1、国内外低温余热回收技术应用现状及建议贾春雨 乔文霞大庆石化公司科技信息处科协黄文姣大庆石化公司化工一厂裂解车间国内外低温余热回收技术应用现状及建议摘要：介绍了石化企业低温热回收利用的一些现状及技术,首先是直接里利用也就是同级利用，然后是升级利用，如利用朗肯循环的余热发电、热泵、制冷、液力透平和变热器等其他技术,将低温余热升级利用。对石化企业低温热的利用提出了建议。关键词：石化企业 低温余热回收技术 同级利用 升级利用1 前言现在节能工作已成为世界性的课题。随着国民经济的快速增长,能源需求日益增加,供需矛盾逐渐突出。为保证经济的可持续发展,国家已将资源节约作为一项基本国策。作为能源加工转换单位的
2、石化企业,一方面为社会提供了大量可利用的能源,同时也消耗了大量能源,是石化行业开展节能工作的重点。近年来随着装置技术进步和先进节能技术的应用能源利用水平有了大幅度提高,但大部分装置间的热联合、低温余热利用等方面还存在巨大的节能潜力。在节能工作不断深入的今天,欲降低装置及全公司能耗,低温余热回收是必不可少的一个方面。低温余热的回收利用不但可以代替所消耗的高质量热源,同时可以降低相关部位的冷却负荷,降低循环冷却水和空冷电耗,对降低能源消耗具有重要义。炼油和化工行业既是生产能源和基础原材料的工业，又是高能耗工业。炼油、石化和化学工业仍然存在着减少能源消费的巨大机遇，在化学加工过程中，为转化而作为能源
3、使用的燃料 50%以上损失掉了，这种损失通过改进能量产生、分配和转化可使其减少。通过能量回收也可使损失减少。美国能源部正在通过“2020 年梦想计划”推进能源节约，由公司、政府部门、大学和专业组织组成的联合体正在共同开发一些技术，以解决工业问题。一些致力于节能的项目可取得很大的效果，例如，包括陶氏化学、普莱克斯、休斯敦大学和科克-格律希公司组成的集团开发的成果，已使现有填料式蒸馏塔器的能效提高 10%20%、塔器能力提高 5%10%和热回收提高 10%20%。我国提出到“十一五”末单位国内生产总值能耗比“十五”末降低 20%的目标，作为耗能大户的石油和化工行业节能大有潜力。据统计，2004 年
4、石油和化学工业消费各种能源折标准煤 27921.8 万吨，其中油气开采业消费 3627.7 万吨，石油加工为 3060 万吨，化学工业消费 21234.1 万吨。根据对 7 种主要产品节能潜力的分析，到 2010 年，如果采用的技术措施到位，产量达到预计目标，我国石油和化工行业可以节约 1200 万1300 万吨标准煤。炼油 ：目前国际上炼油综合能耗最好水平已达 53.2 千克标油/吨，而我国平均在 78.4 千克标油/吨。2004 年中国石化集团炼油厂加工原油平均能耗为 73.47千克标油/吨（10055 千克标油/吨范围） ，比亚太地区炼厂平均水平 61.25 千克标油/吨（2003 年）
5、高出 20%，比世界跨国公司先进水平 50 千克标油/吨高出47%。节能潜力巨大。其原因是我国装置规模较小、设计水平低、工艺相对落后、整体用能和装置之间用能的匹配性差。如以 2010 年我国原油加工量达到 4 亿吨，单位能量因数耗能 11 千克标油测算，2010 年可以比 2004 年节约 280 万吨标油。具体的节能措施是：生产装置内部进行能量系统优化改造；实施装置之间热联合的过程优化技术改造及蒸汽动力系统、储运系统低温热回收利用的优化改造，优化管网运行；合理使用伴热蒸汽（或热水） ，加强凝结水回收，实现能位逐级和多次利用；大力推广应用高效节能环保型燃烧器、变频调速技术等。乙烯：近年来我国乙
6、烯装置物耗、能耗水平虽然有了明显提高，但与国外先进水平相比仍有较大差距。国外乙烯能耗一般为 500550 千克标油/吨，先进水平为 440 千克标油/吨，我国生产 1 吨乙烯比国外一般水平多耗能 150200 千克标油。如以 2010 年我国乙烯产量达到 1600 万吨，乙烯综合能耗达到节能中长期专项规划要求的 650 千克标油/吨测算，2010 年比 2004 年节约 80 万吨标油；如乙烯综合能耗能降到目前国外一般水平 550 千克标油/吨，则 2010 年将比 2004年节约 240 万吨标油。节能措施：采用能量系统分析与最优综合的方法，以降低乙烯生产过程用能为目标，通过优化原料结构，以
7、及生产过程用能集成优化，用先进控制技术实施装置优化运行和控制，对主体设备裂解炉、压缩机等的关键技术（分离技术、催化剂等）优选改进，有效降低原料和能耗。合成氨：我国合成氨产品能耗的平均水平不高，目前引进合成氨装置能源利用率在 56%左右，而国外先进水平在 70%左右，吨氨节能潜力为 280 千克标煤。对于大中型合成氨装置而言，目前以煤、焦、油、气为原料的合成氨能耗平均为1900 千克标煤左右，国内先进水平 1700 千克标煤，吨氨节能潜力为 200 千克标煤。如果今后改造大中型合成氨装置，扩大规模，采用德士古法生产，吨氨能耗达到1650 千克标煤，节能潜力为 250 千克标煤/吨。 “十一五”期
8、间，我国部分小型合成氨企业生产能力将扩大升级为中型和大型企业，随着节能技术进步，小型企业能耗将逐年下降。经分析测算，以煤为原料的吨氨节能潜力为 300400 千克标煤；以天然气为原料潜力为 150200 千克标煤；以油为原料的潜力为 200300 千克标煤。 “十一五”期间，我国合成氨生产系统通过节能技术改造，预计“十一五”末综合能耗平均下降 100 千克标煤/吨，达 1600 千克标煤/吨；2010 年合成氨产量将达 4900 万吨，节能 490 万吨标煤，减少 CO2 排放量 1180 万吨。2 低温余热利用的途径及技术低温余热(差压余能)利用技术是深入节能的重要领域。低温余热的利用有同级
9、利用和升级利用两种方式。2.1 同级利用同级利用就是根据低温热源的温位,选择适宜的用户利用低温余热直接或间接代替高、中位热源,不仅可以避免使用高、中位热源所造成的过大温差能量传递损失,而且可以把高、中位热源顶替下来,达到节能降耗的目的,是低温余热利用中最具有吸引力的方案。一是加热装置低温物流，另一种是加热生活用水。2.2 升级利用升级利用是指利用朗肯循环的余热发电(或作功)，包括低压蒸汽透平发电和利用低沸点有机工质借助朗肯循环发电(有机朗肯循环热机)、热泵(如吸收式热泵和化学热泵)、吸收式制冷(如溴化锂吸收制冷)、液力透平(国外认为能连续回收19kW 功率也有节能潜力)。对于时代的发展，科技的
10、进步，对低温余热回收技术又有了许多新的改进技术。大多数低温余热技术都是用来发电，低温余热发电技术与大中型火力发电不同，低温余热发电技术是通过回收石化、石油等企业持续不断的向大气环境中排放的中低温费蒸汽、烟气所含的低温热量来发电，它将企业，在生产环节产生的废弃的热能转换为高级能源电能，因此它是一项变废为宝的高效节能技术，不仅投资成本低，而且经济效益显着。为大型企业余热回收利用，节能降耗，找到一条有效的途径和方法。3 当前石化企业低温余热利用技术应用的现状3.1 利用朗肯循环低温余热发电3.1.1 有机工质朗肯循环系统的工作原理由余热锅炉换热器、透平、冷凝器和工质泵四大部套组成。余热流在换热器中放
11、热给有机工质，工质由于吸热而成蒸汽。这种蒸汽通过透平膨胀作功, 从而带动发电机发电或拖动其它转动机械。从透平排出的蒸汽在冷凝器中向冷却水放出热量而凝结成液体，从而借助工质泵重新泵回换热器，如此不断循环就能发电或产生动力。由于系统技术简单、热回收性能好及透平尺寸小、无湿蒸汽区等特点，特别适用于低温和中、小容量的能量回收。1.全流式透平目前全流式透平机组在国外发展较快,它适合于低温余热回收后发电。因其工质没有汽化过程,只升温吸热,故热效率和发电效率高,透平也较简单。如采用45水做工质,与低温热源换热,将水加热100至110,进入全流式透平,水在透平中降压作功, 同时随手力降低而汽化为蒸汽,蒸汽也作
12、功,排出的水汽混合物进入冷凝冷却器(0.08)绝压,温度降至45,用泵再送去与低温热源换热,形成一个循环。用水作工质,安全可靠,又易于回收分散的低温余热,对工艺生产过程的变化适应性强。2.两相透平两相式透平是全流式透平的背压形式,它是功热并产的机组。这种透平适用于中、低温余热联合回收利用，也适合于生产工艺过程中降压汽化的能量回收。工质进入透平后，通过喷嘴提高流速,将压力能变为速度能。这时工质由液相变为汽液混相，做功后排出透平，汽液混合物分离后分别供热。或者将汽相再进入湿汽轮机冷凝做功，这时就是复合式透平机组,这种机组的肯朗循环效率可高达20%。对于透平，蒸汽透平和燃气透平市场的主要竞争者有：通
13、用电气、西门子、阿尔斯通、三菱重工、日立和东芝。投标资格预审合格的锅炉制造商包括：美国B而且在相同制冷温度下,COP值比传统吸收制冷提高36%55%,实现了吸收制冷最低温度的突破,在低温吸收式制冷循环研究领域达到了国际领先水平。3.3 制冷余热回收技术余热制冷是一种以工业余（废）热为热源制取7C以上冷冻水，用于空调或工业冷却，或将低于100C的低温热源的温度提升4060C，再用于工业生产，是一种能大幅度提高企业能源利用率，达到节能、节水、减少温室气体排放、减少热排放目的的高新技术。余热制冷系统耗电只占制冷机输出功率的23%，比电制冷节电7080%，可节约大量一次能源。大幅度提高一次能源的利用率
14、，提高幅度约10%。 减少煤、石油的使用，可减少CO2、NOX等有害气体及温室气体的排放，改善环境条件。制冷机以溴化锂-水为工质、无毒无臭、运行安全可靠、不污染环境、更不象氟利昂（CFCs)对大气层造成破坏。低温余热制冷可广泛应用于石化企业、回收65C以上热能并得到有效利用的高新技术。溴化锂吸收式制冷已成为石油化工厂低温余热利用的一项有效措施。苏联涅日科姆斯克石油化工厂使用AXA-5000溴化锂吸收制冷装置，使用90 热水为热源，将澄清的河水冷却至 进往工艺车间使用。国内石油化工生产中用低温余热作热源推广应用溴化锂制冷也取得较好经验。如燕山石化公司向阳化工一厂第二聚丙烯车间余热利用于二台XZl
15、5O型溴化锂制冷机，制取7 冷冻水。一台用冷凝液闪蒸产生低压蒸汽制冷15O万千卡/时,另一台120冷凝水冷却至1O0，制冷50万千卡/时。上海溶剂厂利用排放的1O7废甲醛溶液为热源制冷30万千卡/时，和原压缩式制冷相比每年节电50万千瓦时，使甲醛生产电耗降低50%。金陵石化公司烷基苯厂的烷基苯装置C一406塔换热后的热水约120左右，冬季已将此热水用于厂内采暖，现拟此热水为热源，夏季采用溴化锂制冷50万千卡/时，取代33台空调和部分电扇，预计每年可节电66万千瓦时。某公司炼油厂投运的双温双级氯吸收制冷，是以15公斤/厘米 蒸汽或125130 热水为热源，其制冷量30万千2卡/时，投运以来满足了
16、冷藏、冷饮需要，与压缩机冷相比，每年节电35万千瓦时。溴化锂吸收式制冷石油二厂催化裂化分馏塔顶余热利用，兰州化学工业公司石油化工厂低压蒸汽利用阳岳石油化工总厂锦纶厂环己酮反应余热利用。3.4 液力透平余热回收技术在石化企业中，特别是炼油中液力透平的采用是节能的有效途径，气体膨胀透平和液力透平是利用流体压差回收动力的节能措施。国外认为液力透平小到能连续回收19千瓦功率亦有节能吸引力，投资回收率限仅0515年。日本三菱油化安装于流体分别为水、CO气体吸收液管路上的四台液力透平，发电功率为21，26、34、44千瓦。金陵石化公司化肥厂台成氨装置中用CO 吸收塔和再生塔的2压差驱动液力透平(功率为61
17、0千瓦。)另外，该公司炼油厂加氢裂化装置中高压分离器和低压分离器之间压差151公斤/厘米 。用一台液力透平回收这部分能量，功2率为545千瓦。除应用液力透平回收能量外，还可用气体膨胀透平回收能量。该公司化肥厂和中科院合作，研制气体膨胀发电机组回收合成氨生产中驰放气的压降损失的能量，回收功率127千瓦，每小时可稳定发电100千瓦。大庆石化公司炼油厂引进的国内首台高温高压液力透平节能设备，在120万吨/年加氢裂化装置运行。该设备的投用，年可节电249万度，节约电费142万元，降低装置能耗1.51。该高温高压液力透平设备由大庆石化公司炼油厂从日本荏原公司引进，用于起到回收加氢裂化装置压力能的作用。该
18、120万吨/年加氢裂化装置是大庆石化公司炼油厂2004年8月投入生产的新装置，该装置原设计中热高分油液体出入口温度为230，入口压力为13MPa，为高温高压，而国内同类企业该装置一般不回收或不能回收高温高压介质的压力能。该液力透平出入口压差为11MPa。液力透平动力回收技术在茂名、南京、金山加氢裂化中都有应用。3.5 低温节能型吹风气余热回收技术主要用于化肥企业，从目前合成氨行业造气吹风气微正压密封燃烧技术生产实践结果看，低温吹风气达到CO完全燃烧程度，可由高温燃烧(850)、中温燃烧(760850)及低温燃烧(350)、可燃气体组分含量较高的有利条件，避免对助燃气量的依赖，实现自热蓄热和自燃
19、。吹风气低温燃烧是在间歇式固定床气化炉提高吹风效率后，吹风气送烧温度低(300)、CO含量也低的情况下，科学地利用非预混燃烧分次、分段进行合理配风，达到自热、蓄热、自燃，从而使吹风气在少量助燃气或无助燃气助燃的前提下，实现CO低温完全燃烧。(1)低温吹风气采用非预混燃烧。以避免与二次风全预混形成爆炸性气体，既安全又不存在吹风气预混器造成的局部阻力降(2)采用上燃式，即低温吹风气从燃烧炉上部(顶部或侧面)进气，低温(400)起燃，使格子砖体蓄热不再存在高阻力降。甚至堵塞、烧结、塌顶等缺陷。(3)非预混上燃式蓄热型燃烧炉采用双层矮胖型，与同炉容的直筒炉相比，烟气下行所需压力大幅下降；增加的平行段烟
20、气阻力小于下行段；增加的烟气上升段，更因其有上升力而使总烟气阻力下降。(4)对于含CO体积分数46、温度300的低温吹风气，不用合成弛放气助燃的低温(760)完全燃烧技术，可使矮胖型燃烧炉的炉内非蓄热格子砖体的烟气阻力降降低，并且通过非预混配风技术，可将最高温度定点至燃烧炉出口，直接用于多产蒸汽和增加吹风气带出物，入炉部分被燃量。(5)改变原吹风气余热回收装置的结构形式，在锅炉机组外、燃烧炉补燃段处增设水冷壁式补燃器，并形成一个独立的水循环系统。其主要的作用是直接吸收合成弛放气的辐射热来生产53MPa蒸汽，且先于水冷段来保护蒸汽过热器，实现了原始开车时无需引入外界蒸汽来保护蒸汽过热器的目的；同
21、时可将合成弛放气燃烧生成的烟气温度降低至1000，这不仅达到了提高合成弛放气热回收率的目的，而且也消除了吹风气夹带熔融煤灰而导致炉管外挂焦的温度条件，这对次高压吹风气余热锅炉实现长周期稳定运行具有特殊的意义。吹风气余热回收装置生产的次高压蒸汽量达20th(5.3MPa，475)，折合每吨合成氨节约标煤121.48kg，全年节约标煤19436t，节能效果显着。同时本装置所产的高品位蒸汽先发电后供造气工序使用，实现能量升级利用，仅此项回收利用蒸汽焓差能量可发电约3000kWh，提高了余热回收的利用价值。因在吹风气余热回收装置尾部安装了静电除尘设备，故吹风气完全燃烧后的烟气经静电除尘器处理后能达标排
22、放。因此，吹风气余热回收装置的建设，将大幅度减少造气工序有害气体和粉尘的排放，对环境保护有积极意义，实现环保节能清洁生产的目的。低温节能型吹风气余热回收技术具有流程简单、生产操作方便、炉温稳定、设备紧凑、系统阻力小、热能回收率高和节能环保效果好等优点，取得了良好的经济效益。低温节能型吹风气余热回收技术具有技术先。进、安全稳定和节能环保效果明显等优势，该装置的成功应用，符合当前国家提出的“减量化、再利用、资源化”的循环经济发展模式的要求，对合成氨工业的发展具有重要的参考价值，是一项值得推广应用的节能新技术。3.6 无露点腐蚀水热媒烟气低温余热回收技术主要为烟气低温余热的回收，天津石化采用一新型烟
23、气低温余热回收技术。由于采用了一种新型烟气余热回收技术，8 台加热炉的平均热效率由 88%提高到了92%，这种新型技术叫做无露点腐蚀水热媒技术。在石化企业中各种加热炉是重要耗能设备，约占全厂能耗的 3060，其中采用各种余热回收设备（如空气预热器、省煤器等）回收烟气低温余热，降低加热炉排烟温度是最有效的节能手段。各种烟气余热回收设备受低温露点腐蚀问题困扰，难以长周期、安全、高效运行，也难以适应加热炉燃料、负荷、工艺参数变化等。利用带压除氧水作为热媒（中间热载体） ，设置一个封闭或开放式热交换系统，回收烟气中余热，预热加热炉助燃空气、余热锅炉汽包上水或工艺介质。通过一套简单的调节控制手段，使与烟
24、气换热的热媒水进口温度在烟气露点温度之上，从而彻底避免了露点腐蚀。它将需要进行热交换的冷、热介质彻底分开，设备具有布置灵活，占地面积小、改造工作量小等优点；使用寿命超过 8 年，满足了设备长周期运行要求。水热媒系统虽然增设了热水循环泵，但取消了引风机，降低了运行费用。水热媒余热回收设备采用模块化箱式结构，水热媒余热回收设备受热面积灰是干灰，管排顺排布置，避免积灰搭桥，有利于清灰。3.7 热管余热回收技术热管是一种新型、高效的传热元件，其内部是靠工质循环实现热量传递，它的当量热导率可达金属的 103-104 倍。以热管为传热元件的热管换热器较其他型式换热器具有独特的优点，在利用热能、回收废热、节
25、约原料、降低成本等方面，特别适用于中低温的余热回收，广泛应用于锅炉余热回收，取得了明显的节能效果。3.7.1 热管的工作原理热管是一个封闭系统，由管壳、吸液芯和工质组成(如图 1 所示)。管壳通常由金属制成，两端焊有端盖，管壳内壁装有一层由多孔性物质构成的管芯(若为重力式热管则无管芯)，管内抽真空后注入某种工质，然后密封。热管利用工质相变的物理过程，以潜热的形式传递热量。当热管的蒸发段被加热时，管内的工质吸收潜热被蒸发，变成蒸汽，压力增大后沿中间通道流向另端，蒸汽在冷凝段接触到冷的吸热芯表面，冷凝成液体并放出潜热；工质在蒸发段蒸发时，其汽液交界面下凹，形成许多弯月形液面，产生毛细压力，液态工质
26、在管芯毛细压力和重力等的同流动力作用下义返同蒸发段，继续吸热蒸发，如此循环往复，工质的蒸发和冷凝便把热最不断地从热端传递到冷端。螺旋槽管其强化传热的机理为：壳程流体在非传热界面的区域，如管问支撑物的局部地区，形体阻力损失很小，而大部分的流体压降町用米促进传热管传热界面上的流体湍流，能以较低的流体输送功获取较高的传热膜系数；螺旋槽管可利用粗糙的传热肋面来促进流体边界层的湍流度，减薄传热滞流底层厚度，从而强化边界层传热，螺旋槽管明显地强化了管内传热，同时，对于管外流体横掠管束而占，螺旋槽管表面的凹槽有利于边界层流体的分离和强化流体的扰动。因此，管外流体的换热能力也有所提高。节距 P 和槽深 e 是
27、影响螺旋槽管传热的主要因素。当节距一定，槽道越深或当槽深一定，节距越小时，螺旋槽管强化管外凝结换热的效果越显著。降低了层流热阻，提高了液流传热系数，但同时也提高 r 液流的扰动性，使液体微团间产生相互混合掺混摩擦，消耗 T 部分能量，故而流阻高于光管。槽道深度对液膜厚度的影响非常明显，在浅槽范围内，槽道越深，液膜越薄且均匀一致，强化传热的性能越好。3.7.2 热管的工作原理余热锅炉与常规余热锅炉相比，前者更具有明显的优越性，其体积紧凑，传热效率高，结构简单，维修方便，更重要的是如果单根热管破坏不影响设备运行，提高了设备长期运行的可靠性。不论是采用高温空气预热器方式还是采用高温热管蒸汽发生器方式
28、，烟气温度可将至 2OOC 以下，这对大型加热炉的热回收率的提高有很大意义。国内外许多加热炉采用了余热锅炉和空气预热器相结合的流程来回收烟气的高温余热。即首先将高温烟气通过余热锅炉降至 500600温度范围。产生193MPa 的蒸汽，降温后的烟气通过空气预热器将空气预热至 250，烟气温度降至 300以下进入热管省煤器，将 105的脱氧水加热至 250左右。烟气温度降至 300以下，经引风机送至烟囱排放。这种流程的优越性在于，余热锅炉可以以较少的设备投资回收烟气高温部分的余热，所产生的蒸汽如果可以外销则在极短的时间内收凹投资，空气通过预热器可以加热至 300以上，一次能耗可以节约 14-18，
29、这是最合算的流程，如果采用蒸汽透平发电，再将背压蒸汽外销，也是一种经济效益很好的方案。热管空气预热器和热管省煤器可以在较低的条件下充分发挥其传热效率高和体积紧凑的特点。3.8 变热器余热回收技术吸收式变热器是国外近年发展的一种低温热回收利用技术。通过变热器将低温热(如90热水)转化为两部分,一部分转化为较高温位的热量，用作加热热源;一部分降质为废弃的低温热量,通过冷却排弃。我国已将变热器技术列入高科技研究项目,研究的焦点是选用合适的工质,其难点是制取200左右的热量。目前普遍认为以含TFE(2,2,22三氟乙醇) 的混合物作为工质较适宜。制取150热量的变热器在目前吸收制冷技术的基础上加以改进
30、即可实现。中国石化集团公司某橡胶厂已开展了变热器的工程应用实验,低温热水温度提高3040 ,取得了满意效果。4 结论和建议国内外低温余热回收技术方兴来艾，虽然目前还存在一些需要完善和提高的问题，但实践证明它有着广阔的应用领域。在回收利用低温余热过程中要注意以下几个问题，(1)余热回收利用不但需要投入资金，而且要增加运行管理环节。因此，企业的注意力首先应放在应用新工艺、新设备、新技术，新材料方面，尽量减少余热的排出量，达判节能的目的。如果一个企业不去考虑提高设备的运行效率，而靠回收损失能量来减少能源消耗，是不合适的，是本末倒置。同样，余热回收也要讲究实效。(2)挖掘低温热源,重点做好生产装置80 以上冷却物流热量的回收。生产装置要考虑取热工程的切实可行并确保安全可靠。(3)低温余热的回收利用必须考虑系统内用能的优化匹配。优先考虑用于本装置然后再考虑用于其它装置。在低温余热量很大情况下，就要打破装置、车间的操作管理界限，实行联合用能，实现总体优化匹配。(4)在制定低温余热利用技术方案时，要根据资源的特点和回收效益来选择利用的形式。除在一些特定条件下采用升级利用的措施，一般应优先采用同级利用的措施，而且尽量考虑在回收和利用之间距离短和时间上一致。一般有三种方案:纯供热型;供热-制冷联合型和供热-制冷-发电型。(5)开发低温热升级利用的新技术,如开发吸收式变热器技术,提高温位,便于利用。
