5万吨甲醛装置废气余热资源的发电研究

1、5 万吨甲醛装置废气余热资源的发电研究 江苏凯茂石化科技有限公司 李洪伟 天津电气传动设计研究所 吴 昊 在新编甲醛生产书中 P.500-511 页，已对年产 6 万吨的甲醛装置进行了 物料和热能衡算。本文的甲醛生产工艺基础数据由山东荷泽春润化工有限公司、吉 林森工通化胶粘剂分公司、山东济南圣泉集团股份有限公司提供。 企业用电、节电与发电，关键是节电和能源再利用。每发电1kwh,可减排 C02勺 0.9kg。 本文以 5 万吨的甲醛装置为例展开的节能减排技术改造能耗计算与余热利用 应用计算，并对我国现有低品位能源利用设备进行了广泛调研。在此感谢厦门高谱 科技有限公司、无锡市鑫福压缩机设备有限公

2、司、江西华电电力有限责任公司、上 海齐耀动力技术有限公司、南通宝驹气体发动机有限公司的技术支持。 一、能量转换发电原理 利用热能、位能势能动能、机械能、电子能等做功转换成电能过程称发电。 1 、热能发电 1.1 使用煤炭在锅炉燃烧产生高压过热蒸汽，驱动汽轮机联动发电机的热电 厂，平均燃烧327g的标准煤可发电1kwh,采取高效锅炉和烟道气余热回收节能运 行的热电厂，耗煤仅 170g/kwh。 按汽轮机进气方式分类，有超临界汽轮机22.2MPa(535-565C)、亚临界汽 轮机16-18MPa(535-565C)、超高压汽轮机 12-14MPa(535C)、高压汽轮机 9MPa(500C)、次

3、高压汽轮机 5MPa(435-460C)、中压汽轮机 3.4MPa (435C)、低压汽轮机 1.5MPa(340C)。 1.2汽柴油机、燃气机发电是一种燃料在内燃机通过汽缸活塞做功，经连接曲 轴驱动发电机的一种。各种燃料发电消耗见下表1: 表1.常见燃料发电机消耗指标一览表单 位：/kWh 柴油 汽油 天然气 液化气 沼气 燃料消耗 0.32L 0.36kg 0.6 m3 0.33 m3 0.75 m3 1.3低品位余热能源发电 低压饱和蒸汽属低品质热源，迄今为止还没有一台标准的蒸汽机可以利用 0.4MPa的饱和蒸汽能发电。1999年笔者曾与哈尔滨、杭州汽轮机厂联系150kw的 汽轮发电机组

4、情况，答复是汽轮发电机最小功率1000kW而且需要满足1.5MPa蒸 汽压。如果研发小功率汽轮发电机，前期需要投入500万元，还不能保证研究成 功。 江西华电电力有限责任公司经过 30年的两代热动专家努力，独家研制成功 0.2MPa饱和蒸汽螺杆膨胀动力驱动的发电机组，现已成功应用上百家企业。SEPG 系列螺杆动力机覆盖了单机10W 3000kw发电功率的机组。2009年国家发改委确 认螺杆膨胀发电机为“重大产业技术专项”，2010年全国螺杆膨胀发电机标准化 技术委员会秘书处由该单位承担，目前总投资近50亿元的螺杆膨胀发电机产业基 地已在新余市高新技术产业园落成。 随着石油能源危机的出现，人类不

5、断在寻找新型能源。同时也在关注低品位 能源的利用研究 其中沼气就是一种含40s 60淋度甲烷的新能源，目前各柴油发电机厂家已 经开发上市有多燃料发电机，既可用油也能用燃气的发电机组。 每吨甲醛尾气有582m2 N2氮气占了主要成分，尾气中可燃成分含 H2氢气 19-21%,其它CO CH4 CH3HO CH2O勺1% 属低品位能源。 早年，重庆大方合成化工厂利用改进过的柴油发电机试验了尾气发电情况， 取得了一定的基础数据，问题是发动机缸体易产生积碳。2012年河北省石家庄一 家甲醛企业，应用燃气发电机尾气发电，但出现“爆噼声”而停用。 笔者跟踪上海 711 研究所燃气事业部从事的外燃式动力机

6、6年， 2012年用氢 气燃烧获得了发电机组宝贵数据，不久甲醛尾气就可以直接接入这种机组发电，其 效率远远高于其它类型动力发电机。这种外燃式动力机是斯特林结构的发动机，燃 烧室很大，常压燃烧，运行寿命长，免维护。尺寸 2620X1398X1647,重量 2.2t，运行噪音75dB(A),单机功率50kV，同时产55C热水1.5t/h，总能效 n85% o 2011年4R90GZ外燃式热电联供机荣获“中国分布式能源创新奖”，该事业 部对外为上海齐耀动力技术有限公司，位于上海市张江高科牛顿路400号，由中船 重工711研究所控股。 2、位能势能动能发电 水力发电是利用高低水位的落差动能，驱动水轮机

7、联动发电机，水电厂一般 的单机容量为几百s几千kw,可以利用水流落差来建设梯级电站。江西省丰新县 的老愚公水电厂就有1s4级电站，每级电站可以装多台水力发电机组。 3、机械能发电 风力发电机、压电陶瓷片发电 风力转化为机械力驱动的发电机，到达 2级风时（风速2m/s），风力发电机 就有了电力输出。达到5级风速10m/s时，可满负荷发电，风力发电机可抗 12级 以上风力（风速32.7m/s）。发电量与风速的立方成正比。 压电陶瓷片发电是一种微电量发电器件，常用于电子打火机、煤气点火器 上。在新能源开发利用的影响下，国内已有企业开发出了能发电的地板块。一块 300X 300X 18的发电地板，人在

8、上面踩压一次瞬间发电功率0.15W,电压15V。 4、电子能发电 单晶硅、多晶硅片太阳能发电，半导体温差片发电。禾I用半导体硅Si的PN 结电子伏特位能光、热效应，产生电压电流的输出发电。 尺寸为1640X 990X 40 一块组合式太阳能板的发电功率为 250Vy电压有 12V、24V、35V、48V多种。受日照条件影响，我国东部地区一般 24h可发电 0.75kWh。 半导体温差发电片的尺寸为 40X 40、 56X 56，厚度只有几个毫米，每片多达 127对PN结。典型的单片电压3.5V，发电功率3-5W,其温度响应特性 0.0351V/C。当冷热两面的温差达120C时功率输出最大。利用

9、半导体温差片，可 以把该发电片的受热面可贴在氧化器、吸收塔、热水槽、锅炉烟道、烟筒的外壳热 处，冷面与铝合金散热片或水冷套镶嵌 （目前仍处于研究阶段 ） 。 东北地区应用半导体温差片在锅炉烟道、烟筒壁余热发电，可发电15kW/h。 二、甲醛废气余热发电成本比较 5 万吨甲醛装置年工作 300 天， 37%甲醛产量为 6.9444t/h ，原料单耗 444.651kg/t 为基础数据。企业适用哪种发电方案，选择参见表2。 设备成本 能源条件 并网 副产热水 备注* 尾气外燃式发电机 15000 元/kw 10 m3/kwh V 50 r 30kg/kw 50kwX5 台 螺杆膨胀动力发电机 10

10、000 元/kw 13.68kg/kwh V 90 E 13kg/kw 250kw 温差半导体发电 20000 元/kw 120C外壳壁 选配 50 r kg/kw 最大50kw 三、甲醛企业综合利用尾气余热发电的优点 1、尾气直接发电 对于扩建项目可节省尾气锅炉单元，或传统工艺甲醛装置采用 4R90GZ型外燃 式发电机组接入甲醛尾气，没有多余附属设备。目前现有机组状况，5万吨甲醛装 置尾气可发电175kw/h。 2、锅炉和废锅余汽发电 使用SEPG-300B低温螺杆发电机组，将蒸汽接入螺杆动力机进口管道，没有 多余附属设备。5万吨甲醛装置生产52和醛时余热低压饱和蒸汽可发电 189kw/h。

11、 尾气循环法高浓度配比四元气，节约的配料蒸气 220kg/t （ 37和醛计）。目 前尾气处理锅炉的蒸气产量在 331.09kg/t，氧化器废锅自产蒸气为370.3kg/t,系 统总产汽量701.39kg/t（37%甲醛计）。 反应前工艺预热消耗蒸汽247.88kg/t，配料用汽81.3kg/t （ 37%甲醛计）， 系统结余蒸汽： 701.39kg/t- (247.88+81.3)kg/t=372.21kg/t 5 万吨尾气法甲醛装置按 52%高浓甲醛调兑 37%甲醛计算，甲醛产量 6.9444t/h ，可进入螺杆动力机的低压饱和蒸汽量有 2.585t/h ，按蒸汽发电 13.68kwh/t

12、 计算, 可进入低压饱和蒸汽发电机组的发电量 189kw/h。 注：尾气循环法的75kw罗茨鼓风机，在变频调速条件下运行约电功率35- 40kw/h，企业的总电能负荷需增加，不要忽略了。 3、能源规划蒸汽发电 通过能源规划利用的优选方案实施技术改造，低压饱和蒸气系统的总发电能 力为 43.37kwh/t 。 5 万吨尾气法甲醛装置的发电功率可达 304kw/h。 能源规划方案如下： 3.1 反应生成的 52%高浓甲醛，可对第一吸收塔多加水 220l/t 生产 37%甲 醛，可形成一塔温度降低（以产物出口气 170C为例，一塔低温80C） 6C的目 标，节约冷却用水、用电。 3.2 甲醇蒸发热由蒸汽型改为氧化器下段或甲醛溶液余热利用型，可节约系 统蒸气 191kg/t （ 37%甲醛计），多供低压饱和蒸汽发电 13.96kwh/t 。 3.3 末级塔顶尾气通过列管换热（一塔甲醛溶液），带走溶液热量的同时提 高了尾气温度，有利于提高尾气燃烧温度到60E。增加产汽量6%约20kg/t可多 发电 1.5kwh/t 。 3.4 空气通过列管换热（一塔甲醛溶液），带走溶液热量的同时提高了空气 温度，省了预热空气蒸汽耗用量。节约蒸汽量 44.5%，约 14.6kg/t 可多发电 1.1kwh/t 。 实施能源规划技改后，回收的蒸汽发电增加量： (13