劉烜辰，王北星，謝艷麗

（中石化節(jié)能技術服務有限公司，北京 100013）

在我國提出力爭在2030年前達到碳達峰，2060年前實現(xiàn)碳中和的偉大目標下，某石化企業(yè)提出將確保在國家碳達峰目標達成前實現(xiàn)二氧化碳達峰，并力爭比國家目標提前10年實現(xiàn)碳中和。國際能源署提出[1]，實現(xiàn)二氧化碳減排的策略包括節(jié)能和提高能源利用效率、發(fā)展可再生能源替代化石燃料、二氧化碳捕獲、利用和封存（CCUS）技術、原材料替代和林業(yè)碳匯等。根據其測算，如果全球溫室氣體排放在2050年大幅降至100億t左右，則節(jié)能和提高能源利用效率對二氧化碳減排的貢獻將占37%；其次是發(fā)展可再生能源，占比32%；其它方式對二氧化碳減排貢獻較小。因此，在2050年前節(jié)能和提高能源利用效率是二氧化碳減排的最重要手段，這對節(jié)能和提高能效提出了更高要求。

在我國，節(jié)能被學者稱為與煤、石油、天然氣、電力同等重要的“第五能源”[2]；也有學者認為，節(jié)能應作為我國“第一能源”大力發(fā)展[3]。石化企業(yè)中，隨著節(jié)能工作不斷推進，單一設備的節(jié)能潛力已不能滿足愈加嚴格的節(jié)能要求。目前，石化企業(yè)節(jié)能工作的開展依托于華賁教授[4]提出的能量利用“三環(huán)節(jié)”模型，即從能量轉換、利用和回收三個環(huán)節(jié)入手，通過提高能量回收循環(huán)能，降低工藝總用能，最終達到減少外部能量供應的目的[5]。石化企業(yè)能耗構成主要包括燃料氣和燃料油、催化燒焦、電、蒸汽等。據統(tǒng)計，燃料消耗約占20%～30%，電耗約占20%～30%，蒸汽消耗約占30%～40%。因此，控制用能工質的量將起到本質節(jié)能的作用，節(jié)能工作效果也將最終體現(xiàn)在燃料、蒸汽等工質的用量減少上。

多效蒸發(fā)是化工企業(yè)常用的工藝流程，是由多個單效蒸發(fā)組成的系統(tǒng)。該工藝是將新蒸汽通入一效蒸發(fā)器，利用前效蒸發(fā)器產生的二次蒸汽通入下一效蒸發(fā)器作為加熱蒸汽，如此依次進行。最末效一般在真空條件下進行操作，末效二次蒸汽進入冷凝器進行冷凝。[6]多效蒸發(fā)通過多次利用二次蒸汽余熱，降低了一次蒸汽的用量，達到了一定的節(jié)能效果；但最末效二次蒸汽仍需進入冷凝系統(tǒng)進行冷凝，一些余熱未得到利用。將多效蒸發(fā)與機械蒸汽再壓縮技術（MVR）結合，可以反復循環(huán)利用二次蒸汽的潛熱[7]，采用機械壓縮的方法將末效二次蒸汽的溫度、壓力提高后作為加熱蒸汽使用，有效降低蒸汽使用量，獲得良好節(jié)能效果。

1 國內外研究進展

早在1843年國外就提出了MVR熱泵的概念；1880年，瑞士工程師制造出第一臺MVR熱泵，但當時該技術未得到進一步發(fā)展[8]。隨著能源需求和價格的不斷上漲，MVR逐漸引起了各國研究者的關注和研究，并成功應用到蒸發(fā)操作中[9]。

Faisal Al-Juwayhel等學者[10]建立了四種不同蒸汽再壓縮淡化系統(tǒng)的模型，分析比較了系統(tǒng)能耗等參數，研究發(fā)現(xiàn)MVR系統(tǒng)節(jié)能效果最為明顯。Zaki[11]等研究了MVR技術與熱力蒸汽壓縮技術差異，結果表明MVR技術前期投資較高，但相較于熱力蒸汽壓縮技術僅能回收部分二次蒸汽的特點，MVR能夠回收全部二次蒸汽，并且后續(xù)維護費用低，具有可行性。Hisham Ettouney[12]通過建模和計算，從設計角度證明MVR具有廣泛適用性和可操作性。研究人員對風力發(fā)電驅動壓縮機也做了相應研究，Aly Karameldin等[13]論證了風能充足區(qū)域實施風能驅動機械蒸汽壓縮機的可行性；Tomas Witter等[14]也做了類似研究，結果顯示采用風能驅動機械蒸汽壓縮機是可行的。

20世紀50年代起，MVR技術開始應用于實際生產。1957年，德國GEA（Global Engineering Alliance）公司針對蒸發(fā)分離操作過程耗能高的問題，開發(fā)了商業(yè)化MVR蒸發(fā)系統(tǒng)。目前該公司開發(fā)的MVR系統(tǒng)已被應用于食品和飲料工業(yè)（牛奶、乳清、糖溶液蒸發(fā)）、化學工業(yè)（水溶液蒸發(fā)）、制鹽工業(yè)（鹽溶液蒸發(fā)）、環(huán)保技術（廢水濃縮）等領域[15]。美國Swenson公司開發(fā)的MVR系統(tǒng)在制堿生產中得到成功應用[16]。

MVR技術得到國外水處理領域的廣泛認可和應用。JP Brouwer等[17]進行了冶金工業(yè)廢水MVR技術處理的研究，并進行了成本分析。結果表明，相比于多效蒸發(fā)等方法，采用MVR技術處理冶金廢水成本最低，約為多效蒸發(fā)法的二分之一。Tleimat等[18]建造的MVR廢水處理工藝系統(tǒng)，在蒸發(fā)溫度僅為50℃的條件下，廢水回收率最高達到98.6%。1999年美國通用電氣公司（GE）開始對MVR在重油開采廢水回收蒸發(fā)上的應用進行研發(fā)[19]。目前開發(fā)出的MVR系統(tǒng)已應用于重油開采廢水回收處理中[20]。MVR在濃硫酸回收[9]、海水淡化和新能源利用領域[21]也有應用。

我國有關MVR技術的研究起步較晚，上世紀70 年代末，有研究者對該技術進行了初步試驗，顯示出良好的節(jié)能效果。較早從事MVR技術研究的單位是天津海水淡化與綜合利用研究所，主要研究MVR技術在海水淡化領域上的應用，90年代以來研制出了多套應用于生產的MVR海水淡化裝置。MVR和多效蒸發(fā)系統(tǒng)聯(lián)合，在海水淡化以及沸點升高不大的物料分離領域，能夠取得良好的運行效果和節(jié)能效果[19]。國內制鹽行業(yè)也有多效蒸發(fā)MVR改造的先例。某能化分公司污水處理也采用了單效蒸發(fā)＋MVR工藝，減少了蒸汽消耗。

多效蒸發(fā)與MVR結合在石化化工場景應用較為少見。該文將以某石化腈綸裝置五效蒸發(fā)MVR改造為范例，進行末效二次蒸汽不同壓縮量的經濟性和碳排放量分析。

2 裝置流程簡介

某石化企業(yè)腈綸部在運行的一套丙烯腈裝置采用一步法工藝流程，紡絲凝固浴來的濃度為12%～14%的硫氰酸鈉由管道進入蒸發(fā)加料槽，經五效蒸發(fā)設備進行蒸發(fā)濃縮，關鍵控制參數及技術經濟指標如下表1、表2所示。來源于熱電部的蒸汽，共28 t/h，壓力為0.5 MPa，通過腈綸部透平壓縮機背壓發(fā)電后，壓力降至0.35 MPa，用于多效蒸發(fā)。0.35 MPa蒸汽進入一效蒸發(fā)器加熱管程中加熱蒸發(fā)料液，冷凝水進入冷凝水槽與料液換熱。一效蒸發(fā)器得到的二次蒸汽通入二效蒸發(fā)器作為二效蒸發(fā)器熱源，二效蒸發(fā)器換熱后得到的二次蒸汽通入三效蒸發(fā)器作為三效蒸發(fā)器熱源，以此類推直至五效二次蒸汽進入最終冷凝器。

表1 丙烯腈裝置控制參數

表2 丙烯腈裝置技術經濟指標

3 五效蒸發(fā)MVR改造經濟性核算

蒸汽經過五效蒸發(fā)后，末效二次蒸汽壓力為86 kPa；原流程中直接進入冷凝器冷凝。若將五效蒸發(fā)與MVR相結合，將末效二次蒸汽通入蒸汽壓縮機，為保證經濟效益，壓縮比不宜過大。將二次蒸汽壓縮至0.35 MPa，作為一效蒸發(fā)器的熱源，將大幅節(jié)省0.5 MPa蒸汽用量，但同時需耗用更多電量，并且減少了透平壓縮機發(fā)電的電量。在蒸汽價格與電價一定的情況下，分別采用Aspen Plus模擬得到壓縮機理論軸功率和實際軸功率，按照表2中4 barg蒸汽價格92元/t，年工作時間8 000小時計算壓縮不同蒸汽量的經濟效益。

首先選用等熵法模擬入口蒸汽流量，得到對應壓縮機功率，結果如表3及圖1中藍色曲線所示。實際工況中，對蒸汽流量為5.5、11、22和28 t/h的情況進行壓縮機功率計算，結果如表3及圖1橙色曲線所示。

表3 壓縮機入口蒸汽量與壓縮機電耗關系

由圖1可以看出，隨著壓縮機入口蒸汽量提高，壓縮機功率模擬值和實際值隨之上升。由于Aspen Plus模擬時，壓縮機出口壓力需滿足工藝要求，為一定值，效率設定為定值，因此壓縮機功率與入口蒸汽量呈線性關系?？傮w來說，采用Aspen Plus的模擬值高于實際工況。這是由于實際工況中，不同蒸汽流量下適用的壓縮機機型不同，在蒸汽流量大時的壓縮機功率高于小流量情況。因此當入口流量為11 t/h時，壓縮機實際功率為1 415 kW，高于模擬值1 357.12 kW。當入口流量增大到22 t/h和28 t/h，壓縮機實際功率分別為2 549 kW和2 970 kW，低于模擬值2 714.23 kW和3 454.48 kW。

圖1 壓縮機入口蒸汽量與壓縮機電耗關系

如表2所示，該石化企業(yè)所在地區(qū)0.5 MPa蒸汽價格為92元/t，電價為0.53元/kW·h，在僅考慮蒸汽與電的情況下，多效蒸發(fā)與MVR結合將降低蒸汽使用費用，提高用電成本。由于末效二次蒸汽經壓縮機提壓到0.35 MPa，未達到原流程蒸汽發(fā)電壓力，因此蒸汽發(fā)電效益的減少也應在經濟效益中扣除，因此，多效蒸發(fā)MVR經濟效益可用下式表示：

其中：POR為收益，萬元；M蒸汽為蒸汽收益，萬元；M電耗為壓縮機用電成本，萬元；M發(fā)電為蒸汽發(fā)電效益損失量，萬元。

按照裝置年運行時間8 000小時計算，壓縮機入口流量與經濟收益的關系如圖2所示。

圖2 壓縮機入口蒸汽量與經濟效益關系

由圖2可知，隨著壓縮蒸汽量的上升，經濟效益隨之提高。除壓縮機入口蒸汽量為11 t/h情況外，實際工況下經濟效益均高于模擬經濟效益，與圖1相符。由于實際情況壓縮機功率低于模型計算功率，實際用電成本低于模擬值，因此實際效益高于模擬效益。而入口蒸汽流量為11 t/h時，由圖2可知壓縮機實際功率高于模擬值，用電成本高，因此效益低于模擬值。

由實際效益曲線可知，隨著入口蒸汽流量提高，適用的機組規(guī)模增大，獲得的經濟效益更佳；當全部蒸汽進入壓縮機壓縮時，經濟效益最大，達到每年572.52萬元。由模擬情況和實際工況可知，在各入口流量情況下，經濟效益均為正值，證明在該公用工程價格下，對多效蒸發(fā)流程進行MVR改造可獲得實際節(jié)能效益。

4 五效蒸發(fā)MVR改造碳減排核算

對節(jié)能改造項目應同時考慮經濟效益和碳減排效益，因此對碳減排量進行核算。溫室氣體排放的計量方法主要包含兩大類[22]，即：（1）基于計算的排放因子法和物料平衡法；（2）基于測量的方法。針對全套裝置進行排放統(tǒng)計時，應用“測量法”統(tǒng)計相對困難，因此統(tǒng)一采用排放因子法進行計算。由于經濟性分析中僅考慮了蒸汽和耗電量的變化，為前后統(tǒng)一，碳排放分析也僅考慮蒸汽和電力的碳排放。蒸汽的二氧化碳排放因子的計算遵循GB/T 30251-2013《煉油產品單位能源消耗限額》[23]、GB/T 50441-2016《石油化工設計能耗計算標準》[24]和SH/T 5000-2011《石油化工生產企業(yè)CO2排放量計算方法》[25]的規(guī)定，采用《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》[26]中能源工業(yè)固定源燃燒的缺省排放因子下限進行計算。電力二氧化碳排放因子采用中國生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《2019年度中國區(qū)域電網二氧化碳基準線排放因子OM計算說明》中規(guī)定的華東電網電力排放因子。各排放因子由表4所示。

表4 蒸汽、電力二氧化碳排放因子

在研究范圍內，裝置碳排放量由蒸汽的碳排放量和電力的碳排放量構成，由于裝置電力輸出量降低導致的二氧化碳排放應在其用電場合考慮，不在本裝置碳排放討論范圍，因此裝置的碳減排量可簡化為蒸汽用量減少的碳減排量扣除壓縮機用電造成的碳排放量。按照裝置年運行8 000小時計算，不同入口蒸汽量的碳減排量及噸蒸汽碳減排量如圖3所示。

由圖3可知，碳減排量隨壓縮機入口蒸汽量增加而呈上升趨勢，實際值總體高于模擬值。由于壓縮機實際電耗小于模擬電耗，因此實際電力排放低于模擬排放，實際碳減排效果更顯著。模擬條件下，噸蒸汽減排量穩(wěn)定在787.8 tCO2，受入口蒸汽量變化影響極小。這是由于在計算壓縮機電耗時運用的公式僅與壓縮機出口溫度和蒸汽量有關，在出口溫度恒定時，噸蒸汽碳減排量為一定值；實際工況下，除流量為11 t/h情況外，碳減排量均高于模擬值，噸蒸汽碳減排量先降低再升高，入口流量為5.5 t/h時，噸蒸汽碳減排量為795.36 tCO2，流量為11 t/h時，噸蒸汽碳減排量降至754.46 tCO2，之后隨著蒸汽流量上升，噸蒸汽碳減排量上升。由于碳減排量始終為正值，因此，實施多效蒸發(fā)MVR改造能夠降低裝置碳排放量。在實際運行中，壓縮蒸汽量超過11 t/h后，噸蒸汽碳減排量提高，減排效果更明顯。

圖3 不同蒸汽流量下碳減排、噸蒸汽碳減排量

5 結論

由上所述，將多效蒸發(fā)末效二次蒸汽進行升壓，返回一效蒸發(fā)器的改造在經濟上和碳減排角度是可行的。通過對壓縮機模擬情況和實際工況進行分析，發(fā)現(xiàn)提高壓縮機入口蒸汽流量將增大壓縮機電耗，同時經濟效益和碳減排量也會同步提高。實際工況下，除入口蒸汽流量為11 t/h情況外，壓縮機電耗均低于模擬值，經濟效益和碳減排量高于模擬值，噸蒸汽碳減排量實際值呈先下降后上升趨勢，模擬值為一定值。以上結論表明，在某石化企業(yè)對多效蒸發(fā)進行MVR改造，可以獲得經濟效益和碳減排效益，并且蒸汽流量越大，效益越顯著。

該研究仍然存在一些不足。如僅針對蒸汽和電耗進行了經濟性和碳排放核算，未考慮循環(huán)水等其他公用工程的成本和碳排放，且沒有考慮設備投資等費用；因此，雖然項目能夠取得經濟效益，但靜態(tài)回收期可能過長，項目實施存在難度。該研究僅針對一個石化企業(yè)的公用工程價格進行了討論，結論只適用于該石化企業(yè)；下一步可針對不同蒸汽和用電價格下的“汽電比”進行多效蒸發(fā)MVR改造的經濟性和碳排放邊際分析，研究適用于MVR改造的“汽電比”范圍。