5-3附录三 能量回收的换热网络设计

山东无棣热电厂24MW抽凝机组含硫废气深度脱硫及资源化利用项目 能量回收的换热网络设计山东无棣热电厂24MW抽凝机组含硫废气深度脱硫及资源化利用项目能量回收的换热网络设计浙江大学追化工的人团队队员：吴益昆 杜乔昆 高扬 杨吉祥 马玉龙 指导老师：胡晓萍 目录能量回收的换热网络设计1一、概述1二、工艺流股提取1三、确定能量目标2四、换热网络设计6五、热泵蒸发分析8六、总结10追化工的人能量回收的换热网络设计一、 概述本项目是为母厂处理含硫废气的分厂，运行操作成本是一个重要评价参数。原料的预热、产品蒸发结晶、精馏等都是非常耗能的过程，会消耗大量的公用工程。本项目采用含硫废气深度脱硫后制备环丁砜同时联产无水亚硫酸钠工艺。该工艺由尾气吸收、二氧化硫解吸、环丁烯砜制备、环丁砜制备和亚硫酸钠制备五个工段组成。流程中冷热物流均比较多，潜在的热量可供回收，通过对换热网络的设计和优化，可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，降低能耗。为此，我们运用Aspen Energy Analyzer V9软件来进行换热网络的设计，并且寻找可能节能的措施，以最大限度的降低成本。本项目需要的冷公用工程包括冷却水和-65冷冻剂，热公用工程包括为125的低压蒸汽、175的中压蒸汽和250的高压蒸汽，可由厂区公用工程站和冷冻站提供。为了充分集成过程中的热量，本项目在二氧化硫解吸工段采用了热泵蒸发技术。热泵蒸发充分利用了温差小、跨夹点传热的蒸发器，通过改变二次蒸汽温位使原本不能换热的流股有换热的可能，从而提高了可回收能量的比率，实现了较大程度的节能。通过热泵蒸发及热集成技术，本项目节能7473kw，能量回收率为54.7%。共需热公用工程为2718W，冷公用工程为3481kW，实现了较大程度的能量回收利用。其中，冷公用工程包括副产959kW的低压蒸汽二、 工艺流股提取我们提取过程中可用于能量集成的工艺流股，如下表所示。其中，不包含反应器R0301以及R0401的相关流股。但在反应器设计过程中，我们对R0301和R0401使用了冷公用工程进行换热，因此在本项目公用工程统计时依然会考虑这部分冷公用工程，这一点在后续会有进一步说明。表2-1 工艺过程物流信息表（不含热泵蒸发）过程流股加热器名称进口温度/出口温度/能量/kw0104 TO 0105E010144.07 55.00 125.10 0201 TO 0204E020156.98 90.00 256.50 0208 TO 0209E020290.00 107.89 2846.80 0211 TO 0212E0203107.89 48.00 -45.30 0216 TO 0218E0204107.89 96.00 -2613.80 0225 TO 0227E020696.13 55.00 -196.30 0229 TO 0230E020720.00 45.90 185.30 0220 TO 0221E0205271.61 36.35 -348.90 0305 TO 0306E030148.52 35.00 -63.18 0310 TO 0311E030235.66 133.00 135.17 0312 TO 0313E0303125.29 74.00 -24.73 0315 TO 0316E0304113.85 94.00 -8.65 0317 TO 0318E0305100.70 78.00 -9.19 0323 TO 0325E0306761.81 50.00 -276.34 0329 TO 0330E0307-52.11 55.00 34.96 0332 TO 0333E0308101.49 111.50 9.50 0403 TO 0404E040120.00 55.00 39.81 0425 TO 0426E040255.91 165.00 188.05 0429 TO 0430E0403175.00 35.00 -65.05 0431 TO 0432E0404133.49 70.00 -662.03 0434 TO 0435E040570.00 35.00 -39.81 0504 TO 0505E050120.20 35.00 10.80 0507 TO 0511E050249.86 215.33 1284.10 0512 TO 0513E0503145.12 138.00 -570.70 0516 TO 0518E0504138.00 41.50 -106.20 0524 TO 0526E0505145.18 35.00 -691.90 表2-2 塔设备物流信息表（不含热泵蒸发）塔位号换热器类型进口温度/出口温度/能量/kwT0302Condenser63.71 -52.12 -364.03 T0302Reboiler77.96 101.61 321.44 T0401Condenser135.73 133.49 -472.28 T0401Reboiler151.96 174.97 1017.16 三、 确定能量目标将上述工艺流股信息输入到Aspen Energy Analyzer V9，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-最小传热温差关系曲线如图3-1所示。图3-1 总费用与Tmin关系曲线（不含热泵蒸发）由图3-1可知，最小传热温差为10时，总费用最小。选择最小传热温差为10，得到组合曲线如图3-2所示。图3-2 组合曲线（不含热泵蒸发）由图可以看出，夹点附近存在较长的倾斜平台区，经分析可知，蓝色线的冷流体平台表示E0203蒸发过程的相变热，红色线的热流体平台表示E0204二次蒸汽冷凝过程的相变热，两者温差接近0。因此可以采用热泵技术，提升蒸发所产生二次蒸汽的温位，将其用于蒸发过程的加热，从而增加系统内部的换热量。增加热泵之后，在Aspen中重新模拟全流程，得到新的流股信息，如表3-1、3-2所示：表3-1 工艺过程物流信息表（含热泵蒸发）过程流股加热器名称进口温度/出口温度/能量/kw0104 TO 0105E010144.07 55.00 125.10 0201 TO 0204E020156.98 90.00 256.50 0208 TO 0209E020290.00 107.89 2846.80 0211 TO 0212E0203107.89 48.00 -45.30 0216 TO 0218E0204143.0196.00 -2823.50 0225 TO 0227E020696.13 55.00 -196.30 0229 TO 0230E020720.00 45.90 185.30 0220 TO 0221E0205271.61 36.35 -348.90 0305 TO 0306E030148.52 35.00 -63.18 0310 TO 0311E030235.66 133.00 135.17 0312 TO 0313E0303125.29 74.00 -24.73 0315 TO 0316E0304113.85 94.00 -8.65 0317 TO 0318E0305100.70 78.00 -9.19 0323 TO 0325E0306761.81 50.00 -276.34 0329 TO 0330E0307-52.11 55.00 34.96 0332 TO 0333E0308101.49 111.50 9.50 0403 TO 0404E040120.00 55.00 39.81 0425 TO 0426E040255.91 165.00 188.05 0429 TO 0430E0403175.00 35.00 -65.05 0431 TO 0432E0404133.49 70.00 -662.03 0434 TO 0435E040570.00 35.00 -39.81 0504 TO 0505E050120.20 35.00 10.80 0507 TO 0511E050249.86 215.33 1284.10 0512 TO 0513E0503145.12 138.00 -570.70 0516 TO 0518E0504138.00 41.50 -106.20 0524 TO 0526E0505145.18 35.00 -691.90 表3-2 塔设备物流信息表（含热泵蒸发）塔位号换热器类型进口温度/出口温度/能量/kwT0302Condenser63.71 -52.12 -364.03 T0302Reboiler77.96 101.61 321.44 T0401Condenser135.73 133.49 -472.28 T0401Reboiler151.96 174.97 1017.16 将以上流股信息输入Aspen Energy Analyzer V9中。对最小传热温差进行经济评估，获得总费用-温差关系曲线如图3-3所示。图3-3 总费用与Tmin关系曲线（含热泵蒸发）兼顾公用工程传热温差的可行性，在图中选取总费用最小且变化趋势相对平稳部分的温度作为最小传热温差进行后续计算。由图可以看出，传热温差为10时总费用最小，因此此处选取最小传热温差为10。在设定最小传热温差后，获得的组合曲线如下图所示：图3-4 组合曲线（含热泵蒸发）从组合曲线上我们可以得到我们热集成所的能量目标；需要热公用工程能量为1250kW；需要冷公用工程能量为1563kW；夹点温度145.1，135.1。得到总组合曲线如图3-5所示。图3-5 总组合曲线（含热泵蒸发）通过对总组合曲线进行判断，可以得出流程内部换热后，需要达到的最高温度在250以下，因此只需要蒸汽进行加热即可，同时为了节约成本，应该使用多种品味蒸汽以降低高品位蒸汽消耗，因此我们热公用工程采用125的低压蒸汽、175的中压蒸汽和250的高压蒸汽。需要达到的最低温度为-52，因此需要采用低温冷冻剂，其他使用循环冷却水即可。四、 换热网络设计换热网络的设计，自由度较大，所获得的方案数目众多，但是合理的换热网络需要经过筛选与优化。在设计换热网络时，需要考虑工艺流股换热的可能性，最好还要将设备费用等因素也考虑进去，以便获得最为合理的换热网络。为简化换热网络，将从flow sheet中得到的流股分流设置为1。在Aspen Energy Analyzer V9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过程。设计方案如图4-1所示：图4-1 优化前的设计方案该换热网络的换热器数目为42台，按照最小换热器台数原则，还可以撤去若干台换热器。该换热网络中有部分换热器换热面积很小，热负荷也很小，可以删去。当用多种公用工程换热时，可适当减少操作费，但会增加换热器数目和设备费。比如在使用冷却水和制冷剂冷却时，如果冷却水冷却的负荷较小，则可直接使用制冷剂，而不使用两种公用工程，以节省一台换热器的设备费。换热网络中存在6个loop回路，在实际操作中，一般不能有loop回路的存在，故应该删去负荷或者换热面积较小的换热器，将其合并到换热器，打破回路，减少换热器数目。再通过path通路来调节换热量，使换热器的热负荷得到松弛，甚至减少换热器的数目。另外，相距较远的物流间换热会使管路成本增大，增加设备投资成本，且操作不稳定，此类换热器需要删除。经过以上调节之后，最后获得换热网络如图4-2所示。图4-2 优化后的设计方案优化后的换热网络所需换热器数目为31台，包含7个流股热量回收利用的换热器，数目减少且结构更为精简，可回收热量7473kW。在该换热网络中，公用工程使用情况如表4-1所示：表4-1 该换热网络公用工程信息表项目冷公用工程/kW热公用工程/kW总计/kW直接公用工程6768645513223换热网络设计303227185750此外，对反应器R0301和R0401使用的公用工程未包含在换热网络设计中。其中， R0301使用的冷公用工程为124低压蒸汽冷凝水，负荷为148kW；R0401使用的冷公用工程为循环冷却水，负荷为301kW。加上这两部分公用工程后，则本项目公用工程使用情况如表4-2所示：表4-2 本项目公用工程信息表项目冷公用工程/kW热公用工程/kW总计/kW直接公用工程7217645513672换热网络设计348127186199能耗减少量/%51.857.954.7因此，本项目经过优化后，可节能7473kW，能量回收率为54.7%。其中，所需热公用工程为2718W，所需冷公用工程为3481kW，冷公用工程包括副产959kW的低压蒸汽。五、 热泵蒸发分析在无热泵蒸发时，组合曲线如图5-1所示。图5-1 组合曲线（不含热泵蒸发）由图可以看出，在100左右存在较长的倾斜平台区，经分析可知，蓝色线的冷流体平台表示E0203蒸发过程的相变热，红色线的热流体平台表示E0204二次蒸汽冷凝过程的相变热，两者温差接近0且跨越夹点。同时，该温差较小不足以达到最小传热温差，使过程中可供回收的热量很少，如果通过改变物质的汽化温度，使两平台“错开”，从而回收更多的能量。结合以上两点原因，我们设计了热泵蒸发的方式来进行有效的能量回收。通过热泵蒸发，将功转化成热能，提高流股的温位，使原本不能换热的流股可以进行换热，从而减少公用工程的用量。这样，消耗少量电能（用以做功）便可以节省大量的冷量与热量，从而节能。通过对二次蒸汽进行加压升温，提高二次蒸汽的温位，将其用于蒸发过程的加热，部分蒸汽则在换热过程中放出热量凝成液体，其结构如图5-2所示。1-预热器 2-蒸发器加热室 3-蒸发器蒸发室 4-压缩机 5-气液分离器图5-2 热泵蒸发流程图若不使用热泵蒸发，其二次蒸汽冷却能耗为2614kW，其加热室加热能耗为2847kW，总能耗为5461kW；使用热泵蒸发时，压缩机电耗为86.62kW，机械能和电能是比热能更高价值的能量形式，电热转换系数约为3.29，故热泵蒸发总能耗为285kW，节省5176kW，蒸发过程总能耗节约94.78%。在无热泵蒸发时，从组合曲线上我们可以看到，夹点的两侧有因为物质汽化潜热所造成的“热平台”，使得过程可以回收的热量很小。在引入热泵蒸发之后，由于流股的温位提升，使得热平台中热流股的一部分提高，可以和冷流股进行更多的换热，于是提高了能量回收率。在未使用热泵蒸发技术时，换热过程的组合曲线如图5-1所示，理论可回收能量为9655kW，能量回收率为74.2%，理论所需冷公用工程1731kW，热公用工程1627kW。在使用热泵蒸发后，换热过程的组合曲线如图5-3所示，理论可回收能量为10410kW，能量回收率78.7%，理论所需冷公用工程1563kW，