5 - 节能优化与换热网络

年产20万吨硫磺联产7000万立方米氢气酸性气体脱硫与资源化装置节能优化与换热网络封面目录第一章 概述1第二章 换热流股和公用工程的确定2第三章 确定能量目标3第四章 换热网络的设计与优化5第五章 热泵精馏节能分析效果85.1 热泵精馏节能原理85.2 热泵精馏节能效果分析9第六章 总结与分析11第一章 概述本项目为天津石化脱硫设备的改进，运行成本是其中一个很重要的考核参数，其中很重要的一部分是公用工程的消耗。通过换热网络的设计和优化，可以尽可能地实现对内部流股热量的集成和最大化利用，减少公用工程的消耗。本项目采用克劳斯配合硫碘循环脱硫工艺，该工艺由酸性气体吸收解吸工段，硫碘循环制氢工段和克劳斯硫磺回收工段共三个工段组成。从整个工艺流程来看，本项目需要较大量的公用工程，包括冷却水、-5的制冷系统（冷冻盐水）两个等级，而热公用工程主要用于流股的预热及塔釜的再沸器加热等过程，所使用的热公用工程为0.5MPa、150的低压蒸汽、1.0MPa、180的低压蒸汽、3.5MPa、242的高压蒸汽。所用公用工程来源均来自天津石化的资料和数据分析。冷公用工程使用本项目厂区内的循环水站及冷冻站产生，热公用工程使用本项目厂区内其他工段的沸程壳水的换热产生。为了充分集成过程中的热量，本项目采用了闭式热泵精馏在反应精馏设备上节省能量，同时设计全厂换热网络来提高能量集成的效果。热泵精馏充分利用了温差小、跨夹点传热的精馏塔，通过改变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。热泵精馏以工质的来源可分为两大类:一类是直接式热泵精馏,以塔中的物质为工质;另一类是间接式热泵精馏,以额外的循环物质(如制冷剂、水等)为工质。由于反应精馏塔温度较高，因此选择水作为循环介质，进行能量集成使用。热泵精馏的流程选择要密切结合具体条件(如当地的燃料价格,所利用余热的品位及数量,高品位能的用途等),以便充分发挥各热泵精馏流程的优势,取得最大的节能效果和经济效益。第二章 换热流股和公用工程的确定之后开始过程流股的提取过程，其中注意的是需要将中间流股和塔设备的流股分来来看，其中排除的几个流股不输入，使得组合曲线便于分析。过程过程流股提取如下：表 2.1 过程流股物流信息表过程名称进口温度/出口温度/热负荷/kW31-13_To_31-1580.98481702694.41231-16_To_31-171701301216.83722-24_To_22-26200.19927696863.522-13_To_22-1659.99998176.042114430130-7_To_30-8247.789496766431-10_To_31-11159.95282001292.574STR-1_To_STR-2242.6241.64334122-33_To_22-3419917643926.420-1_To_20-220.513674330-9_To_30-9-1252.6160330031-18_To_31-18-1137130191.410-3_To_10-446.91072288010-6_To_10-8122432503021-8_To_21-968606992.51表 2.2 塔设备物流信息表过程名称进口温度/出口温度/热负荷/kWT0102-TOP108.120.568670T0102-BOTTOM120.912268350T0202-TOP187.1186.276365T0202-BOTTOM198.3200.237752由于设计的脱硫系统资源化装置建立在天津石化，因此所需要的公用工程需要确定，根据调查，得到可以使用的公用工程情况如下：表 2.3 公用工程物流信息表过程名称进口温度/出口温度/冷却水3242中压蒸汽180179高压蒸汽242.6241.6低压蒸汽151.9150.9冷冻盐水-50第三章 确定能量目标将上述工艺流股信息输入到 Aspen Energy Analyzer V8.8，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-温差关系曲线如图所示。图3.1 总费用与Tmin关系曲线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。分析此图可以看出，最高效的传热温差为8.5，但是鉴于最小传热温差增大可以减少公用工程的耗费，而且经验来说10以上比较符合真实情况，因此此处选取最小传热温差为 11.5比较合理。在设定最小传热温差后，获得的组合曲线如下图所示图3.2 组合曲线从组合曲线上可以得出热集成所需要的目标：需要的热公用工程量59630KW,需要的冷公用工程量10238KW,最少换热器个数16个。得到的总组合曲线如图3.3所示：图3.3 总组合曲线通过对总组合曲线进行判断，可以看到，需要达到的最高温度为250，因此需要燃气炉进行加热，同时为了节约公用工程用量应该使用多种蒸汽以降低蒸汽消耗。其中主要是将克劳斯脱硫工段燃烧炉设备产生的大量热量，通过废热锅炉将沸程壳水转变为高质量的高压蒸汽供给一下硫碘循环以及双塔吸收工段使用。需要达到的最低温度为20，由于天津石化的冷公用工程最低温度32，因此需要用到冷冻盐水进行降温。同时，冷公用工程还使用循环冷却水进行换热。第四章 换热网络的设计与优化换热网络的设计，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。首先先通过Aspen Energy Analyzer V8.8得到优化方案，其中为了工程的合理性和计算方便，初设最多10个推荐方案，每个流股最大数不超过2，这里主要因为精馏塔的热虹吸式再沸器分支流股数超过2将不符合工程实际条件。因此控制变量与如下图所示：图4.1 推荐设计的自由度分析之后得到10个初步设计如下图所示，而系统比较的是换热面积和节省能量方面，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，如图所示，A_DESIGN5作为最合理的初步设计方案。图4.2 ASPEN推荐设计的比较情况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，以换热量和公用工程分流比率为变量，对该方案进行优化，使 得其总的操作费用最小，优化后的设计方案如下图所示。图4.3 换热网络初步设计图该换热网络的换热器数目为22台，按照最小换热器台数原则，还可以撤去若干台换热器，从换热网中可以看到，有些换热器能量很小，甚至接近0MW，这些换热器的设置并不合理，可以撤除。在松弛和消融的过程中主要要注意一下几个方面：第一，对于在换热过程中发生相变化或组成变化的物流，其热容流率CP值并非一个常数，但是能量分析器中默认为常数处理。当牵涉到多公用工程换热时，冷却水与制冷剂的负荷分配与能量分析器计算是有出入的，因为CP不应作为常数处理。比如分离反应产物时，需要将产物与未反应的气体分离，需用冷凝器来实现该过程，由于物料组成的变化，CP也不断变化，实际上两种公用工程的负荷分配与能量分析器给的结果不同。如果冷却水冷却的负荷较小，则可直接使用制冷剂，不使用两种公用工程，以节省一台换热器的设备费。第二，在换热网络中出现的换热器回路也是使得操作费用增加的原因，在实际操作中，一般不能有回路的存在，故应该合并内的两台或多台换热器，使得回路被打破，系统自由度降低。所谓回路，主要在换热比较频繁的位置，以初步设计的网络为例，下图当中，22-24与22-16进行了多次换热，存在一个回路，这时候需要将两次换热合并成一股，以符合工程情况。图4.4 换热网络中回路示意图第三，在换热网络的工程中存在着一些多次换热的情况，正常来说，能量较高的流股多次换热符合节省能量的原则，但是多次换热中不仅存在这换热设备的负担，同时不同工段之间的整合更是大大加剧了管道布置和配管设置的障碍，因此需要将某些换热频繁的流股进行简化，此时可以通过夹点换热，以达到消融和松弛的目的。以上三个原因增加了换热器台数，用 Aspen Plus V8.8的 HeatX 模块模拟工艺物流的换热，获得准确的换热量，剔除掉换热量较小的换热器。此外还可以通过冷热公用工程之间的“通路”Path 来调节各 Path 上的换热 量，从而达到松弛换热器热负荷，甚至减少换热器数的目的。经过以上调节之后，得到优化之后的换热网络如下：图4.5 消融松弛优化后的换热网络优化后最终实施的换热网络所需换热器台数为16台，数目减少且结构更为精简，跟最小换热器数相等，说明符合换热网络的节能要求。设计中包含6个流股热量回用的换热器，而且符合最小传热温差的要求。经过优化后进行比较如下图所示，优化后共需要冷公用工程126.00MW，热公用工程69.09MW。不含股间换热的情况共需要冷公用工程297.20MW，热公用工程240.03MW。冷量节省57.6%，热量节省71.2%，回收能量114.3MW。所使用的冷公用工程为：冷却水（32）、冷冻盐水（-5）；所使用的热公用工程为：高压蒸汽（3.5MPa）、中压蒸汽（1.0MPa）、低压蒸汽（0.5MPa）。图4.6 优化后的换热网络节能比较第五章 热泵精馏节能分析效果5.1 热泵精馏节能原理热能消耗在全球的能源消耗中，所占比例最大。在能量的不断转化过程中，约有585%的能量是以排气、蒸汽、热水(低温)等热量形式损失的，其中，100以下的热损失能占很大的比重。在化学工业、石油化工生产中，精馏是一个主要的耗能领域。大工业精馏装置能源利用率虽然不到10%，但是常规精馏塔具有设备简单、初期投资低等优点，至今仍被人们广泛采用。当精馏塔的塔顶塔底温度跨越夹点的时候，如果进行热泵精馏可以有效回收，一部分能量，从而使得冷热公用工程用量均可以明显减小，从而节约能量。热泵精馏以工质的来源可分为两大类:一类是直接式热泵精馏, 以塔中的物质为工质;另一类是间接式热泵精馏, 以额外的循环物质(如制冷剂、水等)为工质。热泵精馏的流程选择要密切结合具体条件(如当地的燃料价格,所利用余热的品位及数量,高品位能的用途等), 以便充分发挥各热泵精馏流程的优势, 取得最大的节能效果和经济效益。热泵是一种将能量由低温处(低温热库) 传送到高温处(高温热库) 的装置。且它提供给温度高的地方的能量要大于它运行所需要的能量。对于精馏生产而言，如果能把塔顶气相的热量充分用于加热塔底物料，就能节省大量的外供热和供冷。节能原理如图所示：图5.1 间接式热泵精馏示意图主要部分组成:精馏塔(1)、压缩机(2)、驱动器(3)、蒸发器(4)、辅助蒸发器(5)、冷凝器(6)、膨胀阀(7)。在闭循环中,循环工质在冷凝器6中吸收塔顶产品的冷凝热而自身汽化,经过压缩机2压缩后,把它升高到一个较高的压力和温位,之后在塔底蒸发器4中该工质再次冷凝,把它的热量传递给蒸发的塔底产品。由此,工质经过膨胀阀7进入冷凝器6进行再循环,从中可以看到,这充分利用了精馏系统本身凝结所放出的热量。间接式热泵精馏的适用范围是热敏产品、腐蚀性介质或塔顶产品不宜压缩的精馏系统。间接式热泵精馏的特点是：(1)塔中的待分离产品与工质完全隔离;(2)可使用标准精馏系统, 易设计和控制。5.2 热泵精馏节能效果分析由于碘化氢具有腐蚀性，进行流股换热对管道的负荷和要求极大，因此采用间接式热泵，以水蒸气作为工质进行循环，使用ASPEN模拟热泵精馏过程如下图所示：图5.2 间接式热泵精馏ASPEN模拟示意图若不使用热泵精馏，其塔顶冷却能耗为 76365.5kW，塔底加热能耗为 37552.0kW；使用热泵精馏时，压缩机电耗为 5112.9kW，辅助冷却器冷却能耗为 43926.4kW。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，因此热泵精馏加热能耗为 16821.3kW。普通精馏与热泵精馏能耗对比如下表所示，总能耗节约了 46.67%。表 5.1 普通精馏与热泵精馏能耗对比表普通精馏热泵精馏节能率/%冷却能耗/KW76365.543926.442.48加热能耗/KW37552.016821.355.21总能耗/KW113917.560747.746.67在无热泵精馏时，从组合曲线上可以看到，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。在引入热泵精馏之后， 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。在未使用热泵精馏技术时，需要重新对换热网络进行设计，换热过程的组合曲线如下图所示，发现明显有平台区，而且由于反应精馏塔耗能十分巨大，因此窄点温度和总体GCC曲线也有变化。 图5.3 普通精馏时的组合曲线图5.4 普通精馏时的总组合曲线理论可回收能量为223.75MW，理论上最大的能量回收率为73.67%。当使用热泵精馏的时候，在使用热泵精馏后，换热过程的组合曲线如下图所示。理论可回收能量为297.20MW，理论能量回收率达 89.41%。第六章 总结与分析本项目使用了热集成节能技术，运用了 Aspen Energy Analyzer 软件，实现 了较大能量回用的换热网络设计。过程中还使用了分隔壁塔、热泵精馏等新型节 能技术，节约了大量能量。通过本换热网络可以看出，进入碘化氢反应精馏塔的流股由于其中含有较多的碘单质和碘化氢，质量流量较大，因此需要大量的热量。同时在反应精馏塔塔釜产品进入洗涤塔的液体需要预冷，流股的匹配尤为重要。项目的脱硫工艺将克劳斯传统工段和硫碘循环的创新资源化工段相结合，根据能量集成的分析考虑主要有以下两