張美瓊，何 軍，馬蕊燕，張 靜，羅慶華

(中石油克拉瑪依石化有限責(zé)任公司，新疆 克拉瑪依 834000)

我國工業(yè)領(lǐng)域的能源消耗量約占全國能源消耗總量的70%[1]。除了生產(chǎn)工藝相對落后、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理的因素外，工業(yè)余熱利用率低、能源沒有得到充分綜合利用是造成能耗高的重要原因。隨著能源危機(jī)的壓力不斷加大和人們追求循環(huán)經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)性發(fā)展的要求越來越高，如何合理高效地利用工業(yè)廢熱，成為節(jié)能減排工作的重要內(nèi)容[2]。

我國能源利用率僅約33%，大部分的能源是以熱量的形式排放到大氣中。隨著生產(chǎn)工藝的進(jìn)步以及科技水平的逐步提升，我國利用中溫或高溫余熱的技術(shù)已經(jīng)成熟，并且已經(jīng)走向工業(yè)化。低溫余熱量雖大，但其利用技術(shù)尚不成熟，尤其是在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程中，85～150 ℃的低品質(zhì)廢熱大量被廢棄，例如煉油廠分餾塔側(cè)線、加熱爐煙氣、凝結(jié)水、富余蒸汽、富余干氣等含有的低溫余熱被大量浪費(fèi)[3]。如何充分利用這部分低溫余熱，是設(shè)計(jì)煉油廠裝置時(shí)的難題之一，也是各煉油廠降低能耗、節(jié)能挖潛的重要課題。

近年來，我國煉油廠在低溫余熱利用方面做了很多研究，并通過引進(jìn)國外技術(shù)、設(shè)備以及學(xué)習(xí)回收利用低溫余熱經(jīng)驗(yàn)，開始將低溫余熱應(yīng)用于需要的工藝環(huán)節(jié)和其他用戶，并取得了不錯(cuò)的成效，降低了低溫余熱的直接排放量[4-5]。

低溫余熱的回收有同級(jí)利用和升級(jí)利用兩種方式。同級(jí)利用就是利用低溫余熱直接或間接代替高、中位熱源滿足適宜的用戶需求，可以避免使用高、中位熱源所造成的過大溫差帶來的能量傳遞損失，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。同級(jí)利用主要有兩種用途，一是加熱裝置低溫物流，另一種是加熱生活用水。同級(jí)利用是低溫余熱利用中最具有吸引力的方案。升級(jí)利用主要包括低溫余熱發(fā)電、低溫余熱制冷和低溫余熱海水淡化等。大多數(shù)低溫余熱的升級(jí)利用技術(shù)都是用來發(fā)電，低溫余熱發(fā)電技術(shù)將企業(yè)在生產(chǎn)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的廢棄的熱能轉(zhuǎn)換為高級(jí)能源——電能，是一項(xiàng)變廢為寶的節(jié)能技術(shù)[6]，回收投資費(fèi)用的時(shí)間短，經(jīng)濟(jì)效益顯著[2，7]。

有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)發(fā)電就是為利用低溫余熱而開發(fā)的發(fā)電技術(shù)，該技術(shù)可以將85～150 ℃的熱水、蒸汽或其他介質(zhì)所攜帶的熱量加以利用來產(chǎn)生電能。以下介紹某石化公司利用凝結(jié)水、蒸汽、乏汽中的低溫余熱進(jìn)行ORC發(fā)電的過程，并進(jìn)行投資效益分析，旨在為煉油廠的低溫余熱利用方式提供參考建議。

1 公司低溫余熱資源現(xiàn)狀

該石化公司在工藝生產(chǎn)過程中存在大量凝結(jié)水和低壓蒸汽，具體為：①溫度為110～115 ℃、壓力為0.25～0.35 MPa的裝置凝結(jié)水，其量約為140 th；②溫度為120～125 ℃、壓力為0.25～0.35 MPa的系統(tǒng)乏汽，其量約為25 th；③每年夏季都有富余的溫度為220～240 ℃、壓力為0.62～1.03 MPa的低壓蒸汽直接對空排放，導(dǎo)致蒸汽嚴(yán)重浪費(fèi)，而且存在白煙污染，既不環(huán)保也不節(jié)能。該公司2018年5—9月低壓蒸汽放空量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 某石化公司2018年5—9月低壓蒸汽日平均放空量 td

表1 某石化公司2018年5—9月低壓蒸汽日平均放空量 td

時(shí) 間數(shù) 據(jù)2018-053312018-063752018-071 2462018-085672018-09300

以前以上3種低溫余熱都沒有被利用，不僅造成了熱量的浪費(fèi)，也存在噪音和環(huán)境污染。為了對這3部分低溫余熱加以利用，同時(shí)改善廠區(qū)工作環(huán)境，該公司決定采用ORC和汽輪機(jī)回收利用這些低溫余熱發(fā)電，以提高全廠能效，創(chuàng)建節(jié)約型企業(yè)。

2 ORC發(fā)電原理

ORC發(fā)電的原理是以沸點(diǎn)遠(yuǎn)低于水的有機(jī)物質(zhì)(如丁烷、氯乙烷或氟利昂等[8])為工質(zhì)，有機(jī)工質(zhì)在熱力設(shè)備中不斷進(jìn)行等壓加熱、絕熱膨脹、等壓放熱和絕熱壓縮4個(gè)過程，使熱能不斷轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能，發(fā)電裝置的循環(huán)系統(tǒng)由換熱器、汽輪機(jī)、冷凝器和給水泵組成[9]。ORC的具體過程為：機(jī)泵送來的有機(jī)工質(zhì)在換熱器中經(jīng)低溫余熱加熱后成為過熱蒸汽，過熱蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)，將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，過熱蒸汽釋放出熱能后溫度、壓力均降低，成為乏汽，由冷凝器冷凝為液態(tài)，再經(jīng)機(jī)泵升壓，完成一個(gè)循環(huán)。因?yàn)橛袡C(jī)工質(zhì)的常壓沸點(diǎn)遠(yuǎn)低于水的常壓沸點(diǎn)(100 ℃)，使得該有機(jī)工質(zhì)在較低溫度下就可以汽化，因此可以充分利用低溫余熱作為熱源進(jìn)行發(fā)電。ORC的原理如圖1所示。公司發(fā)電項(xiàng)目所采用的有機(jī)工質(zhì)為五氟丙烷(R245fa)，是目前用于ORC效率最佳的首選工質(zhì)[10]。

圖1 ORC的原理 —低溫?zé)嵩? —有機(jī)工質(zhì); —冷卻介質(zhì)。圖2同

3 低溫余熱發(fā)電的主要工藝流程

3.1 凝結(jié)水余熱發(fā)電

ORC透平機(jī)組利用凝結(jié)水(熱源1)低溫余熱發(fā)電的工作流程如圖2所示。

圖2 ORC機(jī)組將凝結(jié)水熱能轉(zhuǎn)化為電能的工作流程

有機(jī)工質(zhì)在換熱器中被凝結(jié)水加熱后，由液體變成氣體完成升壓，進(jìn)入透平發(fā)電機(jī)做功，做功后的有機(jī)工質(zhì)氣體壓力下降，溫度降低，進(jìn)入蒸發(fā)式冷凝器的殼層，經(jīng)冷卻介質(zhì)冷凝成液體，液體由工質(zhì)泵送入換熱器循環(huán)使用。換熱器中有機(jī)工質(zhì)的液位由工質(zhì)泵自動(dòng)控制，保持系統(tǒng)熱量平衡。

3.2 乏汽余熱發(fā)電

采用ORC機(jī)組將系統(tǒng)乏汽和余熱回收發(fā)電裝置中汽水分離器產(chǎn)生的二次汽的混合汽熱源(熱源2)轉(zhuǎn)化為電能，ORC原理與凝結(jié)水一樣，發(fā)電后相變?yōu)?5 ℃凝結(jié)水直接送至除油除鐵裝置使用，乏汽量約為25 th，溫度由120～125 ℃變?yōu)?5 ℃。

3.3 低壓蒸汽余熱發(fā)電

低壓蒸汽余熱(熱源3)發(fā)電是根據(jù)低壓蒸汽流量的不同采用不同的余熱發(fā)電方式：當(dāng)?shù)蛪赫羝髁啃r(shí)，進(jìn)入乏汽的ORC系統(tǒng)發(fā)電；當(dāng)?shù)蛪赫羝髁看髸r(shí)，直接進(jìn)入汽輪機(jī)做功發(fā)電(純凝式發(fā)電)，在此不詳述。

熱源1、熱源2、熱源3在ORC發(fā)電前后的物理參數(shù)如表2所示。

表2 各類熱源發(fā)電前后的物理參數(shù)

4 低溫余熱發(fā)電投資效益分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

低溫余熱資源發(fā)電項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益匯總?cè)绫?所示。

表3 低溫余熱發(fā)電項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益匯總

從表3可以看出：該項(xiàng)目工程建設(shè)投產(chǎn)實(shí)施后，每年共可以發(fā)電1.474×107kW·h，每年的發(fā)電凈收益為869.8萬元；每年回收軟化水的收益為819萬元；每年項(xiàng)目的總收益為1 688.8萬元；該發(fā)電項(xiàng)目投資為2 577.4萬元，因此回收投資需要的時(shí)間為 1.5年，即一年半就可回收全部投資；工程每年節(jié)約的能耗為169 354 GJ。由此可見，低溫余熱資源發(fā)電技術(shù)具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

4.2 環(huán)境效益分析

該公司在低溫余熱發(fā)電項(xiàng)目投用之前，每年都有大量的凝結(jié)水、乏汽和低壓蒸汽向外排放，造成了熱源的浪費(fèi)，也存在噪音和環(huán)境污染。本項(xiàng)目對這三部分低溫余熱加以利用，改善了廠區(qū)工作環(huán)境，既環(huán)保又節(jié)能。

傳統(tǒng)的火力發(fā)電采用化石能源作為燃料，燃燒后向空氣中排放出大量SO2、CO2和煙塵，污染大氣，造成了大面積的霧霾天氣，危害動(dòng)、植物生長及人類健康，形成的酸雨還會(huì)腐蝕金屬設(shè)備。

本項(xiàng)目利用煉油廠的低溫余熱替代天然氣或化石能源燃燒取得的熱量，可減少化石能源的消耗以及其燃燒帶來的環(huán)境污染。本項(xiàng)目的低溫余熱發(fā)電與采用煤作為燃料的火力發(fā)電相比，在同樣發(fā)電量情況下，每年可降低能耗169 354 GJ，減排CO2的量約為12.9 kt。

因此，本項(xiàng)目可幫助解決煉油廠余熱利用的難題，同時(shí)也減少了化石能源的消耗，在取得經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)降低了對環(huán)境的污染。

5 結(jié) 論

選用國際先進(jìn)成熟的ORC發(fā)電技術(shù)對煉油裝置產(chǎn)生的凝結(jié)水、乏汽、低壓蒸汽中的低溫余熱進(jìn)行回收發(fā)電，創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益，降低了工廠運(yùn)行成本和企業(yè)能耗。同時(shí)，降低了對煤炭的消耗，減少了CO2、粉塵、SO2以及氮氧化物的排放，進(jìn)一步改善了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境。