超临界CO2制冷技术在PVC生产中的应用

李 毅，陈 雷

（安徽华塑股份有限公司，安徽 滁州 233290）

安徽华塑股份公司电石法PVC生产装置采用法国ARKEMA技术，聚合装置分2条线布置，每条线3台三叶后掠式单层底伸搅拌的143 m3聚合釜。聚合釜在反应过程中主要采取夹套循环冷却水和釜顶冷凝器撤热的方式，同时在聚合反应过程中的脱盐水注水也是直接吸收聚合反应热的一种方式。当地夏季温度较高，极端最高气温可达39.1℃，夏季循环水温度较高，聚合反应釜热量难以移除，反应时间延长，单体转化率降低，聚合釜产能下降明显。即便采用上述3种撤热方式，夏季仍然难以有效提高单釜产能，因此考虑若能将注水用的脱盐水温度降至20℃，6～9月PVC单釜产量可提高1 t左右。

华塑公司了解到某公司具有适用于脱盐水降温冷却的CO2热泵制冷技术。经过多次技术交流，决定采用其MW级跨临界CO2热泵制冷制热成套机组，一边将脱盐水水温由35～40℃降至20℃左右，送入聚合釜，另一边将水温由35℃左右加热至90℃左右，送入热脱盐水槽，供生产工艺使用。

跨临界CO2热泵技术，采用天然环保的CO2为介质，专门用于回收各种低品位余热资源，如低于40℃的各类水源、空气源等。低温（可在－40～15℃可调）的CO2吸热后，经过压缩，可将低品位热源转化为120℃以上的高品位热源，也可将15℃冷水一次加热至90℃以上。

CO2是一种天然工质，无毒，不燃烧，对大气臭氧层没有破坏作用，温室效应影响小。传统的制冷剂如CFCs、HCFCs等对大气臭氧层有破坏作用、对地球温室效应有明显影响。

1 超临界CO2热泵原理

MW级超级跨临界CO2冷热联供技术，采用天然的CO2为介质，在制冷的同时，回用回收的热量，实现单机冷热联供。冷端可根据需要将水温降至15～20℃，热端可将常温水一次加热至85℃以上，最高95℃。单机制冷功率1 300 kW，制热功率1 670 kW，综合能效COP可达7以上。

技术原理：低温（在－10～15℃可调）的 CO2从需要降温的脱盐水中吸热，将脱盐水温度降至生产需要的温度。CO2吸热后温度上升再经过CO2专用压缩机压缩，将CO2温度升高至100℃以上（最高可达140℃），用此高温CO2可将常温的脱盐水加热至85℃左右，供至热水箱，超级跨临界CO2热泵原理图见图1。左侧为制冷端，右侧为制热端，中间为CO2超级热泵。CO2在热泵内部循环，正常运行，不泄漏，无需补充。

图1 超级跨临界CO2热泵原理图

2 超级跨临界CO2热泵（冷热联供）机组特点

（1）采用自然界中“生态精灵”之称的CO2为工质；

（2）单机制热功率可达6 MW；

（3）一台机组实行冷热联供，综合COP达7以上；

（4）冷端可以实现大温差降温（大于30℃）；

（5）冷侧制冷最低可达－80℃；

（6）制冷COP高（取决于低温程度），常规制冷COP大于3，制热COP大于4；

（7）热端实现高温再利用（正常在85℃左右，最高可达95℃）；

（8）制热速度快，15℃水可一次加热至90℃以上；

3 PVC车间脱盐水降温技术改造需求分析

（1）PVC装置反应釜补充水采用脱盐水，脱盐水温度基本等同于环境温度，夏季正常大于35℃，最高可达40℃。而生产工艺需要脱盐水温度20℃左右，反应效果最佳，用水量40t/h。因水温高，需要降低原料投入，整个生产线产能受影响非常大，而夏季是PVC价格最高时期，因减产给公司造成巨大损失。

（2）PVC生产工艺中还需要85℃左右的脱盐水，目前采用的是低压蒸汽加热的方法，使用量40 t/h左右。

（3）夏季聚合釜由于未能及时撤热，在聚合反应后期频繁出现超温超压现象，采用跨临界CO2热泵对脱盐水注水进行降温后，有利于降低PVC生产过程的安全风险，并且起到稳定产品质量的作用。脱盐水降温技术改造工艺流程简图见图2。

图2 脱盐水降温工艺流程图

图3 跨临界CO2热泵系统冷侧系统图

图4 跨临界CO2热泵热侧原理图

4 PVC车间脱盐水降温改造整体方案

（1）在除盐水箱南侧、袋装化学品库与仪表机电房间空地，建设跨临界CO2热泵机组一台；

（2）注入水泵出口总管改接至热泵蒸发器入口。蒸发器出口（降温后的脱盐水）接至反应釜；

（3）从大流量除盐水泵出口接一路管道至热泵冷却器，冷却器出口高温水接至热脱盐水槽和烧碱车间。

5 管道与系统技术改造方案

（1）注入水泵出口总管为DN100，热泵系统冷侧系统图见图3。

脱盐水需要降温时，关闭直通阀，打开进出热泵蒸发器阀门，启动CO2热泵机组，将除盐水降温运行。

（2）从大流量除盐水泵出口总管支接DN80三通，引一路水源至热泵冷却器，热泵热侧原理图见图4。

热泵冷却器出口高温水，接入脱盐水热水箱顶部，另一路送烧碱车间。

6 电气与控制

（1）电气部分

MW级超级跨临界CO2热泵机组由12台压缩机并联运行，6台压缩机共用一路电源。共有2个电源柜，单柜正常运行3～5台压缩机，单电源柜运行功率不大于200 kW。需要从配电房连接二路电源，开关容量630 A。电缆参数为3X185+2X95。

（2）控制部分

跨临界CO2热泵机组采用DCS控制方式，可实现一键启停。可就地操作，也可以远程操作。

7 投资概算及主要设备

总投资预计400万元（不含税），含设备及基本材料供应、仪表等。主要设备清册如下。

（1）MW级跨临界CO2热泵主机一台套。

进口CO2专用跨临界压缩机12台；蒸发器1台套；气体冷却器1台套；回热器1台套；辅助降温换热器1台；分离器1台；减压装置1套；热泵机组控制系统1套。

（2）脱盐水增压泵2台。

（3）冷冻水回水增压泵2台。

（4）DN100、DN80不锈钢管道约 450 m。

（5）DN100、DN80不锈钢阀门共20个。

CO2热泵机组冷侧端脱盐水进水温度35.1℃，出水12.7℃；热侧脱盐水进水温度21.51℃，出水92.3℃；出水温度满足工艺要求。

8 投资回报分析

40 m3脱盐水，由40℃降温至15℃，CO2热泵制冷量：1 172.3 kW；热泵产生热量：1 498 kW，将21 m3冷水升温60℃。

夏季按4个月计算：

冷量合计：1 172.3×4×30×24=3 376 224（kW），约合 29×108（kcal）；

热量合计：1 498×4×30×24=4 314 240（kW），约合 37.1×108（kcal）；

冷/热价按0.32元/kW·h计算，冷量价值约合108万元，热量价值约合138万元，冷、热合计约246万元，耗电937 840 kW·h，约合30万元；

效益合计246－30=216（万元）。即：夏季仅运行4个月，产生效益约216万元。若考虑夏季之外将冷冻水降温，年度产生的效益将大于300万元。

9 结语

PVC装置采用超临界CO2热泵机组对脱盐水进行降温技术改造至今，满足生产需要，已安全平稳运行两个多月。符合国家绿色、环保、低碳、节能减排的政策要求。为该公司创造了可观的经济效益和环保效益，同时也履行了该公司“发展低碳经济，改善生态环境，共建和谐社会”的发展使命。