大型联合化工园区蒸汽优化及余热发电技术应用

关键词： 工业园 管网 形态 蒸汽

蒸汽做为化工生产的重要动力, 其本身的形态又有着多种变换, 热能在蒸汽的各种形态中分工各不相同。蒸汽在设计、运输、使用、回收等各个环节都存在优化空间。本文以万华化学宁波工业园的蒸汽管网优化为案例进行说明。

蒸汽消耗量方是万华化学宁波有限公司 (以下简称万华) 。全工业园区的蒸汽均由万华热电有限公司供应 (以下简称热电) , 热电供应万华4.0Mpa和1.0Mpa两种品质的蒸汽 (以下用40S代替4.0Mpa蒸汽表述, 其他类推) 。万华内部有多处副产蒸汽, 全公司内部有40S、30S、25S、10S、8S、4S、2S等六种不同品质的蒸汽, 蒸汽管网纵横交错, 关联性强, 操作复杂。从2006年到2013年, 万华已经由一套16万吨/年MDI装置发展成配套煤造气装置、硝苯装置的上下游一体化的100万吨/年的大型联合化工装置。在生产扩建的过程中, 蒸汽管网存在诸多不合理之处, 目前万华年消耗蒸汽量约90万吨, 因此, 如何管理和优化改造蒸汽管网无论对节能减排、环境保护均有着重要意义。

一、园区蒸汽管网及流程简介

1.部分蒸汽管网简介

由于园区内蒸汽管网的结构比较复杂, 下图以40S、25S、10S和4S的其中一段管网进行示例, 见图1.1

注:灰色低温为消耗蒸汽, 粉色底纹为副产蒸汽, 绿色底纹为蒸汽减温减压处, 红色底纹为蒸汽放空处;

主要的问题点:目前万华外购的蒸汽为40S和10S, 而在一边外购10S蒸汽的同时, 10S和4S放空的阀门一直处于打开状态, 造成了蒸汽的浪费。造成这种现象的主要原因是:

(1) 醇氨车间生产时, 会副产25S蒸汽, 25S无合适的使用, 导致富余放空;

(2) 副产10S的车间本来就比较多, 再加上25S减压的10S, 会导致10S更多, 导致10s放空;

(3) 10S向4S管网减压亦会导致4S富余而出现放空现象。

2.工艺流程简介

万华公司的主要产品为MDI, MDI的主要原料为CO、苯胺和甲醛, CO为煤造气工厂提供, 苯胺由苯胺工厂提供。甲醛由甲醛工厂提供, 甲醛的原料之一为甲醇合成气, 甲醇合成气由造气工厂提供, 万华公司的“气源”为煤造气工厂, 核心工厂为MDI工厂。从蒸汽的消耗的角度上讲可以简单归纳为:MDI工厂为纯蒸汽消耗, 其他工厂均不同程度得有着副产蒸汽。

二、优化蒸汽消耗量-管理与技术并行

公司内各工厂上下游联系紧密, 产业链一体化程度高, 为了最大程度得减少蒸汽消耗和排空造成的浪费, 从管理和技术两方面进行优化, 主要采取的措施有:

1.提高10S管网安全阀压力, 加大监控

将原10S管网压力安全阀压力由1.06Mpa校正为1.15Mpa, 减少因控制压力而造成的放空。同时, 通过调度中心加大对10S总管网的监控, 使热电的10S蒸汽压力尽量控制在1.1Mpa以下。

2.25S物尽其用

25s是整个蒸汽管网不平衡的重要因素之一。醇氨车间内合成氨副产为过热蒸汽, 合成甲醇副产为饱和蒸汽, 两者混合前后的参数件表2-1:

可看出, 混合之后25S的过热度不够, 经过长距离的输送后温度为227-234℃之间。为了消耗这股蒸汽, 对MDI装置蒸汽消耗设备进行排查, 排查出两处可以使用该股蒸汽:

(1) 多胺换热器

蒸汽的相关参数见表2-2:

减压前后蒸汽总焓值未发生变化, 过热的21S在换热过程中使用不仅浪费“显热”, “潜热”也不如25S, 因此, 考虑将该处变换成25S (2.6Mpa, 234℃) 进行换热。

(2) 反应液换热器

蒸汽的相关参数见表2-3:

与多胺换热器类似, 该处存在热量的浪费和使用不合理现象。同样, 考虑将该处变换成25S (2.6Mpa, 234℃) 进行换热。

为了防止这种的热量不足的现象出现, 打开40S减25S阀门控制蒸汽温度到255℃, 按照表2-4参数进行计算:

按照能量守恒进行计算:

可推导出

计算出来40S需要减压25S蒸汽3.55t/h, 总体上减少约16t/h的40S外购量, 经济效益十分明显。

G1:40S减25S流量, H1:40S焓值;

G2:混合前25S流量, H2:混合前25S焓值;

G3:混合后25S流量, H3:混合后25S焓值;

3.优化蒸汽消耗-10S和4S

将25S蒸汽消耗优化和提高10S管网安全阀值后, 仍有少量的4S低压蒸汽存在放空现象。针对以上情况, 将10S和4S管网进行进一步优化, 主要措施有如下两点:

(1) 将园区4S管网和2S管网联通, 将富余的4S输送至2S管网, 减少10S减2S的能量损失。

(2) 将煤造气工厂中甲醇精馏塔塔底再沸器的热源由原先的10S改造成4S, 该换热器的加热要求95℃, 4S完全可以胜任。

4.经济效益分析

这两点基本上解决了蒸汽放空的问题, 从实际应用效果来看, 总体减少从热电外购40S蒸汽约10t/h, 减少外购10S蒸汽10-15t/h, 经济效益十分突出。

三、利用有效能损失-余差发电

除了优化蒸汽的梯级消耗之外, 万华还引入蒸汽压差发电节能项目, 进一步挖掘蒸汽能源利用, 将减温减压损失掉的有效能进行转换成机械能进行发电。在MDI工厂10S减温减压至2S, 参数下表3-1:

1.蒸汽有效能损失计算

按照以上的能量守恒公式, 可计算出减温水的量约为0.83t/h。蒸汽的有效能按照如下公式计算:

式中:b:某状态下单位质量蒸汽有效能, kj/kg

h:蒸汽状态焓值, kj/kg

S:蒸汽状态熵值, kj/kg.K

:环境温度, 293K

:环境温度焓值, kj/kg

:环境温度熵值, kj/kg.k

设减温减压前后蒸汽为状态1和状态2, 单位质量蒸汽的有效能分为为b1和b2, 将各参数带入进行公式:

b1= (2846-2936.69) - (2537.7-2938.6674) =887.67kj/kg

b2= (2750-2937.05) - (2537.7-2938.6674) =686.18kj/kg

则减温减压前后蒸汽总的有效能为:

B1=887.6720000=17753.400MJ/h

B2=686.1820830=14293.129MJ/h

减温减压前后有效能损失为:

=17753.4-14293.129=3459.97MJ/h

有效能损失率为:=19.48%

2.余热余压发电

选择螺杆式膨胀机驱动发电, 代替减温减压器。

进汽参数 (T=210℃, P=1.1Mpa, h1=2846.8k J/kg) 的蒸汽, 在螺杆机可以在含水的状态下发电, 可减温减压至参数 (P=0.3Mpa, T=133℃, h2=2724.8k J/kg) 的饱和蒸汽, 蒸汽的理想焓降:

H0=h1-h2=125kj/kg

螺杆机的相对内效率η=75%, 蒸汽做功的有效焓降:

Hi=12575%=93.75kj/kg

螺杆机实际排汽焓:

HM=2846.8-93.75=2753.05kj/kg

螺杆机实际排汽的温度为:

Tm=146℃

这与下游工序的需求值基本保持一致。螺杆机的机械效率为98%, 发电机效率为98%, 则该股蒸汽的发电功率为:

N=12575%98%98% (20830÷3600) =520.9KW

3.余热余压发电经济效益分析

按照一年8000小时计算, 外购的10S按照200元/吨计算, 工业用电按照0.7元/KW计算, 则经济效益为:

M=520.90.78000-80000.63200=190.9万/年小结

蒸汽是经济价值很高的功力资源, 让不同等级蒸汽发挥不同的作用, 是优化蒸汽消耗的重要原则。高压蒸汽减温、减压是蒸汽系统的平衡补充。蒸汽减温减压虽为绝热过程, 减温减压前后总热量基本不变, 但减温减压后蒸汽品质相对降级, 使用价值变低, 合理使用蒸汽不但着眼于蒸汽的热量利用, 更应着重蒸汽有效能的充分利用。

摘要：对于大型联合化工生产蒸汽动力的平衡及优化, 通过管理和技术手段对不同能级蒸汽充分利用, 防止蒸汽能级无偿降级, 达到园区蒸汽最优化运营。进一步挖掘蒸汽在减温减压过程中的有效能损失, 将其转换成机械能做功发电, 为企业创造超额利润。

关键词：蒸汽梯级利用,减温减压,有效能,螺杆膨胀发电