化工装置乏汽回收利用

1 概述
近年来，随着化工生产装置的大型化，生产过程中蒸汽凝液闪蒸产生的乏汽无组织排放对环境污染和安全生产都带来了严重的影响。

乏汽是一种温度、压力较低的低压蒸汽，属于低温热源的一种。

经过调研，目前在石化企业内，传统的能量同级利用较为充分，温位在120~200℃的余热基本已利用殆尽[1]。

由于低位温的余热利用难度较大，剩余的低温位热能被循环水带走或放空排放，散失到大气环境中，造成了极大的能源浪费。

如果对浪费的余热进行合理地优化利用，就能够提升企业低温余热资源的利用效率，实现节能减排，促进企业长期、可持续发展。

本文以某公司一氧化碳装置为例，提出以乏汽回收发电技术为主导方案，实现低温余热的有效利用，并对其产生的经济效益进行了分析。

某公司现有1套醋酸装置，2套一氧化碳装置（以下简称CO#1，CO#2装置）及一套醋酸酯装置。

本次乏汽回收利用，主要以一氧化碳CO#1装置为试点，把装置内工艺凝液、管道伴热凝液及蒸汽疏水凝液统一收集后经过闪蒸，利用闪蒸出的乏汽作热源产生动力，从而对外输出电能。

乏汽回收装置发电机组输出的电能并入现有装置供电系统，供装置使用，从而降低热电耗量、降低生产运行成本，同时提高蒸汽凝液利用率、减少二氧化碳排放，达到节能减排的目的。

 2 凝液乏汽排放现状
目前CO#1装置凝液闪蒸产生的乏汽排放点主要有2个，分别是工艺凝液闪蒸罐放空排放乏汽和带脱气器的锅炉给水槽放空排放乏汽。

本次可回收利用的乏汽总量约为1.7t/h，乏汽温度为104℃，乏汽压力0.02～0.05MPa（G）。

乏汽主要来源及工艺参数见表1。

在CO#1装置凝液闪蒸产生的乏汽回收利用前，大量蒸汽通过管道放空排放，造成热量损失，且常年跑气，形成热能浪费、水资源浪费和热污染，同时也严重影响到厂区的安全文明生产。

见表１。

３ 乏汽回收方案的选择
在一般化工装置中的外排乏汽，压力和温度都很低。

根据化工物性数据手册，1.0MPa（G）蒸汽和0.01MPa（G）乏汽热焓值分别为2780 kJ/kg 和2675 kJ/ kg，两者热焓性质很接近。

由此可见外排乏汽的热焓值很高，见表2。

化工装置乏汽回收利用
屈建宁
中石化宁波工程有限公司上海分公司工艺管道设计部 上海 200030
摘要：化工装置中蒸汽凝液闪蒸产生的乏汽，作为一种低温位热能，可对其低温余热进行回收利用。

应用乏汽回收技术，对蒸汽凝液闪蒸产生的乏汽进行余热回收发电，可降低装置热电能耗，提高废热利用率，同时减少二氧化碳排放。

本文以某公司一氧化碳装置乏汽回收方案为例，分析了其经济效益，认为该技术对节能、减排、增效有显著效果，值得推广应用。

关键词：乏汽回收 余热发电 应用 效果
Recovery and utilization of vapors in chemical plant
Qu Jianning
SINOPEC Ningbo Engineering Co.，Ltd.，Shanghai Branch Process Pipe Design Department，Shanghai 200030 Abstract：As a kind of low-temperature potential heat energy，the vapors produced by flash evaporation of steam condensate in chemical plant can be recovered and utilized.By using the technology of vapors recovery，the waste heat recovery of vapors produced by steam condensate flash can be used to generate electricity，which can reduce the unit's thermoelectric energy consumption，improve the utilization rate of waste heat and reduce the emission of carbon dioxide.In this paper，the carbon monoxide device recovery program for a company as an example，analysis of its economic benefits，think that the technology has a significant effect on energy conservation，emission reduction，increase efficiency，worthy of promotion and application.
Keywords：exhaust recovery；waste heat power generation；application；effect
表1 乏汽主要来源及工艺参数
序号乏汽来源工艺参数
温度/℃压力/MPa（G）流量/（t·h-1）
1工艺凝液闪蒸罐放空排放乏汽100～1040.02～0.05 1.0～1.2 2带脱气器的锅炉给水槽放空排放乏汽100～1030.050.5
表2 蒸汽的主要理化性质[2] 
序号压力/MPa
（G）
温度/
℃
干饱和蒸汽比容/
（m3·kg-1）
干饱和蒸汽
密度/
(kg·m-3)
干饱和蒸
汽的焓/
（kJ·kg-1）
蒸发潜热/
（kcal·kg-1）
干饱和蒸汽的熵/
[kcal·（kg.℃）-1]
10.01100 1.6730.59772675539 1.7556
2 1.01840.1777 5.6272780477.8 1.5654
1
2
根据余热资源类型，以安全、稳定为原则，选择高效的回收利用途径，目前90~120℃的低温余热利用主要有以下几种途径[1]：
（1）用于制冷、采暖和伴热。

（2）在过剩的低温余热难以找到合适的用途时，可以考虑采用低温热发电
技术加以升级利用。

结合某公司目前的现状，应用有机郎肯循环技术充分回收乏汽低温位热能进行余热回收发电，是有效可行的低温余热利用方案。

4 乏汽回收发电技术原理
该乏汽回收发电技术利用有机郎肯循环（ORC）原理，采用低沸点的有机工质回收中低温热源热能并将其转化为电能[3]。

其循环系统主要由：蒸发器、膨胀机、冷凝器、工质泵四部分组成。

有机工质在蒸发器中从低温热源吸收热量，生成具有一定压力和温度的蒸气，蒸气进入膨胀机做功，从而带动发电机或拖动其它动力机械。

在膨胀机做完功的蒸气进入冷凝器中向冷却水放热，凝结为液态，最后借助工质泵重新回到蒸发器，如此不断地循环下去。

5 方案应用
5.1 乏汽回收装置工艺流程
本方案采用ORC型螺杆膨胀循环发电技术，回收利用CO#1装置工艺凝液、管道伴热凝液及蒸汽疏水凝液闪蒸出的乏汽作为机组热源产生动力，从而对外输出电能。

CO#1装置乏汽回收螺杆膨胀机组发电工艺流程
简图见图1。

图1 乏汽回收装置螺杆膨胀机组发电工艺流程简图
5.2 乏汽回收装置工艺技术特点
本次采用的螺杆膨胀机组发电工艺技术不同于传统的高参数、大容量发电技术。

该工艺对热源类型不限，且对热源参数要求不高；通过回收乏汽产生的低温热发电能量，将其直接转化成电能。

该技术的优势是无需新增热源，且电能使用不受限制，没有余热变化对装置正常运行操作的影响，替代余热所消耗的部分热源的同时减少水资源的浪费。

该工艺技术还有以下优点[1]：
（1）燃料源来自工业余热，对回收的热源品质要求较低，可有效利用低位热源；
（2）系统简单、运维成本低，模块化设计，结构紧凑，设备占地小，便于运输和安装；
（3）更符合国家分布式能源政策。

5.3 乏汽回收装置设备选型和性能参数
本项目乏汽回收装置选用螺杆膨胀机组发电设备，其主要包括：乏汽回收装置设备主体，包括冷凝器、蒸发器、回热器、工质泵、膨胀机、发电机、油分离器等零部件；控制部分（包含控制柜、气动调节阀及热电阻、温度计等）。

该乏汽回收装置采用防爆型ORC螺杆膨胀发电机组，性能安全可靠，确保装置整体安全性。

根据现场的热源参数，充分考虑装置优化节能，以项目小投资、大收益为原则，并且考虑选型留有一定富余，故该乏汽回收装置选择一套为FPC132/Q1.7防爆型ORC螺杆膨胀发电机组，将装置内外排乏汽全部回收利用。

乏汽回收装置发电机组性能参数如下：
（1）水蒸气乏汽温度：100～104℃
（2）水蒸气乏汽压力：0.02～0.05 MPa（G）（3）水蒸气乏汽额定流量：2.0 t/h （4）发电机额定功率：25kW
（5）有机工质：五氟丙烷（R245fa）
乏汽回收装置FPC132/Q1.7防爆型ORC螺杆膨胀发电机组壳体是参照 GB/T19410螺杆制冷剂压缩机标准进行设计和测试，壳体材料HT200。

整个乏汽回收装置为撬装整体供货。

5.4 乏汽回收装置设备布置
CO#1装置内的工艺凝液、管道伴热凝液及蒸汽疏水凝液经泵或自流收集进入工艺凝液闪蒸罐，经过冷凝液闪蒸后的乏汽作为乏汽回收装置的热源，通过在工艺凝液闪蒸罐顶部气相管上预留的接口送入乏汽发电机组；另外一部分乏汽通过在带脱气器的锅炉给水槽顶部气相管上预留的接口送入乏汽发电机组。

设备布置时充分考虑乏汽就近接入回收装置的原则，乏汽回收装置就近布置在CO#1装置工艺凝液闪蒸罐和带脱气器的锅炉给水槽旁。

5.5 乏汽回收装置控制方案
乏汽回收装置设置PLC控制柜，通过硬接线将PLC 信号通讯至CO#1装置的DCS控制系统，DCS系统可显示机组实时运行的各种参数。

机组设置现场配电柜，可实现机组现场启停。

工艺凝液闪蒸罐顶部气相管上设置切断阀和爆破片，防止乏汽机组故障引起超压。

为了保障机组和乏汽回收系统的正常运行，DCS系统设置了联锁控制功能。

其主要联锁逻辑是通过硬接线将PLC停机信号通讯至CO#1装置的DCS控制系统，在DCS系统接入机组停车信号。

当乏汽机组设备内部发生故障时，由机组PLC反馈信号至DCS系统，由DCS 系统控制三个气动开关阀的动作状态。

6 经济效益
应用乏汽回收技术，回收乏汽的价值主要体现在：把装置内蒸汽凝液经过回收闪蒸，利用闪蒸出的乏汽作热源产生动力，对外输出电能供装置使用，从而降低热电能耗，提高蒸汽凝液利用率，同时减少二氧化碳排放，达到节能减排的目的；乏汽回收装置本身无震动和噪声污染，能达到平稳自动运行[4]。

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现产业化，以满足国内高性能塑料产品需求，提升我国塑料行业的整体市场竞争力。

参考文献
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作者简介
程嘉猷（1965-），男，高级工程师，1987年毕业于华中工
学院化学系应用化学专业，现从事石油化工及合成材料技术管理工作。

6.1 经济效益计算及设备投资、回收期预算
以本项目为例，计算乏汽回收发电装置的经济效益，设备投资和回收期预算如下：
（1）计算基础数据：回收乏汽量1.0～1.7t/h，年运行时间8000h，乏汽机组电动机功率25kWh，设备总发电量108kWh，设备净发电量83kW·h，工业电价0.6元/kW·h。

（2）乏汽回收发电产生的年总效益：108×8000×0.6/10000=51.84万元
（3）乏汽回收装置运行每年产生的电费为：25×8000×0.6/10000=12万元
（4）以1.5万元计年维修费，则年净效益为：51.84-1.5=50.34万元
（5）装置总投资：143万元（6）投资回收期：32个月
7 结论
某公司乏汽回收装置的乏汽处理量为1.0～1.7t/h，
回收乏汽设备净发电量83kW，装置总投资143万元。

根据项目总体实施情况，可以得出如下结论：
（1）该乏汽回收发电装置投运后，32个月回收投入资本。

回收投资后，该装置每年可产生净效益50.34万元。

（2）后续该公司配套的CO#2装置也将采用和CO#1装置相同的乏汽回收发电技术，随之产生的经济
效益也将增加一倍。

（3）从目前整个化工装置节能环保方面来看，该套装置投运后可降低热电能耗，从而降低生产运行成本；同时消除热污染、噪声污染和潮湿环境，减少无组织乏汽排放，从而达到清洁生产的目的。

（4）乏汽回收技术为某公司带来的环境效益和经济效益都能得到改善和提高。

综上所述，以节能环保为主导的乏汽回收发电技术可作为企业节能减排、创造效益的新途径。

特别是在目前国家严控燃煤发电的政策下，采用特殊工质的有机郎肯循环技术在有效利用低温余热方面有明显的优势。

由此可见，该技术具有广阔的市场前景，在化工生产装置中值得推广和应用。

参考文献
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[2] 刘光启，项曙光.化学化工物性数据手册无机卷[M].北京：化学工业出版社，2012.
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[4] 吴韵华，曾平. 磷酸、磷铵装置锅炉余热发电乏汽回收利用方案[J].磷酸设计与粉体工程，2017（4）：16-18.
作者简介
屈建宁，女，工程师，2010年毕业于华东理工大学化学工程与工艺专业，现从事化工工艺管道设计工作。

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