7-换热网络集成说明书

700万立方米/年含硫废气处理联产硫磺及甲醇项目 换热网络集成说明书换热网络集成说明书 中南大学PIE团队 2目 录换热网络集成说明11.1 概述11.2 换热网络设计11.2.1 物流信息提取21.2.2 最小传热温差的确定21.2.3 节能效果41.3 换热网络可行性验证5 中南大学PIE团队 1换热网络集成说明1.1 概述我国国民经济正处于一个高速发展的时期，这就不可避免地出现能源消耗的大幅度上升。当前我国的能源消费量已超过世界能源消费总量的10%，但是我国的人均能源消费量仅约为世界平均水平的50%，这种情况表明未来我国经济发展所面临的能源问题将更加突出、更加严峻。为了保证国民经济持续、快速、健康地发展，必须合理、有效地利用能源，不断提高能源利用效率。在大型过程系统中，存在大量需要换热的流股，一些物流需要被加热，一些物流需要被被冷却。大型过程系统可以提供的外部公用工程种类繁多，如不同压力等级的蒸汽，不同温度的冷冻剂、冷却水等。为提高能量利用率，节约资源与能源，就要优先考虑系统中各流股之间的换热、各流股与不同公用工程种类的搭配，以实现最大限度的热量回收，尽可能提高工艺过程的热力学效率。热集成网络的分析与合成，本质上是设计一个由热交换器组成的换热网络，使系统中所有需要加热和冷却的物流都达到工艺流程所规定的出口温度，使得基于热集成网络运行费用与换热设备投资费用的系统总费用最小。Aspen能量分析器软件采用过程系统最优化的方法进行过程热集成的设计，其核心是夹点技术。它主要是对过程系统的整体进行优化设计，包括冷热物流之间的恰当匹配、冷热公用工程的类型和能级选择；加热器、冷却器及系统中的一些设备如分离器、蒸发器等设备在网络中的合适放置位置；节能、投资和可操作性的三维权衡；最终的优化目标是总年度运行费用与设备投资费用之和（总年度费用目标）最小，同时兼顾过程系统的安全性、可操作性、对不同工况的适应性和对环境的影响等非定量的过程目标。目前，换热网络合成主要有三种方法：试探法、夹点技术、数学规划法。其中，夹点技术以其使用简单、直观和灵活的优点被广泛的使用。因此，夹点技术不仅可以用于热回收换热网络的优化集成，而且可用于合理设置热机和热泵、确定公用工程的等级和用量，去除“瓶颈”、提高生产能力，分离设备的集成，减少生产用水消耗，减少废气污染排放等。1.2 换热网络设计1.2.1 物流信息提取选择相变点进行物流分段，通过AspenEnergyAnalyzer的自动导入功能物流信息进行提取，并手动检查物流信息，增删部分物流，选择公用工程的类型及温度。下面以前三个工段为一个部分进行换热网络优化。1.2.2 最小传热温差的确定图1-1 总成本与Tmin的关系图在设计换热网络时，Tmin的选择与换热网络的操作及设备成本有直接关系。由图4-8，我们可以看到，总成本随Tmin的增大先减小后增大，Tmin存在一个最佳值，确定最小传热温差Tmin。由上图我们看出，当最小传热温差Tmin=7时，总成本达到最小，但过小的传热温差容易导致温度交叉的情况出现，这在实际生产中是不便控制且不实际的。为了使换热器有一定传热温差推动力，本项目取定最小传热温差为7。通过软件绘出如下温焓图。图1-2 物流温焓图从T-H图可以看出，系统在较大的焓值区间有很好的换热潜力，通过Aspen Energy Analyzer确定出夹点温度，以及所需的最小公用工程。在确定夹点温度和公用工程后，可进行物流之间的换热匹配，根据夹点原理，系统可以实现最大程度的热量集成。综合考虑系统中物流换热潜力、物流性质、以及物流输送，即可进行物流之间的换热匹配，在物流间的换热设计过程中，还需要考虑设备个数，以及由于换热面积所产生的设备投资费用。从T-H图可以看出，利用热集成技术可以有效回收热量，增加组合曲线图中冷热物流重合区域，实现能量的回收利用。在设计完所有的物流间换热后，其余的物流换热则通过冷热公用工程实现，进而完成整个系统的全部换热。针对相同的换热目标，可以设计出不同的换热方案，在设计合理的前提下，为了减少有效能的损失，合成最大热回收量，以最小设备数、最小换热面积、最小操作费用为目标，进行不同方案的筛选和优化。从而确定出最后的换热方案如下。图1-3 优化后的换热网络1.2.3 节能效果通过换热网络的优化，能耗明显降低。图1-4 匹配前热集成公用工程及换热面积指标图1-5 匹配后热集成公用工程及换热面积指标下表为公用工程的节省情况。表1-1 热集成前后冷热公用工程对比表项目热公用工程/(kJ/h)冷公用工程/(kJ/h)换热单元数总换热面积/m2匹配前1.9481075.271107254804匹配后02.073107202635节省100%60.7%20%45%由此可以看出，进行冷热流股匹配后，前三工段公用工程耗量下降明显，能够节省热耗100%，节省冷耗60.7%，即将高温物流的热能全部利用，冷公用工程用量也相应降低。同理，对第四工段碳捕集工段进行换热网络优化，得到能耗表4-8。表1-2 热集成前后冷热公用工程对比表项目热公用工程/(kJ/h)冷公用工程/(kJ/h)换热单元数总换热面积/m2匹配前4.2981076.316107134804匹配后02.018107214325节省100%68%-54%10%由此可以看出，进行冷热流股匹配后，第四工段公用工程耗量下降明显，能够节省热耗100%，节省冷耗68%，即将高温物流的热能全部利用，冷公用工程用量也相应降低。综上，优化换热网络，能节省热耗100%，节省冷耗65%，有良好的节能效果和经济效益。1.3 换热