8 换热网络设计

铜冠冶化烧结烟气处理与资源化利用项目 换热网络设计2017年“东华科技-陕鼓杯”第十一届全国大学生化工设计竞赛铜冠 冶化烧结烟气处理与资源化利用项目换热网络设计团队名称：合肥工业大学开拓者团队指导老师：杨则恒、姚运金、徐超、张卫新团队成员：孟蓉炜、席裕明、沈国涛、卢雁航、邹雷完成时间：2017年7月目录1. 设计概述42. 设计依据43. 工艺流股提取54. 确定能量目标65. 换热网络设计86. 总结10换热网络设计1. 设计概述本项目为铜冠冶化烧结烟气处理与资源化利用项目，建设目的是对铜冠冶化总厂铁球厂中烧结机所排放的4105m3/h烧结尾气进行净化，使烟气中的二氧化硫、氮氧化物等大气污染物达到对应国家排放标准。经济因素是建设项目中的决定性条件之一，由于本项目并非盈利性项目，因此更需要考虑运行成本等问题。公用工程消耗在运行成本中占有很大部分，因此需要进行换热网络的设计与优化从而降低相应不必要的经济损失。夹点分析是本项目优化换热网络的主要手段，通过对内部流股热量的集成和最大化利用，从而减少公用工程的消耗。本项目具体分为SCR脱硝工段、前处理工段、超重力脱硫工段和硫酸制备工段。其中，前处理工段的含尘废水不能与其它工段的水进行换热，因此需排除在换热网络之外。通过对换热网络的设计，以尽可能地实现流程内部热量的集成和最大化利用，以减少公用工程的消耗，从而减少能耗。为此，我们运用 Aspen Energy Analyzer V8.4来进行换热网络设计，并寻找可能节能的措施，以最大限度地降低成本。从整个工艺流程来看，本项目需要大量的公用工程，冷公用工程为7与15的循环冷却水，来源于总厂循环冷却水系统；热公用工程为107的低压蒸汽，来源于总厂的蒸汽系统。为充分集成过程中的能量，本项目采用二效蒸发工艺、蒸汽冷凝水预热原料以及工艺物流间的换热等节能措施。蒸发结晶采用二效蒸发工艺较单效蒸发而言，可节省蒸汽40%左右。工艺物流间的换热既可以节省换热器的数量，又可以节省冷热公用工程用量。2. 设计依据长期以来，不同功能系统多是相互独立的。常规动力系统的核心为热力循环，侧重于热与功的转换利用，局限于物理能范畴，受制于卡诺理论框架。而传统化工生产则侧重于组分调整，把原料中的有效成分最大程度转化为产品，但相应措施多伴随着能耗不断攀升。它们追求单一功能目标的思路无法破解能耗高、化学能损失大及环境污染严重等难题。因此系统整合思想受到重视，多能源互补和多产品联产已成为当今世界能源动力系统发展的主要趋势与特征。化工动力多联产是指通过系统集成把化工过程和动力系统整合，在完成发电、供热等热工功能的同时生产化工产品，实现多领域的多功能综合，其本质特征是联产概念的系统集成，更合理的物质与能量综合梯级转换利用。而与企业的系统集成可以说是化工动力多联产系统的一部分，它通过与企业之间进行的能量与物料的集成，达到各种能源的最大利用化以及污染物质排放的最小化的目标。因此本项目主要针对能量与物料在厂内以及与外部之间进行集成。3. 工艺流股提取选择相变点进行物流分段，通过Aspen Energy Analyzer 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。第二、第三工段的物流提取信息提取见表3-1所示。表3-1第二、第三段物流提取信息（优化前）物流名物流符号进口温度出口温度热容流率kJ/Ch换热量kJ/h2-24 To 2-26108.078.11.9461073-46 To 3-48107.1107.61.1781065.8881053-41 To 3-4230.090.075384.5231053-35 To 3-3795.0181.12.2601041.9451063-47 To 3-49107.1107.503-43 To 3-4495.0107.13.0381043.6891053-19 To 3-20471.9420.044022.2851053-17 To 3-18558.7438.044545.3761052-5 To 2-1043.592.58.5881053-15 To 3-16625.6495.045085.8881052-37 To 2-3895.760.01.7481072-42 To 2-4374.640.01.3591063-21 To 3-22428.2297.143065.6461053-22-2 To 3-23358.3180.041917.4741053-12 To 3-14130.1395.041601.1021062-28 To 2-29104.195.31.2911073-28 To 3-29222.2190.05.2341041.6871063-33 To 3-40190.671.61.080106注：代表热物流，代表冷物流。4. 确定能量目标将上述工艺流股信息导入 Aspen Energy Analyzer V8.4 中，选择适宜的公用工程，在能量分析器中，对最小传热温差进行经济评估，获得总费用最小传热温差曲线如图 4-1 所示：图4-1 第二、第三工段总成本与最小传热温差Tmin的关系图为了使换热器具有一定的传热温差推动力的同时，不使传热温差过大而增加设备投资，本项目取定最小传热温差为14，通过软件绘出如下温焓图和总组合曲线图。如图4-2、4-3所示。图4-2 第二、第三工段物流温焓图（优化前）图4-3 第二、第三工段物流总组合曲线图（优化前）通过上图确定夹点温度和公用工程后，就可以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。综合考虑系统中的物流换热潜力、物流性质、以及物流输送等性质，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，还需要考虑设备的个数，以及由于换热面积的改变而产生的设备投资费用。 为了进一步回收热量，提高资源利用率，由优化前的组合曲线可知，有一平台区，相变潜热未充分利用。本项目采用废热锅炉回收余热、利用二次蒸汽加热等热集成技术，将相应的热集成技术应用到换热网络后，得到新的组合曲线图与物流总组合曲线图。如图4-4、4-5所示。图4-4 第二、第三工段物流温焓图（优化后）图4-5 第二、第三工段物流总组合曲线图（优化后）5. 换热网络设计换热网络的设计自由度较大，获得的方案也较多，但合理的换热网络需要经过筛选与优化。在设计换热网络时，需要考虑流股换热的合理性，以节能综合经济效益为目标进行换热网络的优化。在 Aspen Energy Analyzer V8.4给出的 design中选取其中最为经济且换热面积较小的设计方案进行后续优化，设计方案如图5-1 所示：图5-1 第二、第三工段换热匹配方案（优化前）该换热网络方案设计的较为繁琐，换热器数目也较多，有15台。依据最小换热器原则，可以撤去若干台换热器，该设计方案中有部分换热器换热面积很小，热负荷也很小，可以删去。当一流股与多种公用工程进行换热时，可适当减少操作费，但会增加换热器数目和设备费。比如一流股先后使用冷却水和冷剂制冷时，如果冷却水冷却的负荷较小，则可直接使用冷剂制冷，以节省一台换热器的设备费。换热网络中存在较多回路，换热网络中一般不允许回路的存在，可以删去负荷或换热负荷较小的换热器，将其合并到回路中其他的换热器，打破回路，减少换热器数目，再通过路径进行网络松弛。另外相距较远的物流间换热会使管路成本增加，增加设备投资，且操作不稳定，此类换热匹配需删除。经以上调节优化后，最终的优化方案如图 5-2 所示：图5-2 第二、第三工段换热匹配方案（优化后）优化后的换热网络所需换热器台数为13台，包括4个流股热量回收利用的换热器，数目减少且结构更为精简。公用工程如表所示：表5-1 公用工程能耗节省比较表项目热公用工程（kJ/h）冷公用工程（kJ/h）匹配前4.6331054.912109匹配后4.5281054.427109节约公用工程量1.051044.85108节能百分率2.27%9.87%经过优化后，节能，需要冷公用工程1230MW，热公用工程128.7KW。 需要的冷公用工程包括冷却水和7度冷却水，需要的热公用工程包括低压蒸汽，可由园区公用工程站和本厂废热锅炉提供。6. 总结本项目使用了热集成节能技术，运用 Aspen Energy Analyzer V8.4软件