基于变压吸附的余压利用研究

李伟杰 赵俊霞 朱亚萍 李文龙（郑州大学化工与能源学院， 河南 郑州 450001）



基于变压吸附的余压利用研究

李伟杰 赵俊霞 朱亚萍 李文龙（郑州大学化工与能源学院， 河南 郑州 450001）

摘要：变压吸附技术在空分领域拥有非常广泛的应用，但常规变压吸附工艺中存在一部分压力能被浪费。本文利用透平将这一部分压力能置换出来进行回收利用，使用ASPEN PLUS软件对实际工况条件的流程进行了模拟和分析，在分析的基础上对系统的成本进行估算，最后对整个系统的效益进行分析，结果表明：该余压利用系统每年可节约电费38.3万元，投资回收期约为1.83年，节能与经济效益显著。

关键词：变压吸附；余压利用；Aspen Plus；经济性分析

变压吸附作为一种化工气体分离技术，因其产品纯度高，耗能小的特点在石油化工、制氢制氧等多个领域得到越来越广泛的应用［1］。但根据调查发现，变压吸附工艺中存在较高的吸附余压，目前在国内尚未得到充分的利用，以至于造成了能源浪费。

时值目前国家能源紧缺、大力提倡生产过程的节能降耗的关键时期，作为“十一五”期间国家十大重点节能工程和建设节约型社会重点工程之一的“余热余压利用工程”及其相关应用得到了广泛的推广。

国内余压能的利用研究多集中于高炉煤气余压透平发电［2］、天然气管网余压回收利用工艺［3］、二级加压水站的余压能回收［4］等方面，关于变压吸附余压利用少见报道。本文着眼于变压吸附中的余压利用，在综合前人研究和设计余压利用系统的基础上，结合目前变压吸附领域的现状，拟设计出一套余压利用系统，来综合利用变压吸附工艺中的余压，在达到节能目的同时创造一定经济效益。

1 余压利用系统研究

（1）方案选择 目前国际范围内气体余压能利用的主要方法就是余压发电，而且在多年的实践中已经证明了，余压能利用的最有效形式就是发电。综合前人研究确定利用变压吸附的余压通过透平发电的初步方案，并充分利用高压流体在膨胀后产生的冷量，产生的电力可以直接输送至当地电网，也可以在需要的情况下增加电解制氢装置进行进一步的利用。系统流程图如图1所示。

（2）透平主机系统 透平主机系统为余压利用系统的关键部分，其性能的优劣决定了整个利用系统的效率。

透平主机系统主要包括：机壳、排气室、危安保安器转子，一、二级静叶及其伺服调节结构、密封、油封、轴承、轴承箱、盘车装置、轴头泵等部件，其连接形式如图2所示。

（3）数值模拟 使用Aspen Plus软件建立模型，并进行数值模拟，如图3所示。

2 结果与分析

（1）节能效果分析 原有流程与添加余压利用流程单位液化功耗对比如图4所示。

可以看出余压回收后单位产品液化功耗降低约1/3，节能效果明显。

（2）经济性分析 所需换热面积4×5=20 m2，根据管壳式换热器一般成本为10000元每平方，换热器投入为20×1=20万元。

取附件投资5万元，则系统的总成本大致约为45+20+5=70万元。

按年运行时间t=7920小时（330天）计算，透平膨胀机发电机组（含五台吸附塔）功率P=16.8×5=84 kW，算得年发电量为665280 kW・h；与此同时，膨胀后的流体可供回收的冷量为Q=12.068×5=60 kW，按照目前电网平均销售电价0.576元・［kW・h］-1计算，每年可节约电费38.3万元。

根据估算，该系统初投资约为70万元，投资回收期约为1.83年，经济效益十分可观。

图1 余压利用系统流程图

图2 透平主机系统示意图

图3 余压利用系统模型图

图4 原有流程与余压流程对比图

3 结语

本文设计的余压利用系统，利用透平回收变压吸附过程中余压能，具有良好的节能效果，同时也能够带来可观的经济效益。

参考文献：

［1］黄星，曹文胜.变压吸附PSA净化天然气技术［J］.低温与特气，2014，32（3）：6-9.

［2］郭玲丽，陈勇.大型高炉煤气余压透平发电装置（TRT）的开发［R］.2010年全国能源环保生产技术会议，江西九江，2010.

［3］周建，罗敏，李翔，等.川渝管网高低压分输压力能回收利用技术分析［J］.天然气技术与经济，2014，（4）：40-44.

［4］杨奎奎.热网余压驱动二级网循环水泵的水轮机试验与应用研究［D］.哈尔滨工业大学供热、供燃气、通风及空调工程，2012.