基于第一类吸收式热泵的气体分馏塔物料梯级加热方法

李 岩，朱 蒙，张淑彦，刘 军

(1.燕山大学建筑工程与力学学院，河北 秦皇岛 066004；2.北京中科华誉能源技术发展有限责任公司)

基于第一类吸收式热泵的气体分馏塔物料梯级加热方法

李 岩1，朱 蒙1，张淑彦1，刘 军2

(1.燕山大学建筑工程与力学学院，河北 秦皇岛 066004；2.北京中科华誉能源技术发展有限责任公司)

气体分馏 吸收式热泵 低温余热 能源梯级利用

随着国民经济的快速发展，各行各业对石油化工产品的需求日益增长，虽然石化生产本身是能源输出的行业，但在生产过程中，由于用能不匹配、余热排放量大等原因导致其能耗偏大，占全国总能耗的10%以上[1-2]。为了调整、优化产业结构，“十二五”规划制定了炼油装置原油加工能耗需低于2 516.36 MJ/t的目标，但与目前国际综合能耗水平仍有巨大的差距[3]。气体分馏工艺是石化生产中能源消耗较大的环节之一，本课题针对常规气体分馏工艺流程中物料加热过程换热温差大、加热能级严重不匹配的问题，提出一种气体分馏塔物料梯级加热的方法，在此基础上，针对气体分馏塔塔顶物料散热造成的热能浪费，提出了一种基于第一类吸收式热泵的气体分馏塔物料梯级加热方法，并以银川某炼油化工公司的实际工程为研究对象，利用上述方法对气体分馏工艺系统进行了改造。

1 常规气体分馏工艺

常规气体分馏工艺流程示意如图1所示，包括分馏塔、重沸器、空气冷却器(空冷器)、水冷换热器(水冷器)以及用于连接上述设备的管路、阀门等。物料(40 ℃左右)进入分馏塔后由重沸器加热，分馏塔塔顶成品物料须由冷却装置(空冷器及水冷器)冷却，然后输送至储料罐。分馏塔内的工作温度因目的产品的不同而有所差异，大致分布在60～120 ℃之间，与其它石化工艺相比，需要消耗的能量品位较低。

图1 常规气体分馏工艺流程示意

图2 常规气体分馏系统的分析

2 气体分馏塔物料梯级加热的思路

在常减压蒸馏、催化裂化、延迟焦化等工艺中通常会产生一定量的温度低于150 ℃的余热[5]，国内一些石化企业采用热联合的方法利用这部分热量[6-7]，即以热媒水载热，作为气体分馏塔重沸器的热源，其流程与传统系统类似，可减少工艺蒸汽的消耗，取得一定的经济效益。但热媒水温度通常为90 ℃左右，只能供给低温气体分馏塔，而不能作为高温气体分馏塔重沸器的热源。

图3 利用热联合热媒水+工艺蒸汽对物料梯级加热流程示意

图4 气体分馏塔物料梯级加热系统的分析

3 基于第一类吸收式热泵的气体分馏塔物料梯级加热系统

气体分馏工艺需要保证生产的稳定性，采用热联合改造后，受上游装置(常减压蒸馏、催化裂化、延迟焦化等)工作状态和产量波动的影响，热媒水流量及温度往往不稳定。因为在检修或者热媒水参数发生变化时仍需要补充工艺蒸汽参与加热，所以一座常规的低温气体分馏塔通常需要同时设置热水型重沸器和蒸汽型重沸器。因此，实际热联合改造项目降低蒸汽消耗的效果通常并不理想。而在石化各工艺中存在大量的品位更低的物料散热余热，如果能有效加以升温利用，将进一步降低能耗[9]。

基于第一类吸收式热泵的高温气体分馏塔物料梯级加热流程见图5。由图5可知，该加热系统在原有高温气体分馏塔流程的基础上设置第一类吸收式热泵，并在物料入口处增设热水物料换热器。第一类吸收式热泵以部分工艺蒸汽作为发生器G的驱动热源，以塔顶物料散热的循环冷却水(40 ℃30 ℃)作为蒸发器E的低温热源，提取蕴含于其中的余热，在吸收器A和冷凝器C中制备90 ℃热水，送至热水物料换热器高温侧，将换热器低温侧的入口物料加热至85 ℃左右后送入分馏塔内，再通过重沸器利用工艺蒸汽加热并维持在110 ℃。

针对上述系统流程，对第一类吸收式热泵的工作参数提出以下要求：①作为吸收式热泵的驱动热源，炼油化工厂的工艺蒸汽通常为0.3 MPa左右的蒸汽；②作为吸收式热泵的低温热源，循环冷却水温度通常为40 ℃30 ℃；③将入口物料由40 ℃加热至85 ℃，考虑热水物料换热器5 ℃左右的换热端差，吸收式热泵需要制备90 ℃的热水。

图5 基于第一类吸收式热泵的高温气体分馏塔物料梯级加热流程示意1—分馏塔； 2—重沸器； 3—空冷器； 4—水冷器； 5—热水物料换热器； 6—吸收式热泵；A—吸收器； C—冷凝器； E—蒸发器； G—发生器

对于常规的单级吸收式热泵(单效吸收式热泵和双效吸收式热泵)，制热温度通常不超过75 ℃，为此，清华大学研发了双级大温升吸收式热泵，可将制热温度提升至90 ℃[10]。本课题设计的吸收式热泵机组由单效吸收式热泵和双级大温升吸收式热泵两级串联组成，驱动热源为0.3 MPa工艺蒸汽，低温热源为40 ℃30 ℃循环冷却水，平均综合制热性能系数(COPh，av)为1.5，主要设计参数见表1。

表1 吸收式热泵机组的主要设计参数

由此构建了气体分馏塔物料的梯级加热流程，吸收式热泵机组承担将物料由40 ℃加热至85 ℃的显热加热量，占总加热量的55%，重沸器承担将物料由85 ℃加热至110 ℃的显热加热量及将分馏物料蒸发的潜热量，占总加热量的45%。吸收式热泵机组的COPh，av为1.5，回收的余热量占总加热量的18%，使工艺蒸汽消耗量降低18%。

对于低温气体分馏塔工艺流程，可以利用第一类吸收式热泵制备的90 ℃热水直接作为重沸器热源，基于第一类吸收式热泵的低温气体分馏塔物料加热流程示意见图6，可以通过回收余热使工艺蒸汽消耗量降低33%。

图6 基于第一类吸收式热泵的低温气体分馏塔物料加热流程示意1—分馏塔； 2—重沸器； 3—空冷器； 4—水冷器；5—吸收式热泵； A—吸收器； C—冷凝器； E—蒸发器； G—发生器

与常规气体分馏工艺流程相比，新系统通过回收塔顶物料余热，实现了入口物料的梯级加热，较大幅度地减少工艺蒸汽的消耗，进而显著提高气体分馏工艺的能源利用效率。

4 工程案例分析

以银川某炼油化工公司为例，该公司有醇胺再生、脱乙烷、脱丙烷、精丙烯、催化蒸馏5个气体分馏塔，重沸器加热热源为0.3 MPa蒸汽。各分馏塔的相关参数见表2。

表2 各分馏塔的相关参数

5个分馏塔塔顶均设置水冷器，各水冷器的循环冷却水汇合于一根循环水主管道后并入厂区动力车间总循环冷却水系统。经测试，5个气体分馏塔的工艺蒸汽消耗量为37.5 t/h，循环水主管道流量约为1 040 t/h，循环冷却水温度为38 ℃/30 ℃，经分析计算，通过循环冷却水带走的余热约为9.7 MW。

该系统可通过回收余热使工艺蒸汽用量降低约8.3 t/h，占原工艺蒸汽消耗量的22%，大幅提高了气体分馏工艺环节的能源利用效率。

表3 吸收式热泵的主要设计参数

该项目的经济性分析结果见表4。该项目增设吸收式热泵、热水/物料换热器及相关配套设备的第一类工程费用约为1 150万元；气体分馏系统生产运行时间为7 200 h/a，工艺蒸汽用量降低约60 kt/a，吸收式热泵运行耗电量为21.6×104kW·h，燃煤锅炉生产工艺蒸汽价格约为68元/t，当地电价按0.45元/(kW·h)计算，则运行费用减少398万元/a。该项目的静态投资回收期不到3年。

表4 经济性分析结果

5 结 论

(1) 根据热力学分析结果，指出常规气体分馏系统存在两方面的缺陷：一方面利用工艺蒸汽直接对进口物料加热的过程换热温差过大、加热能级严重不匹配；另一方面分馏塔塔顶物料散出的余热无法回收，造成大量的热能浪费。

(2) 提出一种气体分馏塔物料梯级加热的方法：在物料入口增设热水/物料换热器，利用热媒水等90 ℃左右的热联合余热替代部分工艺蒸汽对入口物料进行预热，再利用工艺蒸汽通过重沸器进行加热，可解决高温气体分馏塔不能利用热媒水作为加热热源的问题。

(3) 提出了一种基于第一类吸收式热泵的气体分馏塔物料梯级加热系统，通过回收塔顶物料余热，实现了入口物料的梯级加热，可以使工艺蒸汽的消耗量减少进而显著提高气体分馏工艺的能源利用效率。

(4) 以银川某炼油化工公司的实际工程为研究对象，利用上述方法对气体分馏工艺系统进行改造，可使工艺蒸汽用量降低22%，运行费用减少398万元/a，项目的静态投资回收期在3年以下。

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CASCADE HEATING METHOD FOR GAS FRACTIONATOR EFFLUENT USING FIRST TYPE ABSORPTION HEAT PUMP

Li Yan1， Zhu Meng1， Zhang Shuyan1， Liu Jun2

(1.CollegeofCivilEngineeringandMechanics，YanshanUniversity，Qinhuangdao，Hebei066004； 2.BeijingChongkeHigh-TechnologyDevelopmentCo.，Ltd.)

Aiming at large heat transfer temperature difference and serious mismatch of heating energy level in conventional gas fractionation process， a cascade heating method using first type absorption heat pump for gas fractionation column effluent was proposed. By the method the exergy efficiency of gas fractionation process is greatly improved through diminishing heat dissipation in the top of fractionating tower， reducing steam consumption and recovering waste heat. After revamping the gas fractionation system in a refining & chemical company in Yinchuan， the steam consumption can be reduced by 22%， and save the operating cost about 3.98 million Yuan annually.

gas fractionation； absorption heat pump； low temperature waste heat； cascade utilization of energy

2014-04-28； 修改稿收到日期： 2014-08-21。

李岩，博士，副教授，主要从事热电联产、工业余热回收等方面的研究工作。

李岩，E-mail：leeyan2007@sohu.com。

河北省自然科学基金资助项目(No. E2013203181)。