李金馬，史少君，蔣俊彥

（1. 河北新欣園能源股份有限公司，河北黃驊 061100；2. 中國船舶集團上海第七一一研究所，上海 201108）

隨著原油的劣質化與重質化以及國際排放標準的日趨嚴格，F(xiàn)CC 汽油經過加氫精制后的辛烷值無法滿足使用要求，往往需要加入高辛烷值添加劑進行調和以提高汽油辛烷值[1]。而醚類由于其自身的結構特點，成為廣泛使用的高辛烷值汽油調和組分，目前工業(yè)應用的高辛烷值醚類主要包括由C4 ～ C6 叔碳烯烴與甲醇反應得到的甲基叔丁基醚（MTBE）、甲基叔戊基醚（TAME）、甲基叔己基醚（THxME），以及由異丁烯和乙醇反映得到的乙基叔丁基醚（ETBE）。其中MTBE 應用最早，發(fā)展最快的醚類添加劑[2]。近年來，日趨嚴格的節(jié)能環(huán)保標準對裝置能耗提出了更加嚴格的要求，本廠在前期技術調研基礎上，采用螺桿式水蒸氣壓縮機回收散放低品位蒸汽，節(jié)省了塔釜再沸器加熱蒸汽，有效的降低了裝置的能耗。

1 項目背景介紹

MTBE 生產采用異丁烯和甲醇為原料，采用筒式反應器和催化蒸餾的工藝生產，具體工藝流程如圖1 所示。

圖1 MTBE 工藝流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of MTBE process flow

混合C4 和甲醇混合后進入絕熱固定床反應器進行醚化反應，反應后的產物一部分冷卻后返回反應器入口，以控制催化劑床層溫度在65 ～ 75 ℃之間，異丁烯轉化率達到90%以上，另一部分反應產物進入催化蒸餾塔中繼續(xù)進行反應，從催化蒸餾塔頂?shù)玫郊兌却笥?8%的MTBE 產品，異丁烯總轉化率大于99%。未反應的C4 及其甲醇共沸物從催化蒸餾塔塔頂流出，進入水萃取塔底部，C4 為分散相，水從萃取塔上部進入萃取塔，水為連續(xù)相，萃余相C4 從萃取塔頂部出裝置，其中甲醇含量在20 ～ 40 μg/g。萃取相（水與甲醇混合物）從萃取塔底部流出，經換熱后進入甲醇精餾塔中回收甲醇，甲醇從精餾塔頂流出，純度大于99%，返回甲醇原料罐，重復使用。水從精餾塔底返回到萃取塔上部。MTBE 合成過程中主要的耗能裝置為催化蒸餾塔，塔釜再沸器需要0.55 MPa 的飽和蒸汽加熱。由于裝置工藝調整，目前廠區(qū)內有11 t/h、0.2 MPa、220 ℃低壓蒸汽富裕，需要尋找新的使用裝置。但是該蒸汽品味較低，無法得到有效的利用?？梢圆捎寐輻U式水蒸汽壓縮機對該股低壓乏汽進行增壓，提高其品位后作為催化蒸餾塔塔釜再沸器0.55 MPa 加熱蒸汽的補充，以節(jié)省0.55 MPa 蒸汽使用量。

2 螺桿式水蒸氣壓縮機結構、原理及優(yōu)勢

2.1 螺桿式水蒸氣壓縮機結構

螺桿式水蒸氣壓縮機屬于機械壓縮式熱泵，是最近幾年發(fā)展與成熟的熱泵產品。螺桿式水蒸汽壓縮機主要由兩根粗壯的轉子以及殼體組成，轉子之間通過同步齒輪相連，轉子之間有微小的縫隙，其結構如圖2 所示。

圖2 螺桿式水蒸氣壓縮機結構Fig.2 Structure diagram of screw water vapor compressor

2.2 螺桿式水蒸氣壓縮機原理

螺桿式水蒸氣壓縮機兩根轉子在殼體內互相嚙合，與殼體形成一個個近似密閉的做功空間，電機驅動螺桿式水蒸氣壓縮機的輸出軸，通過同步齒輪帶動兩根轉子，從入口吸入低品位蒸汽，蒸汽在一個個做功空間中被逐漸壓縮，并在出口處達到設計壓力，同時在入口處噴入軟化水，在壓縮過程中冷卻蒸汽，消除過熱度，最終實現(xiàn)出口蒸汽達到飽和狀態(tài)[4]。

2.3 螺桿式水蒸氣壓縮機優(yōu)勢

（1）螺桿式水蒸氣壓縮機單級壓比可達10、溫升可達到25 ～ 100 ℃，能夠有效提升低品位蒸汽。

（2）系統(tǒng)簡單，主要設備為螺桿式水蒸汽壓縮機及輔助系統(tǒng)，無泄漏風險，易損件少；

（3）與同為機械壓縮式熱泵的離心式熱泵相比，螺桿式水蒸氣壓縮機的雙轉子結構能夠適應蒸汽中含液含塵含小顆粒的工況，而離心式熱泵無法適應該工況；

（4）螺桿式水蒸氣壓縮機對調節(jié)范圍廣泛，可以實現(xiàn)25% ～ 100%流量范圍調節(jié)，且易操作維護；

（5）螺桿式水蒸氣壓縮機屬于容積式機械，出口壓力穩(wěn)定，能夠適應不同的使用場合[4]。

3 工程應用介紹

3.1 工藝流程介紹

富裕的低壓乏汽先經過減溫器降低至飽和溫度，進入螺桿式水蒸氣壓縮機中，經過壓縮后進入汽液分離器中，分離多余的入口補液后飽和蒸汽進入催化蒸餾塔塔釜再沸器加熱。汽液分離器底部軟水循環(huán)回流至入口處噴入機組消除過熱度。流量壓力出現(xiàn)波動時汽液分離器頂部蒸汽回流至機組入口，保持系統(tǒng)穩(wěn)定運行。見圖3。

3.2 工藝設計參數(shù)

我廠所使用的螺桿式水蒸氣壓縮機機組工藝參數(shù)如下：

圖3 水蒸氣螺桿蒸汽增壓工藝流程示意圖Fig.3 The process flow of steam screw steam supercharging

表1 MTBE 螺桿式水蒸氣壓縮機機組工藝參數(shù)Table 1 Process parameters of MTBE screw steam compressor unit

3.3 熱力計算

螺桿式水蒸氣壓縮機對低壓蒸汽的做功過程在p-V 圖上可以表示如圖4 所示。

圖4 螺桿壓縮機做功示意圖Fig.4 Schematic diagram of work done by screw compressor

每經過一次密閉空間的壓縮做功，蒸汽的壓力和溫度就提高一次，直至在出口處達到設計壓力，最終排出。因此螺桿水蒸汽壓縮機的消耗功率計算可由以下公式表示[5]：

式中 Wt——螺桿式水蒸氣壓縮機消耗功率，kW；

Qs——低壓蒸汽流量，kg/h；

h1——入口蒸汽比焓，kJ/kg；

h2——出口蒸汽比焓，kJ/kg；

ηe——螺桿式水蒸氣壓縮機內效率；

ηc——齒輪箱效率。

螺桿式水蒸氣壓縮機選型根據(jù)入口蒸汽流量而定，水蒸氣壓縮機理論吸氣量公式如下[6]：

式中 Vid——理論進氣量，kg/h；

Cφ——面積利用系數(shù)；

Cn1——扭角系數(shù)；

n——轉速，r·min-1；

λ——長徑比；

D0——轉子直徑，mm。

實際進氣量為：

式中 Vg——實際進氣量，kg/h；

ηv——容積效率。

我廠所使用的螺桿式水蒸氣壓縮機參數(shù)設計的如下：

表2 螺桿式水蒸汽壓縮機參數(shù)表Table 2 Screw type steam compressor parameter

圖5 螺桿式蒸汽熱泵現(xiàn)場圖Fig.5 Site picture of screw steam heat pump

3.4 與其他利用方式對比及經濟效益

目前比較成熟的低溫余熱利用技術主要有有機朗肯循環(huán)（ORC）發(fā)電，第二類溴化鋰熱泵制蒸汽兩種技術。

ORC 發(fā)電技術以低溫余熱作為熱源在蒸發(fā)器中加熱有機工質，將低溫余熱冷凝到60 ～ 90 ℃，產生的有機工質蒸汽推動汽輪機發(fā)電做功，然后冷凝后加壓泵送到蒸發(fā)器中，吸收低溫余熱的熱量。流程圖如圖6 所示。

ORC 發(fā)電方案的優(yōu)點在于可以利用的低溫余熱范圍較廣，可以利用60 ～ 100 ℃的低溫余熱，但是缺點也很明顯，余熱的熱利用率低，大部分余熱都隨循環(huán)水吸收，平均的熱效率為7%左右。

圖6 ORC 發(fā)電方案流程示意圖Fig.6 Schematic diagram of ORC scheme

圖7 溴化鋰熱泵方案流程示意圖Fig.7 Schematic diagram of LiBr heat pump scheme

第二類溴化鋰熱泵制蒸汽技術的原理如下：低溫余熱作為溴化鋰系統(tǒng)中蒸發(fā)器和再生器的熱源，加熱濃縮溴化鋰溶液，將溶劑水蒸發(fā)后，在加熱器中由濃溴化鋰吸收水蒸汽并放出大量熱量，將該部分熱量傳遞給熱媒水后在閃蒸罐（未畫出）中產生低壓蒸汽。

溴化鋰熱泵制蒸汽方案的優(yōu)點在于耗電量少，整個系統(tǒng)由余熱驅動，主要耗電為溶液泵與抽真空系統(tǒng)。能夠提高余熱品位在40 ～ 60 ℃。缺點在于系統(tǒng)復雜，溴化鋰溶液容易泄漏，熱效率較低，單級第二類溴化鋰熱泵的性能系數(shù)COP 大約在0.4 ～ 0.6 左右，串聯(lián)多級溴化鋰熱泵的COP 大約在1 左右。對于蒸汽流量波動較為劇烈的工況難以適應。

以我廠11 t/h，0.2 MPa，220 ℃乏汽為熱源的螺桿蒸汽壓縮機組、ORC 發(fā)電及第二類溴化鋰熱泵制蒸汽的收益及消耗如表3。

從表3 可以看出，螺桿蒸汽壓縮機的靜態(tài)年收益要遠高于ORC 發(fā)電及第二類溴化鋰制熱泵技術。在余熱利用率上，螺桿蒸汽壓縮機組能夠做到幾乎完全利用，而另外兩種技術的熱效率較低，ORC 僅為7%左右，大量的熱量被循環(huán)冷卻水所帶走，并未起到良好的節(jié)能作用。

表3 項目經濟年化表Table 3 Project Economic Annualization

4 結束語

螺桿式水蒸汽壓縮機能夠消耗電能將乏汽、散放蒸汽以及凝液閃蒸汽等低溫熱源加以利用，技術成熟度高，機組能夠長時間穩(wěn)定運行，技術性能指標均能達到設計值，與其他同類產品相比，螺桿式水蒸汽壓縮機在壓比、溫升、工況適應性上更有優(yōu)勢。

在石化煉油行業(yè)中，除了回收乏汽等低品位蒸汽之外，螺桿式水蒸汽壓縮機還可以應用在熱泵精餾、蒸汽管網平衡、含油污泥處理[8]等工藝中，未來應用前景廣泛。