Word20031-设计文档集6、换热网络

40万Nm3/h燃煤烟气深度脱硫设计方案 换热网络换热网络目录1、能量集成与节能21.1 概述21.2换热网络设计31.2.1物流信息提取31.2.2最小传热温差的确定31.3节能效果81.4换热网络可行性验证81.5能量回收81.6其他节能措施91、能量集成与节能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。对全过程物流提取信息提取见表4-1所示。表1.2-1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/h)0309_To_0307340.2502511.577291350207_To_020873.78517841420036550112_To_010720804489.372694950102_To_012014090553700276868420210_To_02118440241611063708注：代表热物流，代表冷物流。1.2.2最小传热温差的确定图1.2-1 热回收网图络公用工程成本与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4-2，我们可以看到，热公用工程和冷公用工程都随Tmin的增大而增大，而且二者用量平行增加。对于设备费用而言，Tmin存在一个最佳值，当Tmin增加时，夹点处换热器面积减少，设备投资费用也迅速下降，但是超过最低值后，由于外加热、冷却单元数增加，设备投资费用又开始增加。图1.2-2 总成本与最小传热温差Tmin的关系图最终，我们可以得到总成本与最小传热温差Tmin的关系图4-3，从而确定最小传热温差Tmin。由上图我们看出，当最小传热温差Tmin在0-15时，总成本最小基本不变，但当最小传热温差进一步扩大时，总成本急剧变大。此外，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10，通过软件绘出如下温焓图和总组合曲线图。如图4-4、图4-5所示：图1.2-3物流温焓图（优化前）图1.2-4物流总组合曲线图（优化前）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。表1.2-2夹点温度表夹点温度（）最小公用工程耗量(kJ/h)冷段热端热公用工程冷公用工程70.080.026949527476030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。为了进一步回收热量，本团队拟使用MVR技术，增加蒸发水汽的温位，同时也减少了公用工程的使用量。同时，由于锅炉出口烟气温度较高，反应温度90度为最适宜温度，烟气中有大量预热可以利用，拟运用这部分余热预热锅炉水，提高能量利用率。将相应热集成技术应用到换热网络后，得到各工段组合曲线图与总组合曲线图。表1.2-3：传统技术同MVR技术比较传统公用工程加热MVR技术加热蒸汽消耗 t/h30.02（补充蒸汽）耗电量 kW/h5090时运行成本 元/h307.571.5年运行成本 万元/h（以7800小时计）239.8555.77每年节省费用 万元184.08注：低压蒸汽200元/t 电0.75元/千瓦时 表1.2-4：物流提取信息（优化后）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/h)0103_To_01012045.51.087E6276868390309_To_0307340.2502511.577291350207_To_020873.78517841420036550112_To_010720804489.372694950205_To_0106224.986.051639322732590102_To_012014090553700276868420210_To_021184402416110637080204_To_010686.185.5463874269495注：代表热物流，代表冷物流。图1.2-5物流温焓图（优化后）图1.2-6物流总组合曲线图（优化后）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。如图4-8所示。图1.2-7换热匹配方案1.3节能效果表1.3-1公用工程节能信息项目热公用工程/(kJ/h)冷公用工程/(kJ/h)匹配前26949527476030匹配后01792843物流匹配节能百分率100%93.4%由此表看出，进行冷热流股匹配后，热公用工程全部用物流间换热取代。冷公用工程用量大大降低，达到了很好的节能效果。1.4换热网络可行性验证最终将换热网络在Aspen plus中对换热网络模拟如下图所示：图1.4-1换热网络模拟图1.5能量回收本项目中能量回收情况如表4-4所示：表1.5-1 能量回收一览表序号名称能量回收量（KW）1物流间换热（E0101）76912物流间换热（E0201）953物流间换热（E0103）269总计8055由上表可得出，经过换热网络设计，可节约大量高品质的能量，大量公用工程的能量得到节约，符合环保节能型工业的要求。1.6其他节能措施本项目为坐落在山西省原平市经济技术开发区山西晋北铝业一套的240t/h循环流化床烟气处理装置，对能量的消耗量较大，在项目运行管理和日常操作的时候都应该注意节约能量。除了对项目车间进行全场换热网络热集成设计之外，还有以下值得注意的节能措施：（1）装置采用联合布置和装置间热进料，减少中间罐的数量及热量损失；（2）合理安排本装置和此分厂其他车间的蒸汽平衡和热交换网络，利用装置剩余热量对需热物流加热。同时对全厂各系统用汽加以优化，使全厂用汽与产汽之间基本达到平衡；（3）大型转动设备采用蒸汽驱动，减少能量转化过程的效率损失；（4）动力供应和工艺过程相结合，高中压蒸汽尽量先用作动力，驱动工艺透平设备，产生的蒸汽用于工艺过程，以提高能量利用效率；（5）对装置及系统产生的凝结水、锅炉排污和生产污水进行深度利用，处理后的回收水用作循环水补水；对于能够进行一水多用的设备及工艺尽量做到一水多用，从而节省水耗量，降低能耗；（6）减少新鲜水用量，减少排污，清污分流。污水处理场进水分为高浓度污水和低浓度污水，高浓度污水处理后排放，低浓度污水处理后回用；（7）换热器采用