煤制乙二醇工艺余热ORC 发电技术及应用效果分析

2019-11-13况国华汤得昌陈玉红张冬海尚振杰

石油化工建设 2019年5期

况国华汤得昌陈玉红张冬海尚振杰

1.北京华航盛世能源技术有限公司北京 100029；2.中盐安徽红四方股份有限公司安徽合肥 231602；3.冰轮环境技术股份有限公司北京 100010

乙二醇主要用于生产涤纶纤维和包装材料用的聚酯树脂、防冻剂和不饱和聚酯树脂。由于涤纶纤维和包装用PET 材料的迅速发展，对乙二醇的需求量不断增大，目前乙二醇已成为世界上消费量最大的多元醇。当前我国已成为世界上最大的乙二醇进口国，也是世界上乙二醇最大消费国。由于生产技术受制于国外，我国乙二醇产能增长缓慢，进口依存度较大。众所周知，我国是缺油、少气、煤炭资源相对丰富的国家，因此，煤制乙二醇受到越来越多的关注，成为煤化工产业的新亮点。

1 煤制乙二醇工艺余热利用

根据后期工艺处理方式的不同，煤制乙二醇装置会产生相当数量的副产低压蒸汽或蒸汽冷凝液，它们必须经过冷却降温之后进入除氧工艺。其冷却方式通常为循环冷却水或空冷器，冷却成本（循环冷却水量或空冷器电耗）非常可观。因此，对该部分副产蒸汽或凝液的余热进行利用成为企业的优选方案，不仅可以节约冷却成本，还能产生不菲的收益。

一般而言，对于200℃以下的低温余热，成熟的利用技术包括供暖、制冷和低温发电等。其中，供暖或制冷需考虑的因素较多，不仅用量由用户需求决定、使用时间受季节影响、应用场合受地域限制，而且极大地受输送距离的制约，通用性较差。

针对该类低温余热，有机朗肯循环（ORC）发电技术是国内近年来发展起来的一种非常有效的余热利用技术。由于电能是高品质的一级能源，一般可由企业用户自行就地消纳，通用性非常强，成功案例可在全国范围内复制。

2 低温余热ORC 发电技术

ORC 发电技术采用低沸点有机工质进行闭式热力循环，将低品位热能转化为高品质电能。通过合理选择有机工质，可在较低温度下获得一定压力的工质蒸汽，从而推动膨胀机做功，因此特别适合中低品位余热的回收利用。

ORC 技术本质上是利用冷源与热源的温差，在工质侧建立压力差，驱动膨胀机做功。其热力循环效率与热源及冷源温度直接相关。热源温度过低将导致热电转换效率偏低，影响余热回收利用的经济性。

3 典型30 万t 煤/a 制乙二醇工艺余热发电方案

根据调研，30 万t/a 煤制乙二醇典型的副产低压饱和蒸汽参数为：流量50t/h，温度108℃；30 万t/a 煤制乙二醇典型的副产蒸汽凝液参数为：流量400t/h，温度132℃。以下针对两种余热资源分别给出相应的ORC 发电技术方案。

表1 为典型30 万t/a 煤制乙二醇装置副产低压蒸汽的余热发电系统性能及经济性分析。其中，电价按0.6元/kW·h 计，煤电供电煤耗按320g 标煤/kW·h（2014 年）计。从表中可以看到，该低压蒸汽余热若用于回收发电，可配置余热发电系统3.9MW，每年直接发电效益高达1327.7 万元，这还不包括所节约的蒸汽冷却成本。按1 万元/kW 的系统投资成本估算，该技术方案的投资回报期在3 年以内，经济效益显著。此外，该余热发电系统每年可节约标煤7081t，减排CO2约17411t，节能环保的社会效益突出。

表2 为典型30 万t/a 煤制乙二醇装置副产蒸汽凝液的余热发电系统性能及经济性分析。其中，电价按0.6元/kW·h 计，煤电供电煤耗按320g 标煤/kW·h（2014 年）计。从表中可以看到，该蒸汽凝液余热若用于回收发电，可配置余热发电系统3.0MW，每年直接发电效益高达1026.7 万元，这还不包括所节约的凝液冷却成本。按1 万元/kW 的系统投资成本估算，该技术方案的投资回报期在3 年以内，经济效益显著。此外，该余热发电系统每年可节约标煤5476t，减排CO2约13465t，节能环保的社会效益突出。

从以上分析可以看出，无论煤制乙二醇装置的余热形式是低压蒸汽还是蒸汽凝液，其余热量都是巨大的，若应用ORC 技术进行回收发电，经济效益和社会效益都非常可观。

4 实践效果分析

表1 副产低压蒸汽余热发电系统性能及经济性分析

表2 副产蒸汽凝液余热发电系统性能及经济性分析

中盐安徽红四方股份有限公司位于安徽省合肥市循环经济示范园，目前有一个年产30 万t/a 的煤制乙二醇装置。

根据厂区蒸汽平衡设计，二期项目西区1.0MPa及以上蒸汽冷凝液经闪蒸后与0.5MPa 蒸汽冷凝液混合，进入缓冲罐与回流冷液混合后，温度为132℃，压力为0.3MPa，正常流量为436 t/h，经泵加压至0.7MPa。

图1 蒸汽冷凝液余热发电工艺流程图

上述132℃冷凝液分为两股，一股约350 t/h，送往余热制冷装置制备-20℃以乙二醇为载体的冷冻液。该股冷凝液降温至约110℃，然后与剩余的另一股86t/h、132℃冷凝液合并，送往余热发电装置；将余热回收发电后再送至空冷器，降至45℃送至东区脱盐水站进行处理，工艺流程如图1 所示。

该余热发电系统共配置了3 台ORC 发电机组，机组之间并联布置。 ORC 发电机组由北京华航盛世供货，采用了先进可靠的向心涡轮透平技术。该余热发电系统的配置及设计性能如表3 所示。

表3 余热发电系统配置及设计性能（3 台）

余热发电系统建成后，进行了连续4d 共计100.3h 的验收测试，测试结果如表4 所示。由于乙二醇工艺产生的蒸汽冷凝液流量远未达到设计值，温度也偏低，测试期间采用发电机组2 台同时运行。将单台机组运行效果与设计工况进行对比，结果见表5，可以看出，在现场实际条件下，单台ORC 发电机组的运行性能完全满足并超过了设计要求。因此，该项目顺利通过了验收。