能系數(shù)備注同級利用1.0溴化鋰吸收制冷0.45制取冷水溫度7~20℃熱水擴容發(fā)電（帶采暖）0.33用水用熱媒，熱水最高可達130℃正丁烷有機工質(zhì)發(fā)電0.21蒸發(fā)溫度90.76℃熱水擴容發(fā)電（無采暖）0.12用水用熱媒，熱水最高可達130℃二、石化低溫?zé)崂孟到y(tǒng)的集成優(yōu)化1、對“低溫?zé)豳Y源”認識的片面性調(diào)查現(xiàn)有冷卻器負荷，取某個溫度為界限，列出“現(xiàn)有低溫?zé)豳Y源一覽表”。按此考慮和制定利用計劃。但是，“現(xiàn)有低溫?zé)豳Y源”不是確定的。其中很大一部分將隨能量系統(tǒng)優(yōu)化而消失，即作為有效利用工藝熱流而回收利用。例：某石化企業(yè)一蒸餾低溫?zé)嵴{(diào)查表：減壓蠟油122t/h，140--63℃，373萬kcal/h減壓渣油124t/h，158--109℃，291萬kcal/h這些“低溫?zé)帷痹诓捎脽岢隽洗胧┖髮⒉辉俅嬖诋斍盁捰蛷S低溫?zé)崂矛F(xiàn)狀和問題2、當前“低溫?zé)崂谩贝嬖诘膯栴}（1）分散、隨機選擇和搭配熱源、熱阱（2）傳熱溫差過大，嚴重降質(zhì)利用，（火用）損失大（3）多個熱媒循環(huán)系統(tǒng)（4）過大循環(huán)流量，過小的溫升當前低溫?zé)崂孟到y(tǒng)的（火用）分析圖煉油廠低溫?zé)崂孟到y(tǒng)優(yōu)化技術(shù)簡介2、自適應(yīng)的低溫?zé)崂孟到y(tǒng)流程圖緩沖罐（密閉）補水泵1補水加熱器回水冷卻器泵2裝置（熱源）熱阱低溫?zé)崂孟到y(tǒng)優(yōu)化匹配原理圖某石化低溫?zé)崽菁壚孟到y(tǒng)流程圖（部分）某石化低溫?zé)崽菁壚孟到y(tǒng)（火用）分析圖回水50℃來水124℃某廠十一五節(jié)能規(guī)劃低溫?zé)岽笙到y(tǒng)利用優(yōu)化流程例：后冷調(diào)溫以水為熱媒的低溫?zé)崂孟到y(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

在一定的熱源/熱阱復(fù)合曲線條件下，以熱源與熱媒水、熱媒水與熱阱之間的最優(yōu)傳熱溫差為尺度，求解熱源和熱阱兩條復(fù)合曲線在T-H圖上的最優(yōu)相對位置，以及在它們之間代表熱媒水循環(huán)線的直線的斜率。最優(yōu)解將給出兩個HEN中各個換熱器的傳熱溫差和傳熱面積，以及最優(yōu)的熱媒水循環(huán)量和溫升。50120615011856505050某企業(yè)低溫?zé)岽笙到y(tǒng)利用的流程方案圖及參數(shù)三、低溫余熱升級利用低溫余熱發(fā)電技術(shù)石化企業(yè)或鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)過程中常有70℃以上的熱水生產(chǎn)，比如高爐的沖渣水溫度可達80~90℃，重油催化裝置中有大流量的120℃的熱水產(chǎn)生。利用熱水發(fā)電，取決于熱水的溫度，大約每噸熱水可發(fā)電1.5~4度電。發(fā)電后降溫的熱水又可以回到生產(chǎn)流程中吸熱，循環(huán)使用。熱水發(fā)電技術(shù)對熱水的水質(zhì)要求不高，水中的硬度和雜質(zhì)不影響發(fā)電裝置的運行，安全可靠，運行操作簡單方便。三、低溫余熱升級利用純余熱發(fā)電純余熱發(fā)電技術(shù)和傳統(tǒng)的發(fā)電一樣,以水為工質(zhì)用朗肯循環(huán)實現(xiàn)余熱利用,余熱鍋爐代替常規(guī)鍋爐,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,運行可靠,初投資較少,系統(tǒng)如下圖所示。其缺點是系統(tǒng)的工作受生產(chǎn)線負荷波動的影響大。三、低溫余熱升級利用純余熱發(fā)電系統(tǒng)簡圖三、低溫余熱升級利用帶補燃鍋爐的余熱發(fā)電帶補燃鍋爐的余熱發(fā)電系統(tǒng)是在余熱鍋爐后面安裝補燃鍋爐,如下圖

所示。在余熱鍋爐中生產(chǎn)的低壓蒸汽或者高溫水,經(jīng)過補燃鍋爐加溫加壓,提高蒸汽參數(shù),在汽輪機中做功。帶補燃鍋爐的余熱發(fā)電系統(tǒng)的裝機容量可以通過調(diào)整補燃鍋爐的容量來達到所需的功率,設(shè)備可以采用標準系列產(chǎn)品,技術(shù)成熟可靠,該發(fā)電系統(tǒng)不受余熱供應(yīng)的制約,避免了生產(chǎn)線負荷波動對機組穩(wěn)定運行的影響,可延長機組的壽命。其缺點是投資較高,系統(tǒng)較復(fù)雜,運行成本較純余熱發(fā)電系統(tǒng)高。三、低溫余熱升級利用帶補燃鍋爐的余熱發(fā)電系統(tǒng)簡圖三、低溫余熱升級利用有機朗肯循環(huán)余熱發(fā)電當余熱溫度低于370℃時,以水為工質(zhì)的朗肯循環(huán)不能有效地回收余熱,可以考慮有機朗肯循環(huán)(OrganicRankineCycle,簡稱ORC)余熱發(fā)電技術(shù)。有機朗肯循環(huán)以低沸點的有機物為工質(zhì)來吸收廢氣余熱,產(chǎn)生一定壓力和溫度的有機物蒸汽,進入汽輪機膨脹做功,汽輪機的排汽在凝汽器中凝結(jié)成液態(tài)的有機物。三、低溫余熱升級利用相對于常規(guī)朗肯循環(huán)，有機朗肯循環(huán)具有以下優(yōu)點:1、有機工質(zhì)沸點低,對較低溫度的熱源,能源利用效率更高;其比容小于水蒸汽,所需汽輪機的尺寸、排氣管道的尺寸以及冷凝器的換熱面積都較小;它的凝固點低,在較低溫度下仍能釋放出能量,這樣,寒冷天氣可以增加出力,冷凝器也不需要防凍設(shè)施。2、在膨脹做功的過程中,從高壓到低壓始終保持在干蒸汽狀態(tài),可以消除濕蒸汽對汽輪機所造成的腐蝕破壞,更有效地適應(yīng)部分負荷運行及大的功率變動。3、在缺水地區(qū),ORC電廠優(yōu)先使用空冷凝汽器,比水蒸氣電廠使用的空冷凝汽器體積小得多,價格也低得多;有機工質(zhì)冷凝壓力高,系統(tǒng)在接近和稍高于大氣壓力下工作,不需要真空抽汽系統(tǒng)。4、有機工質(zhì)的聲速低,在葉片輪周速度很低時就能獲得有利的空氣動力特性,在常規(guī)轉(zhuǎn)速下就具有較高的輪機效率。三、低溫余熱升級利用目前國內(nèi)主要采用二級水擴容動力循環(huán)方式發(fā)電，這種方式的優(yōu)點是運行可靠，缺點是效率低；據(jù)報道，國外采用有機工質(zhì)動力循環(huán)方式，這種方式的優(yōu)點是效率較高，缺點是可靠性差；以某煉油廠催化裂化6條低溫物流提供低溫?zé)?8.7MW，延遲焦化裝置2條物流提供7.6MW為例。工藝流程圖項目水有機工質(zhì)工質(zhì)進余熱源溫度℃4935工質(zhì)出余熱源溫度℃14689.65工質(zhì)吸熱量MW36.235.4透平進口初溫℃108.289.65透平出口溫度℃3649發(fā)電機功率kW30003800供熱量kW6768輔助系統(tǒng)功率kW7801122凈輸出功率kW22202678凈發(fā)電效率%6.17.6混合工質(zhì)余熱發(fā)電可以考慮采用混合工質(zhì)來代替單一工質(zhì)進行余熱回收,這樣可以更好地回收中低溫余熱。以NH3-H2O混合物為工質(zhì)的卡林納循環(huán)系統(tǒng)如下圖所示。三、低溫余熱升級利用卡林納循環(huán)低濕余熱發(fā)電系統(tǒng)簡圖混合工質(zhì)余熱發(fā)電

70%的氨水溶液經(jīng)過給水泵加壓、預(yù)熱器升溫之后,進入余熱鍋爐中加熱,產(chǎn)生濃度為70%的過熱氨水蒸汽,進入汽輪機做功,汽輪機排汽經(jīng)過蒸餾器冷卻,然后被濃度為34.59%的貧氨溶液(b股)稀釋為44.81%的基本溶液(c股)，進入吸收器中凝結(jié)；離開吸收器的飽和液體經(jīng)凝結(jié)泵加壓,一部分(d股)經(jīng)過再熱器和蒸餾器升溫后,進入分離器,在分離器中分離出96.85%富氨蒸汽(f股)和34.59%的貧氨溶液;34.59%的貧氨溶液經(jīng)再熱器冷卻和節(jié)流閥降壓,與70%的工作溶液混合形成44.81%的基本溶液;96.85%的富氨蒸汽經(jīng)預(yù)熱器冷卻后,和另一部分基本溶液(e股)混合為70%的工作溶液,然后凝結(jié)為飽和液體,再經(jīng)給水泵送到余熱鍋爐,完成一個循環(huán)過程。三、低溫余熱升級利用混合工質(zhì)余熱發(fā)電

混合工質(zhì)的蒸發(fā)過程是變溫過程，相對于單一工質(zhì)循環(huán)的定溫蒸發(fā)而言，其吸熱蒸發(fā)過程更接近熱源的放熱過程線，這樣可以減小換熱過程的平均換熱溫差，降低不可逆損失，提高循環(huán)的效率。對于不同的余熱熱源，可以根據(jù)其放熱特性，選擇不同組分、不同濃度的混合物，使工質(zhì)的吸熱過程與熱源的放熱過程達到最佳換熱匹配。三、低溫余熱升級利用制冷低溫?zé)嶂评渲饕捎娩寤囆问?，制取的冷水溫度?-20℃。低溫?zé)嶂评涞闹饕緩剑荷钪评洌照{(diào)）；生產(chǎn)制冷：

1、催化裂化裝置吸收穩(wěn)定系統(tǒng)；

2、延遲焦化裝置吸收穩(wěn)定制冷；

3、氣體分餾裝置；

4、其他工藝裝置等。三、低溫余熱升級利用制冷低溫余熱在夏季的回收利用，是石化企業(yè)在余熱利用方面進一步節(jié)能挖潛的重點。就夏季石油化工企業(yè)的生產(chǎn)狀況來看，夏季余熱回收利用的有效途徑之一就是用于制冷。三、低溫余熱升級利用低沸點工質(zhì)蒸汽噴射式制冷裝置分析工作原理及組成就制冷原理而言,低沸點工質(zhì)的蒸氣噴射式制冷與水蒸汽噴射式制冷方式相類似,即以噴射器代替壓縮機,以消耗熱能來實現(xiàn)制冷。但低沸點工質(zhì)的蒸氣噴射式制冷以低沸點制冷劑作為工質(zhì),使其所需工作熱源溫度大大降低,這就為低溫余熱的回收利用創(chuàng)造了條件。低沸點工質(zhì)的蒸氣噴射式制冷裝置圖中噴射器構(gòu)成如圖噴射器結(jié)構(gòu)示意圖所示。蒸氣噴射式制冷裝置的一個關(guān)鍵設(shè)備。該制冷裝置工作時,熱水通過加熱器加熱來自工質(zhì)泵的液態(tài)低沸點工質(zhì),并使之成為具有較高壓力的飽和蒸氣(稱其為工作蒸汽)。工作蒸汽經(jīng)噴射器噴嘴膨脹加速,在噴嘴出口截面降壓至低于蒸發(fā)器蒸發(fā)壓力,并高速從噴嘴流出(為超音速流動),從而不斷卷攜由蒸發(fā)器進入噴射器吸入室的壓力較低的低沸點工質(zhì)蒸氣(稱為引射蒸氣)。此后,工作蒸氣與引射蒸氣在噴射器混合室中混合、經(jīng)擴壓室減速升壓后進入冷凝器,工作蒸氣在整個噴射器中的流動力一降壓熵增過程,引射蒸氣的流動則為一升壓熵減過程,混合后的工作蒸氣與引射蒸氣在冷凝器中被冷卻水冷凝為過冷液體。流出冷凝器液態(tài)低沸點工質(zhì),其中一部分被工質(zhì)泵升壓后送回加熱器,用以產(chǎn)生工作蒸氣;另一部分通過熱力膨脹閥節(jié)流減壓后進入蒸發(fā)器,在蒸發(fā)器中吸熱蒸發(fā)制冷,制取所需溫度的冷水。低沸點工質(zhì)蒸汽噴射式制冷裝置分析制冷裝置設(shè)備組成和工作原理圖三、低溫余熱升級利用低沸點工質(zhì)蒸汽噴射式制冷裝置分析噴射器結(jié)構(gòu)示意圖三、低溫余熱升級利用低沸點工質(zhì)的選用及其物性對裝置性能的影響

低沸點工質(zhì)蒸氣噴射式制冷裝置的已有研究結(jié)果均基于CFC-11氟利昂制冷劑,CFC-11在常壓下的沸點溫度比較高,而冷凝壓力又比較低,有利于制取0℃以上的冷媒水,且在工作蒸汽溫度一定的情況下,循環(huán)的各項性能指標(如理論引射系數(shù)μ和熱力系數(shù)ξ)均比較優(yōu)越。但CFC-11對大氣臭氧層有破壞作用,加劇地球溫室效應(yīng),現(xiàn)已屬于停止生產(chǎn)和禁止使用的制冷劑。HCFC-123作為CFC-11的替代工質(zhì),有著較為相近的物理性質(zhì)(見下表),其ODP和GWP值有了顯著的降,HCFC-123對大氣臭氧層的破壞性僅僅是CFC-11的1/50,其內(nèi)在穩(wěn)定性使其在較低的大氣層中就會全部分解而不致到達臭氧層,所以HCFC-123具有良好的保護大氣層的特性,是蒸氣噴射式制冷裝置最理想的替代制冷工質(zhì)。三、低溫余熱升級利用制冷劑物理性質(zhì)制冷工質(zhì)HCFC-123CFC-11分子式CHCl2CF3CCl2F常壓下沸點(℃)27.623.7臨界溫度(℃)184.0197.78臨界壓力(kg/cm2)37.4844.6常壓下的氣化潛熱(kJ/kg)167.68181.79ODP0.0161.0GWP0.090.32低沸點工質(zhì)的選用及其物性對裝置性能的影響以石油化工企業(yè)大量存在的80-90℃的低位能余熱為熱源,所需制冷量836.8MJ/h為例,按制冷裝置設(shè)備組成和工作原理圖所示，低沸點工質(zhì)蒸氣噴射式制冷裝置所得理論循環(huán)計算結(jié)果如下表所示,可以看出:該制冷裝置在冷、熱源溫度相同的條件下,以HCFC-123為工質(zhì)時裝置循環(huán)的各項性能指標在理論上均與以CFC-11為工質(zhì)時的基本一致,其在理論上完全滿足制冷裝置的使用要求。三、低溫余熱升級利用理論計算結(jié)果項目單位HCFC-123CFC-11制冷量kW232.6232.6工作蒸氣溫度/壓力℃/kPa

78/465478/495.7工作蒸氣流量kg/s5.554.82蒸發(fā)溫度/壓力℃/kPa11.5/53.711.5/64引射蒸氣流量kg/s1.511.42冷凝溫度/壓力℃/kPa35/130.335/147.7引射系數(shù)0.2720.294冷水進/出口溫度℃18/1318/13冷水流量t/h33.533.5熱水進/出口溫度℃85/76.885/77.2熱水流量t/h128.9119.6冷卻水進/出口溫度℃32/33.532/33.5冷卻水流量t/h684.3631.7熱力系數(shù)0.2160.245制冷裝置工質(zhì)泵的選用及換熱設(shè)備的高效、輕量化

低沸點工質(zhì)的蒸氣噴射式制冷裝置,其制冷輔件目前尚無與之配套的定型產(chǎn)品,只能以已有壓縮式制冷裝置的輔件作為配套件。由于制冷裝置工質(zhì)泵工作時,要靠制冷工質(zhì)本身來冷卻,且必須長周期地?zé)o潤滑的條件下工作,工質(zhì)泵性能的優(yōu)劣將直接影響到其工業(yè)化制冷裝置的性能和經(jīng)濟性。為此工質(zhì)泵的選型極其重要,目前有磁力泵、屏蔽泵等可供選用,既不會造成工質(zhì)泄漏,又能滿足需要。加熱器、冷凝器和蒸發(fā)器作為低沸點工質(zhì)的蒸氣噴射式制冷裝置的主要設(shè)備,其換熱性能的優(yōu)劣,將直接影響到制冷裝置的工作性能和制造成本。已有試驗裝置和樣機均采用常規(guī)的管殼式換熱器,造成制冷裝置體積和重量較大。一次棄灌工質(zhì)較多。且在石化企業(yè)用于工藝制冷時,考慮到現(xiàn)場改造場地的諸多限制,為此,有必要在滿足制冷工質(zhì)在換熱設(shè)備中的流動阻力降要求的前提條件下,選用高效、輕量化的板式換熱器、高效管殼式換熱器作為其換熱設(shè)備。制冷裝置的系統(tǒng)優(yōu)化及放大效應(yīng)的研究

目前對低沸點工質(zhì)的蒸氣噴射式制冷已有的理論和實驗研究,大都還停留在實驗室臺架試驗或小規(guī)模的工業(yè)試運行階段,要將低沸點工質(zhì)的蒸氣噴射式制冷技術(shù)經(jīng)濟地應(yīng)用于石化企業(yè)的余熱回收,現(xiàn)有試驗裝置的規(guī)模是遠遠不能達到大規(guī)模余熱回收的目的和石化企業(yè)對余熱回收經(jīng)濟效益的要求。因此要通過小型裝置和中試裝置的遞級放大研究,對影響系統(tǒng)正常運行和性能發(fā)揮有著極其重要作用的制冷裝置中噴射器出口至冷凝器入口流動阻力降和蒸發(fā)器出口至噴射器吸入口流動阻力降的特性及相關(guān)設(shè)備進行深入細致的研究和考核,探索低沸點工質(zhì)的蒸氣噴射式制冷裝置工業(yè)放大和系統(tǒng)優(yōu)化的規(guī)律,為最終在石化企業(yè)的大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。低沸點工質(zhì)蒸汽噴射式制冷裝置的經(jīng)濟性分析將以HCFC-123為工質(zhì)、制冷量為836.8MJ/h低沸點工質(zhì)蒸氣噴射式制冷裝置直接用于石化企業(yè)的低位能余熱回收中,全年節(jié)能經(jīng)濟效益按夏季供冷130d計算,運行時每天24小時均處于滿負荷工作狀態(tài)。其中標準燃料油按0.25萬元/t,耗電按0.5元/kWh計。低沸點工質(zhì)蒸氣噴射式制冷裝置所需冷卻水由石化企業(yè)已有冷卻水管網(wǎng)提供,采取大流量小溫升的使用方法,使冷卻水在該制冷裝置中升溫不超過2℃,排出后利用管道泵升壓后仍進入原冷卻水管網(wǎng),繼續(xù)供生產(chǎn)裝置使用,故此項運行費用僅考慮管道泵對冷卻水升壓時的耗電費用。折合節(jié)約蒸汽量以假設(shè)采用蒸汽型溴化鋰吸收式制冷機制取相同冷量所需蒸汽量計算而得。最終計算年凈收益為69.91萬元。低沸點工質(zhì)蒸汽噴射式制冷裝置的經(jīng)濟性分析項目單位數(shù)量折合金額（萬元）回收熱量折合標油t232.258.05折合節(jié)約蒸汽量t9366.08工質(zhì)泵耗電量kWh2.21.1冷卻水升壓泵耗電量萬kWh9.364.68凈效益萬元69.91經(jīng)濟效益表熱泵熱泵分壓縮式和吸收式兩種形式：壓縮式熱泵主要在氣體分餾裝置上使用，將丙烯塔頂?shù)牡蜏責(zé)釅嚎s后做塔底熱源，但目前該種形式的熱泵在煉油廠沒有新的應(yīng)用，原因是低溫?zé)嶂苯幼鰺嵩?，?jié)能效果大大提高。

吸收式熱泵有兩種形式：

第一種需要較高溫位的低溫?zé)幔瑴囟燃s為（120℃~130℃），使更低溫位（20~50℃的低溫?zé)釡囟忍岣?0℃左右，這種熱泵一般對煉油廠不合適。

第二種方式是不需要較高溫位的低溫?zé)?，僅耗少量的泵功，就可使70~90℃的低溫?zé)嵘咧?50-200℃，這種方式一般稱為吸收式變熱器AHT

，在煉油廠是非常實用的一種節(jié)能措施。三、低溫余熱升級利用

AHT工作原理在蒸發(fā)器中,管外的冷劑水被管內(nèi)的熱源加熱蒸發(fā)成冷劑蒸汽,然后進入吸收器被來自發(fā)生器的溴化鋰溶液吸收,吸收過程中釋放出的熱量將流過吸收器傳熱管內(nèi)的水加熱,從而獲得所需要的熱量;吸收冷劑蒸汽后得到的稀溶液流出吸收器