化工装置工艺气余热回收节能优化策略

祁世杰(中国昆仑工程有限公司辽宁分公司，辽宁 辽阳 111003)

0 引言

化工工业是将天然物质或其他自然物质作为原材料，并根据不同物质的化学性质及其特点进行相应的化学反应工程。大量使用这些自然的物质存在着资源浪费、资源匮乏、环境污染等问题，有些资源使用过后并不可再生致使资源逐渐缺少。在化工工艺实施过程中，节约资源是十分重要的，能源的节约能有效地将所节约到的能源放在更多的领域上去实施，进而起到回收利用的作用。

1 生物质碳化伴生气余热回收工艺

现有通用的生物质碳化工艺，通常使用低高温碳化工艺及其设备进行生产，低高温碳化工艺指在低温条件下，低温碳化过程所产生的伴生气体因热值低很难燃烧被利用，低温产生的伴生气体多数都直接排空。在高温条件下，高温碳化过程中产生较高温度的伴生气体，一般通过简单提纯、过滤等手法处理后被利用，虽然此类方法可一定程度的提高利用效果，但是仍然存在着很多问题：(1)在低温条件下所产生的低温伴生气体热值低不易被利用导致直接排空，造成能量资源的浪费以及环境的污染；(2)在高温条件下产生的伴生气体存在着焦油、灰尘等的各种杂质，生产过程中要处理起来难度较大，成本投入高；(3)全自动化程度低；(4)氧化效率不理想且还需要借助外界的能量来维持运作，技术陈旧能耗较大。

新技术的余热回收装置包括启动预热系统、逆流氧化系统、自动控制系统三个系统组成。该设备在将液化气及空气混合燃烧产生的热量作为设备启动的初始能量，该装置采用高温热逆流换向氧化工艺，其原理是让低温碳化过程产生的低热值伴生气体可在高温环境下自主氧化。在这一过程中，产生的热量一边提供给伴生气体氧化过程所需要的能量，另一边也利用该热量作为给外界提供的热输出。液化气和空气在该设备的混燃器中进行完全燃烧，产生的高温气体对逆流氧化系统中的蓄热介质石英砂进行加热。当石英砂被加热达到预先设定的温度时，设备将自动切断液化气停止燃料供料让其自行升温。该设备具备的优点有：使低温状态下的低热值伴生气体能充分燃烧并将能量回收利用，与一般技术相比减少污染气体排放更环保，对减低尾气处理要求大大降低并大幅度提升燃料利用率，自动化程度高，需要燃料量低，节能显著突出，新技术达到了环保节能的目的[1]。

2 高温余热回收装置

通常气体余热回收设备的工艺原理是将高温气体分成几部分传递热量，达到高温介质降温的目的，并将设备内部的水加热蒸发获得蒸汽，高温气体能降低到合适的温度，降温后的气体从设备排出去后续工序。该设备选材要求相对较高，不仅增加投入成本，还加大了生产过程的复杂程度。新出现的装置为卧式三重套管高温余热回收装置，有效的解决了一般设备中存在的不足。该设备制作的条件不高，故成本无需增加太多。

如图1所示，该设备的优点在于：(1)直连式的设计，很大程度上舍去了传统设备中的高温引出管。而高温引出管往往使用合金钢管制造。通过减少使用合金钢这类昂贵材料可达到节约成本目的。在另一层面还能降低能量损失，提高余热回收效率最终可提高产品产量。(2)该装置利用三重套管式的构造模式，选用了合成塔-卧式废热锅炉一体化的直连式设计，让生产过程中产生的高温气体首先流向不受压的内套管内，将高温气体降至合适的温度后再和水进行传热工作(高压锅炉管内进行)，因不接触介质故锅炉管可使用低等级材料，延长检修周期，不仅能节省成本，还使需购买的材料更容易获得，在安全方面更利于平稳运行。(3)装置在高压联箱内部设置了分隔措施，将高温、高压分成两部分由内外两个联箱承担，有效降低了承压板所受到的压力，这样能有效的提升设备的运作效率，在制造材料方面降低对外联箱的选材要求和制造难度，能在节省成本的同时也很大程度上确保了设备安全。(4)制气、变换、合成等各个步骤中所产生大量的余热，使用该设备进行余热回收可减少能源的损耗，达到化工工业生产节能的目的。

图1 卧式三重套管高温余热回收装置

3 石油化工中可使用的工艺余热回收利用装置

石油化工装置存在许多可利用的热量。例如石化企业生产产品过程中会有很多地方有化学反应发生，通常放热的化学反应产生的热量会因反应物化学性质及反应条件的不同，介质的温度也不相同，但多数是通过使用冷却水冷却将这部分反应生成热带走。出于对这一环节考虑，在工厂内构建出冷却水循环系统，因为冷却水循环系统中的供水温度相对较低且固定(由当地气象条件决定)，将相对高温的介质冷却后，这部分本可以利用的热量将不能被使用。且循环水系统还需用电能将冷却水强制驱动在循环冷却水凉水塔处将热量释放，造成了很大的能量浪费。

而工艺余热分级回收利用装置可将化工装置中的类似余热回收分级利用，该装置能回收余热并将其利用的方法是：设置多个不同温度级别的冷却循环单元，该装置同原有的化工工艺的冷却系统和化工工艺中的反应釜连接(石油化工工艺流程中的原有设备，也是本装置回收利用的热源和需要冷却的设备)，在装置工作时，时刻监测进出水口的温度，如果进水口处的温度小于或者等于原来的冷却系统中的冷却水温度时，再把出水口温度进行一一对比后将相同温度的冷却水流入其中。如果进水口处的温度高于所有冷却水循环单元的出口温度时候，装置则会自动将循环冷却水系统和反应釜连接起来，恢复为全厂用循环冷却水为冷却介质的流程。

如图2所示，该装置能解决现有化工装置中工艺存在的冷却循环水耗能过大，循环水余量不足，余热不能被完全利用的问题，且很好地把各个阶段通过化学反应所产生的热量进行分层次逐级收集起来，并对不同温度进行不同的回收处理，可将其分别用于制冷、供暖、工艺介质加热等方向，最大程度上将化工装置中余热充分利用[2]。

图2 工艺余热分级回收利用装置

4 煤气余热回收工艺装置

该装置属于煤气回收系统的工艺单元，适用于需要对煤气冷却时可余热回收利用的装置。其余热回收工艺是将蒸氨装置生产操作过程中剩余的废水送至煤气横管式初冷器中，经换热后的蒸氨废水可得到高温煤气中的热量达到预热的目的，能为后续蒸馏过程节省能量。煤气则在初冷器上层部分被蒸氨废水冷却，后在下层部分再用循环冷却水进行冷却。高温煤气中的热量被蒸氨废水所获取，提高温度后再送往氨水蒸氨装置进行使用。大多数技术方案为仅使用循环冷却水将煤气的热量带走，需消耗冷却介质的冷量，既浪费了热煤气中的热能，又需要增加额外过多的电能消耗，存在能源的浪费。与通用技术相比较，该装置生产工艺的方法并不复杂，但可将其能耗水平降低10%～20%，该工艺过程中并不需要额外提供动能，这样可大幅度减少运行成本，还可达到节能环保目的[3]。煤气余热回收装置如图3所示。

图3 煤气余热回收装置

5 结语

在很多化工装置中能够以不同形式实现余热回收，在设计化工工艺装置的时候需要将各个单元细分开来考虑，对化工工艺进行深入的研究并制定策略，在逐步摸索中完善化工工艺。还需对国内外的余热回收节能技术及设备进行学习，在借鉴后加入自己的观点，以求对新建及现有工艺装置能达到更加节能和可持续发展的目的。