化工装置热泵供热及废热蒸汽

1、化工装置热泵供热及废热蒸汽回收利用技术的研究阎尔平1 孙国珍2 张晓弟 1 （1、 国家环保总局南京环境科学研究所2、上海石油化工股份有限公司塑料部）内容摘要 本文用能量平衡、平衡及能级平衡理论，在某大型石油化工企业两套引进装置间建立蒸汽喷射式热泵供热系统，利用热泵将2PE装置在生产过程中排放的付生蒸汽回收，将其能量品位提高后供至PP装置，满足其用汽压力、温度的要求，取得了显著的效益。一、现有热力系统运行工况分析(一) 某大型石油化工企业2PE装置在生产过程中耗用P=0.5MPa、1.3MPa、3.0MPa三种压力等级的蒸汽，在化工生产过程中，每小时连续排放低压付生蒸汽约3t/h，排放压力P=

2、0.400.55 MPa。 2PE装置排放的付生蒸汽通过专门设置的废热蒸汽管线，除采暖季节供给采暖用户外，其它季节均排放到环境中去。 （二）该企业PP装置耗用的P= 0.65MPa，t=172压力等级过热蒸汽，其蒸汽来源于本公司热电厂,在本厂热力入口将P= 1.30，t=230的蒸汽减压至0.75MPa，再通过设在PP装置内的过热蒸汽减压减温设备,由0.75MPa减至0.65MPa,由温度220减温至172（过热度为5）,供给PP装置工艺设备用汽。通过上述分析，2PE及PP两套装置的热力系统有以下明显缺点,2PE装置产生的付生蒸汽排放到大气中，没有进行能量回收利用。PP装置采用的新蒸汽却从工厂

3、的热力入口至本装置先后两次采用蒸汽节流减压，造成蒸汽热能无效贬值方法，得到所需要参数的蒸汽。应该建立一个新的热泵供热系统回收2PE装置排放的二次蒸发汽，采用热泵将其增压后，供给满足PP装置所要求的压力、温度和数量的蒸汽。二、热泵供热流程（一）工艺装置用汽的特点通过详细分析，可以利用2PE及PP两套装置间的互补条件建立热泵供热系统,回收利用2PE装置排放的付生蒸汽，替代蒸汽节流减压向PP装置提供所需数量、压力和过热度的蒸汽。由于热力系统运行同工艺生产密切相关，热泵供热系统设计和运行必须克服以下难点1、热力系统运行须安全可靠。2PE装置紧急停车时不能影响PP装置用汽。2、不改变上游2PE装置付生蒸

4、汽的排放工况。付生蒸汽接入PP装置管道后,不能影响2PE装置排放付生蒸汽，也就是2PE装置排放背压不能提高。3、热泵供热系统同现有热力系统转换方便。付生蒸汽与新蒸汽切换不能有波动，不能影响PP装置生产用汽。4、免维护稳定运行。该设备投运后不具备经常检修条件，即需要“免维护”。5、选择合适的付生蒸汽及热泵供热系统切入点位置及切入点工况。（二）热泵供热流程1、蒸汽喷射式热泵蒸汽喷射式热泵是热泵供热系统的关键设备，它由喷嘴、接受室、混合室和扩压器组成（请见图1）。工作蒸汽通过喷嘴，其出口速度大于临界速度，在接受室中将低品位的蒸汽吸入，沿着热泵轴线方向工作蒸汽和被引射的低压蒸汽进行混合和能量交换，逐步

5、充满整个截面后，进入混合室。在混合室的出口截面建立起均匀的速度场，在扩压器中伴随蒸汽速度降低，压力提高，当其压力增加至热用户所需要的压力后,进入供热系统供给换热设备等热用户用汽。在蒸汽喷射式热泵工作过程中，工作流体（高品位蒸汽）进行的是降压增熵过程，被引射的低品位流体则为增压值提高过程。工作蒸汽引射低品位蒸汽的能力，用引射系统来表示。 = Gh / GP (1)引射系数是热泵的一个重要的特性参数，它等于引射流体和工作流体的重量比，表示单位质量的工作流体引射低品位流体的能力。按其热用户的用汽压力参数，确定热泵出口压力值，工作蒸汽量和引射蒸汽量之和应等于热用户的用汽量。热泵供出蒸汽品位和数量均应能

6、满足热用户的要求。2、热力流程由2PE装置排出的付生蒸汽进入一级汽水分离罐102进行汽水分离和扩容闪蒸，再进入二级汽水分离罐103继续进行汽水分离和扩容闪蒸，利用热泵101将经过二级汽水分离和扩容闪蒸后的付生蒸汽进行增压和提高温度。热泵101出口蒸汽达到控制参数后，通过现有的蒸汽管线供PP装置生产用汽(请见图2)。三、热泵供热系统运行2PE装置付生蒸汽回收项目于2001年6月投入运行已经四年，解决了引进装置原热力系统设计存在的问题，完全满足了生产要求。(一)热泵供热系统特点通过生产运行，显示了该热泵系统具有以下特点：1、上游2PE装置排放付生蒸汽不受影响2PE装置付生蒸汽排放压力和原来对外排放

7、工况相同，仍保持在0.450.55MPa之间。热泵供热系统适应付生蒸汽压力和流量变化的影响，少则少收，多则多收。当付生蒸汽压力波动及流量变化时，热泵供出的蒸汽压力、温度及流量均能满足PP装置的生产要求。 2、下游PP装置供热系统可靠，热泵系统投运和退出均无扰动为了保证PP装置平稳可靠用汽，原来送PP装置的新蒸汽减压系统仍处于热备用中，当付生蒸汽突然停供时，新蒸汽仍通过原供热系统随时供汽，确保PP装置生产用汽无影响。3、操作简单该热泵系统控制回路简便，投运和退出方便，付生蒸汽流量采用自动控制和调节，就是在2PE装置紧急停车时,付生蒸汽突然下降，蒸汽喷射式热泵压力调节系统仍会根据热泵出口压力参数值

8、进行自动调节，保证PP装置生产供汽系统安全可靠。4、热泵系统设备无动设备及特殊选材，免维修蒸汽喷射热泵本身没有运转设备，热泵的关键部位喷嘴等均采用合金材质经特殊加工而成，耐磨损、耐高温、耐腐蚀，不需检修。符合不间断供汽要求，热泵运转状态良好。（二）热泵供热系统运行数据分析1、典型月运行数据该热泵供热系统投入生产运行后,每个月逐日统计了运行数据。现以2003年5月份运行数据为例说明如下：以热泵进口新蒸汽压力PP,付生蒸汽压力Ph，热泵供至PP装置蒸汽压力PC为纵坐标，时间日为横坐标，PP、Ph、PC日变化请见图3。以付生蒸汽流量GH为纵坐标，时间日为横坐标，热泵回收的付生蒸汽量日变化见图4：00

9、.40.81.21.6161116212631PP进口压力Pc热泵出口压力Pp 付生蒸汽引出口压力Ph图3图4 2、数据分析2.1 适应付生蒸汽流量变化2PE装置排放的付生蒸汽冬天主要用于采暖，夏季分流部份付生蒸汽做为溴化锂吸收式制冷机发生器用汽，过渡季付生蒸汽全部采用热泵增压后供PP装置生产用汽，所以供给热泵供热系统的付生蒸汽量是变值，在0至最大值 3.5t/h范围内变化。图3曲线显示2005年5月份溴化锂制冷机开始投入运行，其制冷机用汽负荷伴随环境气温变化。5月15日、5月26日出现供给热泵供热系统的付生蒸汽流量峰值为3.18t/h，谷值为1.37t/h。由于我们专门设计的热泵具有较好的调

10、节性能，热泵供热系统可以经受2PE装置付生蒸汽流量变化的影响。热泵供出的蒸汽压力、温度、流量均能满足PP装置的生产要求。 2.2 适应工艺装置用汽压力的变化。热泵供热系统适应PP生产装置用汽压力的变化。按工艺生产需要，保证热泵供至PP装置达到设定的压力。热泵供热系统将自动调节热泵运行工况，满足工艺生产用汽要求。如图4曲线中5月25日和5月28日PP压力峰值0.67MPa，PP压力谷值0.54MPa，热泵供热系统可以经受PP装置用汽压力变化的影响，热泵供热系统均能满足工艺生产用汽要求。当PP装置用汽压力较低时接近于付生蒸汽压力，由于付生蒸汽干度及蒸汽过热度并不能满足PP装置用汽参数要求，在这种工

11、况下,蒸汽喷射式热泵主要用于提高付生蒸汽干度和过热度，同时也相应提高了付生蒸汽压力，从而满足生产要求。三、经济效益1、回收蒸汽效益。按全年工作时间8.5个月计算（扣除采暖季节3.5个月）,全年运行6120个小时，每小时回收付生蒸汽平均量2.5t/h，按418.7×104kJ(100万千卡)热量定价为100元计算，全年回收蒸汽量15300吨，每年回收付生蒸汽费用折合人民币100.71万元。2、生产成本下降，经计算PP装置每吨聚丙烯成本下降11元。PP装置使用付生蒸汽运行效果良好，操作管理方便，并且消除了付生蒸汽产生的“白龙”，创造了良好的环境效益、社会效益和可观的经济效益。作者简介：阎尔平, 男，1937年2月生，毕业于哈尔滨工业大学供热与通风专业。现任职于国家环境保护总局南京环境科学研究所，研究员，享受国务院颁发的政府特殊津贴。主要科研究成果：重点研究工业节能，工业企业清洁生产，能源综合和有效利用及环境保护技术。该同志主持完成的蒸汽喷射式热泵供热系统及废热资源化，造纸机纸页热泵干燥技术，热网络及综合用能技术等多项研究课题先后获国家科学技术进步三等奖，国家环境保护（部级）