低温余热回收利用

第六部分

低温余热回收利用技术主讲人：尹洪超大连理工大学能源与动力学院教授博士生导师大连理工大学能源管理与节能监测中心主任Tel：0411-8470645413940865971E-mail：hcyin@主要内容一、石化低温余热回收利用概述二、石化低温余热的系统集成优化利用三、石化低温余热升级利用四、热管式换热器五、冷凝水回收六、余热锅炉七、螺旋板式换热器八、强化传热一、低温余热回收利用概述一、低温余热回收利用概述低温余热回收利用原则

1、首先改进降低工艺用能，优化工艺装置换热流程，系统热集成，尽量少产低温余热；2、低温余热的回收和利用必须经济合理、运行可靠。已经发现：有些企业在确定低温余热利用方案时，低温余热的价格确定不合理；另外有时将回收利用的系统管道投资没有考虑。这两方面导致了不合理方案的产生。

3、低温余热的利用应优先级首先考虑长周期运行的同级利用（低温热量直接代替了原有二次能源）；其次考虑全年中部分时间利用的同级利用；最后才考虑升级利用一、低温余热回收利用概述同级利用方式1、作工艺装置重沸器热源，如气体分流装置；2、预热除盐水；3、预热加热炉空气；4、物料的预热、伴热、维温；5、采暖与生活热水。一、低温余热回收利用概述目前，低温余热的主要利用方式为同级利用，这种利用方式的节能效果最显著，并且在相当长的时期内，将仍是该种利用方式。济南分公司全厂性低温余热回收与利用措施，投资2000万元，现在已投用，年节标油20000吨，年效益约6000万元。安庆分公司炼油厂全厂性低温余热回收与利用措施，投资2000万元，节约1.0Mpa蒸汽29t/h，年节标油16000吨，年效益约2442万元。一、低温余热回收利用概述升级利用方式1、发电；2、制冷；3、第二种吸收式热泵；4、作海水淡化热源。一、低温余热回收利用概述

几种低温余热利用方式的折能系数（定义为低温热利用所取代的一次能源量占低温热量的百分比）见下表，目前国内低温扩容发电投用的企业有长岭和锦西炼厂。低温余热利用方式折能系数备注同级利用1.0溴化锂吸收制冷0.45制取冷水温度7~20℃热水扩容发电（带采暖）0.33用水用热媒，热水最高可达130℃正丁烷有机工质发电0.21蒸发温度90.76℃热水扩容发电（无采暖）0.12用水用热媒，热水最高可达130℃二、石化低温热利用系统的集成优化1、对“低温热资源”认识的片面性调查现有冷却器负荷，取某个温度为界限，列出“现有低温热资源一览表”。按此考虑和制定利用计划。但是，“现有低温热资源”不是确定的。其中很大一部分将随能量系统优化而消失，即作为有效利用工艺热流而回收利用。例：某石化企业一蒸馏低温热调查表：减压蜡油122t/h，140--63℃，373万kcal/h减压渣油124t/h，158--109℃，291万kcal/h这些“低温热”在采用热出料措施后将不再存在当前炼油厂低温热利用现状和问题2、当前“低温热利用”存在的问题（1）分散、随机选择和搭配热源、热阱（2）传热温差过大，严重降质利用，（火用）损失大（3）多个热媒循环系统（4）过大循环流量，过小的温升当前低温热利用系统的（火用）分析图炼油厂低温热利用系统优化技术简介2、自适应的低温热利用系统流程图缓冲罐（密闭）补水泵1补水加热器回水冷却器泵2装置（热源）热阱低温热利用系统优化匹配原理图某石化低温热梯级利用系统流程图（部分）某石化低温热梯级利用系统（火用）分析图回水50℃来水124℃某厂十一五节能规划低温热大系统利用优化流程例：后冷调温以水为热媒的低温热利用系统的优化设计

在一定的热源/热阱复合曲线条件下，以热源与热媒水、热媒水与热阱之间的最优传热温差为尺度，求解热源和热阱两条复合曲线在T-H图上的最优相对位置，以及在它们之间代表热媒水循环线的直线的斜率。最优解将给出两个HEN中各个换热器的传热温差和传热面积，以及最优的热媒水循环量和温升。50120615011856505050某企业低温热大系统利用的流程方案图及参数三、低温余热升级利用低温余热发电技术石化企业或钢铁企业的生产过程中常有70℃以上的热水生产，比如高炉的冲渣水温度可达80~90℃，重油催化装置中有大流量的120℃的热水产生。利用热水发电，取决于热水的温度，大约每吨热水可发电1.5~4度电。发电后降温的热水又可以回到生产流程中吸热，循环使用。热水发电技术对热水的水质要求不高，水中的硬度和杂质不影响发电装置的运行，安全可靠，运行操作简单方便。三、低温余热升级利用纯余热发电纯余热发电技术和传统的发电一样,以水为工质用朗肯循环实现余热利用,余热锅炉代替常规锅炉,系统结构简单,运行可靠,初投资较少,系统如下图所示。其缺点是系统的工作受生产线负荷波动的影响大。三、低温余热升级利用纯余热发电系统简图三、低温余热升级利用带补燃锅炉的余热发电带补燃锅炉的余热发电系统是在余热锅炉后面安装补燃锅炉,如下图

所示。在余热锅炉中生产的低压蒸汽或者高温水,经过补燃锅炉加温加压,提高蒸汽参数,在汽轮机中做功。带补燃锅炉的余热发电系统的装机容量可以通过调整补燃锅炉的容量来达到所需的功率,设备可以采用标准系列产品,技术成熟可靠,该发电系统不受余热供应的制约,避免了生产线负荷波动对机组稳定运行的影响,可延长机组的寿命。其缺点是投资较高,系统较复杂,运行成本较纯余热发电系统高。三、低温余热升级利用带补燃锅炉的余热发电系统简图三、低温余热升级利用有机朗肯循环余热发电当余热温度低于370℃时,以水为工质的朗肯循环不能有效地回收余热,可以考虑有机朗肯循环(OrganicRankineCycle,简称ORC)余热发电技术。有机朗肯循环以低沸点的有机物为工质来吸收废气余热,产生一定压力和温度的有机物蒸汽,进入汽轮机膨胀做功,汽轮机的排汽在凝汽器中凝结成液态的有机物。三、低温余热升级利用相对于常规朗肯循环，有机朗肯循环具有以下优点:1、有机工质沸点低,对较低温度的热源,能源利用效率更高;其比容小于水蒸汽,所需汽轮机的尺寸、排气管道的尺寸以及冷凝器的换热面积都较小;它的凝固点低,在较低温度下仍能释放出能量,这样,寒冷天气可以增加出力,冷凝器也不需要防冻设施。2、在膨胀做功的过程中,从高压到低压始终保持在干蒸汽状态,可以消除湿蒸汽对汽轮机所造成的腐蚀破坏,更有效地适应部分负荷运行及大的功率变动。3、在缺水地区,ORC电厂优先使用空冷凝汽器,比水蒸气电厂使用的空冷凝汽器体积小得多,价格也低得多;有机工质冷凝压力高,系统在接近和稍高于大气压力下工作,不需要真空抽汽系统。4、有机工质的声速低,在叶片轮周速度很低时就能获得有利的空气动力特性,在常规转速下就具有较高的轮机效率。三、低温余热升级利用目前国内主要采用二级水扩容动力循环方式发电，这种方式的优点是运行可靠，缺点是效率低；据报道，国外采用有机工质动力循环方式，这种方式的优点是效率较高，缺点是可靠性差；以某炼油厂催化裂化6条低温物流提供低温热28.7MW，延迟焦化装置2条物流提供7.6MW为例。工艺流程图项目水有机工质工质进余热源温度℃4935工质出余热源温度℃14689.65工质吸热量MW36.235.4透平进口初温℃108.289.65透平出口温度℃3649发电机功率kW30003800供热量kW6768辅助系统功率kW7801122净输出功率kW22202678净发电效率%6.17.6混合工质余热发电可以考虑采用混合工质来代替单一工质进行余热回收,这样可以更好地回收中低温余热。以NH3-H2O混合物为工质的卡林纳循环系统如下图所示。三、低温余热升级利用卡林纳循环低湿余热发电系统简图混合工质余热发电

70%的氨水溶液经过给水泵加压、预热器升温之后,进入余热锅炉中加热,产生浓度为70%的过热氨水蒸汽,进入汽轮机做功,汽轮机排汽经过蒸馏器冷却,然后被浓度为34.59%的贫氨溶液(b股)稀释为44.81%的基本溶液(c股)，进入吸收器中凝结；离开吸收器的饱和液体经凝结泵加压,一部分(d股)经过再热器和蒸馏器升温后,进入分离器,在分离器中分离出96.85%富氨蒸汽(f股)和34.59%的贫氨溶液;34.59%的贫氨溶液经再热器冷却和节流阀降压,与70%的工作溶液混合形成44.81%的基本溶液;96.85%的富氨蒸汽经预热器冷却后,和另一部分基本溶液(e股)混合为70%的工作溶液,然后凝结为饱和液体,再经给水泵送到余热锅炉,完成一个循环过程。三、低温余热升级利用混合工质余热发电

混合工质的蒸发过程是变温过程，相对于单一工质循环的定温蒸发而言，其吸热蒸发过程更接近热源的放热过程线，这样可以减小换热过程的平均换热温差，降低不可逆损失，提高循环的效率。对于不同的余热热源，可以根据其放热特性，选择不同组分、不同浓度的混合物，使工质的吸热过程与热源的放热过程达到最佳换热匹配。三、低温余热升级利用制冷低温热制冷主要采用溴化锂形式，制取的冷水温度为7-20℃。低温热制冷的主要途径：生活制冷（空调）；生产制冷：

1、催化裂化装置吸收稳定系统；

2、延迟焦化装置吸收稳定制冷；

3、气体分馏装置；

4、其他工艺装置等。三、低温余热升级利用制冷低温余热在夏季的回收利用，是石化企业在余热利用方面进一步节能挖潜的重点。就夏季石油化工企业的生产状况来看，夏季余热回收利用的有效途径之一就是用于制冷。三、低温余热升级利用低沸点工质蒸汽喷射式制冷装置分析工作原理及组成就制冷原理而言,低沸点工质的蒸气喷射式制冷与水蒸汽喷射式制冷方式相类似,即以喷射器代替压缩机,以消耗热能来实现制冷。但低沸点工质的蒸气喷射式制冷以低沸点制冷剂作为工质,使其所需工作热源温度大大降低,这就为低温余热的回收利用创造了条件。低沸点工质的蒸气喷射式制冷装置图中喷射器构成如图喷射器结构示意图所示。蒸气喷射式制冷装置的一个关键设备。该制冷装置工作时,热水通过加热器加热来自工质泵的液态低沸点工质,并使之成为具有较高压力的饱和蒸气(称其为工作蒸汽)。工作蒸汽经喷射器喷嘴膨胀加速,在喷嘴出口截面降压至低于蒸发器蒸发压力,并高速从喷嘴流出(为超音速流动),从而不断卷携由蒸发器进入喷射器吸入室的压力较低的低沸点工质蒸气(称为引射蒸气)。此后,工作蒸气与引射蒸气在喷射器混合室中混合、经扩压室减速升压后进入冷凝器,工作蒸气在整个喷射器中的流动力一降压熵增过程,引射蒸气的流动则为一升压熵减过程,混合后的工作蒸气与引射蒸气在冷凝器中被冷却水冷凝为过冷液体。流出冷凝器液态低沸点工质,其中一部分被工质泵升压后送回加热器,用以产生工作蒸气;另一部分通过热力膨胀阀节流减压后进入蒸发器,在蒸发器中吸热蒸发制冷,制取所需温度的冷水。低沸点工质蒸汽喷射式制冷装置分析制冷装置设备组成和工作原理图三、低温余热升级利用低沸点工质蒸汽喷射式制冷装置分析喷射器结构示意图三、低温余热升级利用低沸点工质的选用及其物性对装置性能的影响

低沸点工质蒸气喷射式制冷装置的已有研究结果均基于CFC-11氟利昂制冷剂,CFC-11在常压下的沸点温度比较高,而冷凝压力又比较低,有利于制取0℃以上的冷媒水,且在工作蒸汽温度一定的情况下,循环的各项性能指标(如理论引射系数μ和热力系数ξ)均比较优越。但CFC-11对大气臭氧层有破坏作用,加剧地球温室效应,现已属于停止生产和禁止使用的制冷剂。HCFC-123作为CFC-11的替代工质,有着较为相近的物理性质(见下表),其ODP和GWP值有了显著的降,HCFC-123对大气臭氧层的破坏性仅仅是CFC-11的1/50,其内在稳定性使其在较低的大气层中就会全部分解而不致到达臭氧层,所以HCFC-123具有良好的保护大气层的特性,是蒸气喷射式制冷装置最理想的替代制冷工质。三、低温余热升级利用制冷剂物理性质制冷工质HCFC-123CFC-11分子式CHCl2CF3CCl2F常压下沸点(℃)27.623.7临界温度(℃)184.0197.78临界压力(kg/cm2)37.4844.6常压下的气化潜热(kJ/kg)167.68181.79ODP0.0161.0GWP0.090.32低沸点工质的选用及其物性对装置性能的影响以石油化工企业大量存在的80-90℃的低位能余热为热源,所需制冷量836.8MJ/h为例,按制冷装置设备组成和工作原理图所示，低沸点工质蒸气喷射式制冷装置所得理论循环计算结果如下表所示,可以看出:该制冷装置在冷、热源温度相同的条件下,以HCFC-123为工质时装置循环的各项性能指标在理论上均与以CFC-11为工质时的基本一致,其在理论上完全满足制冷装置的使用要求。三、低温余热升级利用理论计算结果项目单位HCFC-123CFC-11制冷量kW232.6232.6工作蒸气温度/压力℃/kPa

78/465478/495.7工作蒸气流量kg/s5.554.82蒸发温度/压力℃/kPa11.5/53.711.5/64引射蒸气流量kg/s1.511.42冷凝温度/压力℃/kPa35/130.335/147.7引射系数0.2720.294冷水进/出口温度℃18/1318/13冷水流量t/h33.533.5热水进/出口温度℃85/76.885/77.2热水流量t/h128.9119.6冷却水进/出口温度℃32/33.532/33.5冷却水流量t/h684.3631.7热力系数0.2160.245制冷装置工质泵的选用及换热设备的高效、轻量化

低沸点工质的蒸气喷射式制冷装置,其制冷辅件目前尚无与之配套的定型产品,只能以已有压缩式制冷装置的辅件作为配套件。由于制冷装置工质泵工作时,要靠制冷工质本身来冷却,且必须长周期地无润滑的条件下工作,工质泵性能的优劣将直接影响到其工业化制冷装置的性能和经济性。为此工质泵的选型极其重要,目前有磁力泵、屏蔽泵等可供选用,既不会造成工质泄漏,又能满足需要。加热器、冷凝器和蒸发器作为低沸点工质的蒸气喷射式制冷装置的主要设备,其换热性能的优劣,将直接影响到制冷装置的工作性能和制造成本。已有试验装置和样机均采用常规的管壳式换热器,造成制冷装置体积和重量较大。一次弃灌工质较多。且在石化企业用于工艺制冷时,考虑到现场改造场地的诸多限制,为此,有必要在满足制冷工质在换热设备中的流动阻力降要求的前提条件下,选用高效、轻量化的板式换热器、高效管壳式换热器作为其换热设备。制冷装置的系统优化及放大效应的研究

目前对低沸点工质的蒸气喷射式制冷已有的理论和实验研究,大都还停留在实验室台架试验或小规模的工业试运行阶段,要将低沸点工质的蒸气喷射式制冷技术经济地应用于石化企业的余热回收,现有试验装置的规模是远远不能达到大规模余热回收的目的和石化企业对余热回收经济效益的要求。因此要通过小型装置和中试装置的递级放大研究,对影响系统正常运行和性能发挥有着极其重要作用的制冷装置中喷射器出口至冷凝器入口流动阻力降和蒸发器出口至喷射器吸入口流动阻力降的特性及相关设备进行深入细致的研究和考核,探索低沸点工质的蒸气喷射式制冷装置工业放大和系统优化的规律,为最终在石化企业的大规模工业化应用奠定基础。低沸点工质蒸汽喷射式制冷装置的经济性分析将以HCFC-123为工质、制冷量为836.8MJ/h低沸点工质蒸气喷射式制冷装置直接用于石化企业的低位能余热回收中,全年节能经济效益按夏季供冷130d计算,运行时每天24小时均处于满负荷工作状态。其中标准燃料油按0.25万元/t,耗电按0.5元/kWh计。低沸点工质蒸气喷射式制冷装置所需冷却水由石化企业已有冷却水管网提供,采取大流量小温升的使用方法,使冷却水在该制冷装置中升温不超过2℃,排出后利用管道泵升压后仍进入原冷却水管网,继续供生产装置使用,故此项运行费用仅考虑管道泵对冷却水升压时的耗电费用。折合节约蒸汽量以假设采用蒸汽型溴化锂吸收式制冷机制取相同冷量所需蒸汽量计算而得。最终计算年净收益为69.91万元。低沸点工质蒸汽喷射式制冷装置的经济性分析项目单位数量折合金额（万元）回收热量折合标油t232.258.05折合节约蒸汽量t9366.08工质泵耗电量kWh2.21.1冷却水升压泵耗电量万kWh9.364.68净效益万元69.91经济效益表热泵热泵分压缩式和吸收式两种形式：压缩式热泵主要在气体分馏装置上使用，将丙烯塔顶的低温热压缩后做塔底热源，但目前该种形式的热泵在炼油厂没有新的应用，原因是低温热直接做热源，节能效果大大提高。

吸收式热泵有两种形式：

第一种需要较高温位的低温热，温度约为（120℃~130℃），使更低温位（20~50℃的低温热温度提高30℃左右，这种热泵一般对炼油厂不合适。

第二种方式是不需要较高温位的低温热，仅耗少量的泵功，就可使70~90℃的低温热升高至150-200℃，这种方式一般称为吸收式变热器AHT

，在炼油厂是非常实用的一种节能措施。三、低温余热升级利用

AHT工作原理在蒸发器中,管外的冷剂水被管内的热源加热蒸发成冷剂蒸汽,然后进入吸收器被来自发生器的溴化锂溶液吸收,吸收过程中释放出的热量将流过吸收器传热管内的水加热,从而获得所需要的热量;吸收冷剂蒸汽后得到的稀溶液流出吸收器