氨基酸联产中的分布式供能技术应用探索

2021-02-07姜增妍马玉岳陈玲玲马秀亮

应用能源技术 2021年1期

张奇，姜增妍，马玉岳，陈玲玲，马秀亮

(1.北京城市学院生物医药学部，北京 100094；2.烟台恒源生物股份有限公司，烟台 265709)

0 引言

“有机酸-氨基酸”的催化生产过程可释放丰富的余热资源，目前，国内企业余热资源平均利用率较低，仅占其燃料消耗总量的17%～67%。因此，开展节能技改，回收可利用的余热资源，对降低生产成本，对提高产品生产技术水平及企业市场竞争力，实现行业的可持续发展，具有重要价值。

分布式供能是指将供能系统以小规模、分散式的方式布置在用户附近，同时输出电、热、冷等多种能源。相对于传统集中供能，分布式供能系统避免了集中供能系统中能量远距离传输的损失，可由约30%的能源利用率提升至80%以上，且易于实现能量梯级利用，具有能源利用率高、规模小、灵活性强等特点[1-2]。在工业生产过程中，采用分布式供能作为集中式供能系统的有力补充，并逐步替代传统集中供能，对实现我国节能减排具有重要意义。

分布式供能系统的概念提出于20世纪70年代，由于该系统能源利用率高、节能效益明显，很快得到了世界上许多国家的重视，北美、欧洲、亚洲等一些国家进行了大量研究工作，特别在美国、日本等国起步早、成果多[3-4]。

在国内，分布式供能的应用起步较晚，随着能源发展战略的调整，对能源多样性需求也不断增加，分布式供能系统也呈现快速发展的势头，在北京、上海、广州、杭州、武汉等地已有应用案例[5]，但是基于化工企业工业余热的冷热电多联供的分布式能源供应系统较为少见。

本研究利用“有机酸-氨基酸”联合生产时初始步骤中以苯氧化法生产富马酸释放的大量热能，开展基于富马酸生产反应能的分布式能源供应研究，计算热/电、冷(热)/热水/电/蒸汽等不同方式对热能的综合利用率，搭建技改工艺，以期实现资源循环综合高效利用。

1 方法

1.1 冷(热)/热水/电/蒸汽多能联供工艺构建

本研究针对富马酸生产过程中产生的余热，构建冷/热/电/蒸汽多能联供工艺和分布式能源多联供系统，如图1所示，实现能量的梯级综合利用：(1)蒸汽驱动汽轮机做功发电；(2)以溴化锂吸收式空调机组制冷或者采暖；(3)直接外供蒸汽；(4)间接换热产生生活热水。

图1 冷/热/电/蒸汽多能联供工艺

1.2 计算方法

1.2.1 总热效率

总热效率是评价系统性能的重要指标之一，用于衡量热电联产系统能源利用率的高低。总热效率为输出能量与输入能量的比值，即：

式中，η为系统热效率，%；Pe为供电功率，kW；Qpq为排汽带出的热量，kJ；Qs为饱和蒸汽带入的热量，kJ。

1.2.2 分布式多级联供系统能效

系统整体能效可以通过系统发电效率、能量利用效率和火用效率来分析。能量利用效率ηl可以从数量上反映系统能量的利用程度，其表达式为：

式中，W为发电功率，kW；Qh为供热量，kW；Qc为供冷量，kW；Qw为蒸汽能量，kW。

2 结果

2.1 热电联产热效率

将富马酸氧化余热以分布式供能方式输出，如近用以蒸汽输出和发电功能，如图2所示，总热效率为81.27%，系统损失为18.73%。

图2 热电输出能源分配

2.2 制冷工况

将富马酸氧化余热以分布式供能方式输出，在夏季，辅以溴化锂吸收式空调机组制冷，在汽轮机排汽全部外供工况下测试数据及计算结果，如图3所示，总热效率达95.96%，显著高于单纯的热/电输出；能量损失为4.04%，。

图3 供暖工况下能源分配

图4 制冷工况下能源分配

2.3 制热工况

将富马酸氧化余热以分布式供能方式输出，在冬季，辅以溴化锂吸收式空调机组供暖，在汽轮机排汽全部外供工况下测试数据及计算结果，如图4所示，总热效率达95.89%，显著高于单纯的热/电输出；能量损失为4.11%。

3 讨论

不同温度的热能其品位存在较大差异，在实际应用中需要按照“梯级利用、温度匹配”的原则，根据各子系统的需求向其提供合适品位的输入能流，以取得最优的利用效果。苯氧化法生产富马酸过程中产生大量的以蒸汽形式输出的余热，为了提高系统能量利用效率，通过梯级利用和自动控制实现能源的协调分配和充分利用。

本系统中来自苯氧化法生产富马酸过程中苯与空气中的氧气在催化反应过程中释放的热能作为高品位的热能直接被汽轮机发电机组利用并转化为电力；随后，发电机组排气所携带的热量作为中品味能源，可以双效溴化锂机组转化，以提供冷(热)量；最后，经双效溴化锂空调机组转化后的剩余能源，向外界蒸汽用户提供蒸汽或通过换热器向用户提供生活热水，实现低品位能源输出与利用。通过该多级分布式联供方式，可充分提升能量综合利用率。