DMO合成反应低位热能利用方案选择及运行总结

2022-06-20李发春

氮肥与合成气 2022年6期

李发春

(湖北三宁化工股份有限公司, 湖北枝江 443206)

煤制乙二醇项目存在投资大、生产成本高的问题，同时需要面对石油制乙二醇的竞争，因此，对煤制乙二醇的挖潜增效是企业面临的首要任务。

湖北三宁化工股份有限公司60万t煤制乙二醇项目采用合成气制乙二醇技术。60万t乙二醇需配套120万t草酸二甲酯(DMO),其中羰基化法制DMO单系列40万t，每个系列并联2台DMO合成反应器。DMO合成反应器合成反应热产生的副产蒸汽由于温度偏低，只有一部分被用作预热循环气的加热蒸汽，其余副产蒸汽利用空冷器或循环水冷却为蒸汽凝液。这样既增加了设备投资和生产成本，又浪费了低位热能[1]。因此，需要对这部分低品位热能进行开发利用。

1 余热基础参数

现有DMO合成流程是通过废锅副产蒸汽，控制DMO的反应温度。若直接利用DMO热水，在余热利用系统异常时会影响DMO的反应温度，影响生产稳定；同时，若直接利用DMO热水，更改了原煤制乙二醇工艺流程，工艺包方也不会同意。经与设计院协商和综合考虑后，将余热按表1所示参数向外提供。

表1 DMO反应副产蒸汽余热参数

目前，低温热能利用相对成熟的技术有余热制冷技术、余热升级技术和热功转换技术[2]。

2 余热制冷技术

余热制冷技术通常指低品位的热源利用溴化锂机组生产-7 ℃的冷冻水。但是在实际应用中，将0.5 MPa或者1.7 MPa的蒸汽冷凝液用于溴化锂机组制冷，就能够满足生产企业对生产及生活冷冻水的需求。湖北三宁化工股份有限公司乙二醇工厂有足够的蒸汽冷凝液，不需要利用副产乏汽制冷。

3 余热升级技术

余热升级技术一般采用热泵升级，热泵以消耗一部分高质能(电能、机械能或高温热能)作为补偿，通过制冷机热力循环，把低温余热源的热量“泵送”成高温热媒[3]。但是，大中型压缩式热泵在国内的应用并不成熟；因此，不考虑该方案。

4 热功转换技术

按照工质分类，热功转换技术可分为传统的蒸汽直接驱动发电技术和有机工质驱动发电(即有机朗肯循环(ORC)发电)技术。蒸汽直接驱动发电技术又可细分为蒸汽直接驱动螺杆膨胀机发电和蒸汽直接驱动汽轮机发电。

4.1 蒸汽直接驱动汽轮机发电方案

4.1.1 工艺设计说明

蒸汽直接驱动汽轮机发电方案中，汽轮机在高速运转时，低温乏汽会凝析出小液滴，汽轮机叶片寿命得不到保障。为克服这种情况，将DMO循环热水闪蒸产生的87 t/h压力为0.024 MPa、温度为106.1 ℃的蒸汽，与18.1 t/h压力为0.5 MPa的蒸汽利用文丘里管进行抽引后在混合罐内混合过热，然后送入2套汽轮机组发电，汽轮机产生的乏汽送入水冷器冷凝。由于汽轮机转速高，所以发电效率比较高。

4.1.2 工艺流程

蒸汽直接驱动汽轮机发电方案的工艺流程见图1。

图1 蒸汽直接驱动汽轮机发电方案的工艺流程

4.1.3 工艺流程物料参数

蒸汽直接驱动汽轮机发电方案的工艺流程物料参数见表2。

表2 蒸汽直接驱动汽轮机发电参数

4.2 ORC发电方案

4.2.1 工艺设计说明

热水或热源流进入ORC膨胀发电站的蒸发器中，与液体有机工质换热，降温后的热水或热源流重新返回原工艺[4]。换热后的工质液体蒸发为高压气体有机工质，进入膨胀机膨胀做功，做功后的低压气体有机工质进入壳管式冷凝器用循环冷却水冷凝为液体工质，经过工质泵加压后进入预热器/蒸发器进行预热和蒸发，如此循环。ORC发电的运行原理图见图2。

图2 ORC发电的运行原理图

4.2.2 机组选型及说明

目前，国内ORC发电方案大多采用螺杆膨胀机，国外则大多采用透平机。国内螺杆膨胀机和透平机单台最大发电功率在1 MW左右，1 MW以上的透平机需要国外定制。以PJ935/Q17.2型螺杆膨胀发电机组为例，有机工质为QT2,其他主要参数见表3。

表3 膨胀螺杆发电机组主要参数

4.3 蒸汽直接驱动螺杆膨胀机发电方案

4.3.1 工艺流程

饱和蒸汽从DMO合成反应器副产蒸汽母管到螺杆膨胀发电机组(拖动发电机发电)，低温水蒸气进入冷凝系统冷凝，凝液返回原有工艺系统。蒸汽直接驱动螺杆膨胀机发电方案的工艺流程见图3。

图3 蒸汽直接驱动螺杆膨胀机发电方案的工艺流程

4.3.2 主要工艺参数

螺杆膨胀发电机组进出口DMO合成反应器副产蒸汽参数及发电功率见表4。

表4 螺杆膨胀发电机组参数

在选定相关乏汽利用技术路线、方案的基础上，部分技术方按照选定的技术路线制作了较详细的方案，并进行报价(见表5)。热源参数：饱和蒸汽压力为0.025 MPa，温度为106 ℃，质量流量为87 t/h。

表5 各种发电方案技术经济对比

在比较各技术方的方案后，从装置的建设难度、设备的可维护性能、投资回收期、公司业绩及安全环保的角度考虑，最终选择了江西某公司的方案及设备。自2021年DMO合成反应器开车以来，6台发电设备，除1台由于设备振动大，返厂维修外，其他设备均稳定运行。单台设备典型的运行参数为：进汽质量流量13 t/h,饱和蒸汽压力0.03 MPa，排汽温度28 ℃，发电功率650 kW。运行参数与设计值非常接近。