芳烃装置中二甲苯塔顶冷凝热用于有机朗肯循环低温热发电

姚玉婷，李士雨

（天津大学 化工学院，天津 300350）

芳烃装置中的二甲苯塔操作温度高、能耗高，常压下二甲苯塔的塔釜温度约为183 ℃、塔顶温度约为137 ℃，它的能耗在芳烃装置的分馏塔中排在首位。许多研究者研究了降低二甲苯塔能耗的方法，如通过提高精馏塔分离效率来降低二甲苯塔的能耗，包括改造塔盘提高塔板效率［1-2］，降低回流比，或优化精馏塔的操作参数［3-5］；也有研究者考虑将二甲苯塔进行提压操作［6-7］，以提高塔顶冷凝器的冷凝温度，用塔顶冷凝热代替苯塔和甲苯塔再沸器的蒸汽加热，进而节省蒸汽，对于已建成的装置采用这种方法需要更换塔、相关换热设备及管线，所需费用很高。

近年来，研究者开始尝试将有机朗肯循环（简称ORC）低温热发电技术［8-12］应用在化工过程中，该技术可将过去难以有效回收的低温热回收转换为电能，是一种很有潜力的低温热回收利用技术。研究者尝试将该技术用于精馏塔塔顶冷凝器冷凝热的回收，但多数研究结果表明，回收的电能不多（千瓦级水平），造成投资回收期过长，经济可行性较差。导致这种现象的原因有两个：一是所回收的能量温位低，因而发电效率低；二是可回收的能量不够多。

二甲苯塔的塔顶冷凝热温位高、量大，本工作研究了采用ORC技术回收二甲苯塔的塔顶冷凝热的可行性，并采用Aspen Plus软件对其进行了模拟分析。

1 装置及其计算机模拟

所研究的二甲苯塔如图1所示。该塔常压操作，塔顶温度较高，采用空冷器进行冷凝。通过采集现场数据，建立计算机模拟模型，得到该塔的物料平衡数据（如表1所示），塔顶冷凝器、塔釜再沸器的热负荷分别为28.3 MW和30.1 MW。

图1 二甲苯塔Fig.1 Xylene column.

表1 二甲苯塔的物料平衡Table 1 Material balance of xylene column

2 塔顶冷凝热用于ORC发电

从表1可看出，二甲苯塔的塔顶冷凝温度较高，达到137.4 ℃，且冷凝热较大，达到28.3 MW。该二甲苯塔附近还有苯塔、甲苯塔等，这些塔的塔釜再沸器温度都高于137.4 ℃，无法利用二甲苯塔的塔顶冷凝热；若用该冷凝热产生低压蒸汽，则由于所能产生的低压蒸汽的品质太低，应用价值不高。所以，目前工厂将其用于空冷器冷凝。

2.1 ORC低温热发电系统的设计

用于回收二甲苯塔塔顶冷凝热的ORC系统的示意图见图2，该系统由蒸发换热器、透平机、发电机组、冷凝器和工质泵等主要设备组成，蒸发换热器代替了图1中的空冷器，用于回收塔顶冷凝热。ORC系统中的循环介质为有机工质，首先被工质泵增压到一定压力，进入蒸发换热器内被二甲苯塔塔顶蒸气加热气化，二甲苯塔的塔顶蒸气冷凝为液体，气化的有机工质进入透平机，驱动轮机转动并带动发电机发电，做功后离开透平机的工质乏气进入冷凝器被冷源冷凝为液相，再由工质泵加压输送至蒸发换热器，完成一次循环。

有机工质的选择是ORC系统的关键。常用的有机工质可分为氢氟化碳化合物（HFC）、氢氯氟化碳化合物（HCFC）和碳氢化合物（HC）三类［13-15］，采用Aspen Plus软件查得的各物质相关物性数据见表2。

图2 用于回收二甲苯塔塔顶冷凝热的ORC系统示意图Fig.2 Diagram of organic Rankine cycle（ORC） system for recovering overhead condensation heat of xylene column.

表2 常用有机工质的相关物性数据Table 2 Data of relevant physical properties of common organic working fluids

鉴于二甲苯塔的塔顶冷凝温度为137.4 ℃，若以最小换热温差为10 ℃进行设计，有机工质的蒸发温度最高为127.4 ℃，可按125 ℃进行设计。考虑有机工质做功后需要冷凝，若采用循环水冷却，则有机工质的冷凝温度至少应该设计在45 ℃以上。若考虑有机工质做功后的压力为常压或略高于常压，则由表2中的常压沸点数据可看出，可以考虑的有机工质有HFC245fa，HFC245ca，R601，R601a。需要说明的是，HCFC类有机工质由于具有破坏臭氧层的作用，面临淘汰，故本研究未做考虑。

采用Aspen Plus软件对筛选出的4种有机工质进行进一步分析，得到对应的操作压力、所需工质流量及等熵膨胀下膨胀机效率为0.72（默认值）时的理论做功量（如表3所示）。

表3 4种有机工质用于二甲苯塔塔顶冷凝热回收时对应的操作压力、工质流量及理论做功量Table 3 Operating pressures，working fluid flows and theoretical working quantities of four organic working fluids used for recovering overhead condensation heat of xylene column

由表3可看出，工质R601，即正戊烷，相对于其他三种工质具有以下优点：流量小、操作压力低、理论做功量大，因此本研究选择正戊烷作为ORC低温热发电系统的有机工质。选用正戊烷做有机工质的另一个好处是正戊烷是石化企业工艺流股组成之一。

2.2 ORC发电系统的计算机模拟

采用Aspen Plus软件对ORC发电系统进行计算机模拟，模拟流程如图3所示。ORC中泵的实际运行效率一般在0.6以下［16］，本研究取0.6；膨胀机等熵效率约为0.67～0.71［17］，本研究取0.7；机械效率取0.9。忽略管路输送引起的损失，净输出功率等于ORC系统膨胀做功产生的功率减去系统中泵消耗的功率，发电效率等于系统净输出功率与有机工质从热源吸收的能量之比。正常工况下ORC系统物料平衡和能量平衡的模拟结果见表4，相关设备参数计算结果见表5。由表5可见，该发电系统净输出功率和发电热效率分别为3.23 MW和11.4%。

表4 正常工况下ORC系统物料平衡和能量平衡数据Table 4 Material balance and energy balance data of ORC system under normal operating conditions

表5 正常工况下ORC系统相关设备参数Table 5 Relevant equipment parameters of ORC system under normal operating conditions

3 结论

1）以净输出功率多和工质流量少为目标，比较了HFC245fa，HFC245fa，R601，R601a四种工质，工质R601，即正戊烷，具有流量小、操作压力低和理论做功量大的优点，且正戊烷是石化企业工艺流股组成之一，因此选择正戊烷作为有机工质。

2）正常工况下，在蒸发温度125 ℃、冷凝温度45 ℃的条件下，ORC系统净输出功率为3.23 MW、发电效率为11.4%。该发电系统将二甲苯塔的冷凝器的低温热全部用于ORC系统，发电效率高，电能输出量大，具有生产可行性。

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