張美瓊，張 靜，馬蕊燕，何 軍，羅慶華

（中國石油克拉瑪依石化有限責任公司煉油化工研究院，新疆克拉瑪依834000）

煉油廠的余熱是隨工藝設(shè)備而分散布置的工藝流程中熱量、物質(zhì)不平衡的必然產(chǎn)物，包括油品儲存或工藝過程中比實際所需要溫度要高的未被利用的熱量，全年連續(xù)或者間斷提供。

根據(jù)溫度范圍將余熱資源分為3 種［1］：（1）高于500 ℃的高溫余熱；（2）200～500 ℃的中溫余熱；（3）低于200 ℃的低溫余熱。通常用150～500 ℃的余熱產(chǎn)生低壓、中壓、高壓蒸汽。目前，利用高溫余熱的技術(shù)已經(jīng)成熟，低溫余熱量雖大，但其利用技術(shù)尚不成熟，尤其在實際生產(chǎn)中，85～150 ℃的低溫余熱通常得不到充分利用，而是被空氣或水冷卻。如何充分利用低溫余熱量，是各煉油廠降低能耗、節(jié)能挖潛的重要課題。

1 低溫余熱的來源

在煉油廠，產(chǎn)生85～150 ℃低溫余熱的部位，主要存在于常減壓、催化裂化、延遲焦化及加氫類裝置中，需要用空氣冷卻器或循環(huán)水冷卻降溫的部位。具體產(chǎn)能部位見表1。

表1 煉油廠產(chǎn)生低溫余熱的部位

從表1 可見，煉油廠的低溫余熱分布范圍很廣，但因溫位低，回收較為困難。據(jù)統(tǒng)計，千萬噸級石化企業(yè)的低溫熱量可達到970 GJ/h［2］。為降低裝置和全廠能耗，建立低溫熱回收系統(tǒng)非常重要，它不僅可以降低相應(yīng)的冷卻負荷，還可以代替熱井所消耗的高品質(zhì)熱源。

近年來，通過引進國外相應(yīng)的技術(shù)和設(shè)備以及學習回收利用低溫余熱的經(jīng)驗，我國開始將低溫余熱應(yīng)用于需要的工藝環(huán)節(jié)和其它用戶，并取得良好成效，如果設(shè)計合理，便可盡量減少低溫余熱的直接排放量。

2 低溫余熱的利用途徑

低溫余熱的利用方式分為同級利用和升級利用2 種［3］：（1）同級利用主要包括煉油裝置和物料的加熱，如：儀表的伴熱和塔底重沸器、油罐管道的加熱以及生活采暖等；動力系統(tǒng)除鹽水、新鮮水和低溫加工裝置原料、儲運過程中油品的加熱；（2）升級利用主要包括利用低溫余熱進行發(fā)電、制冷和海水淡化等。

2.1 蒸汽凝結(jié)水余熱的利用途徑

蒸汽凝結(jié)水溫度較高、含熱量大。大多情況下，煉油廠蒸汽凝結(jié)水的余熱都被用來加熱循環(huán)水和除鹽水［4］?；厥漳Y(jié)水余熱既可以替代燃料燃燒取得的熱量，又可以減少煉油廠水的消耗量，如何充分利用這部分熱量，是設(shè)計單位和煉油企業(yè)在節(jié)能挖潛、降低能耗方面的重要課題。

2.2 干氣、蒸氣余熱聯(lián)合利用途徑

有些煉油廠在建廠初期，將各裝置產(chǎn)生的富余蒸汽和高溫煙氣全部直接放空，沒有回收利用其熱量，富余干氣也因經(jīng)火炬燃燒后排放而成為“廢氣”，這樣既浪費了大量能源，又污染了環(huán)境。

有些煉油廠為了節(jié)約能源、清潔環(huán)境，充分回收煙氣、干氣、蒸氣余熱，具體措施是供給煉油裝置各加熱爐燃燒使用后，所剩的干氣、煙氣全部進入蒸汽鍋爐作為燃料，加熱鍋爐內(nèi)的水產(chǎn)生蒸汽，在全廠能平測算基礎(chǔ)上，和富余的中溫中壓蒸汽、低溫低壓蒸汽一起，按照先“熱—力”再“熱—電”平衡的原則綜合回收利用余熱［5］，就是優(yōu)先設(shè)計蒸汽機直接拖動壓縮機和泵類等機械設(shè)備，再利用剩余蒸汽的熱量作為推動汽輪機轉(zhuǎn)動的動力，帶動發(fā)電機發(fā)電，最大程度減少余熱余能浪費。

2.3 低溫余熱取暖

我國城鎮(zhèn)供暖規(guī)模增速為年均10%［6］，將消耗大量天然氣和化石能源，導致大量污染物（如NOx等）排放，造成大面積霧霾天氣，使得北方地區(qū)供暖熱源緊缺，急需挖掘新的熱源突破口。

目前，煉油企業(yè)缺乏適宜的低溫熱用戶，使得生產(chǎn)過程中的大量低品位余熱仍然被直接排放到環(huán)境中。因此，冬季供暖、加熱生活用水和滿足辦公樓、中控室、分析化驗室所需要的熱量，可以用煉油廠的低溫余熱替代天然氣或化石能源燃燒取得的熱量，以幫助解決煉油廠余熱利用的難題，同時也可減少化石能源的消耗，在取得經(jīng)濟效益的同時降低對環(huán)境的污染。

2.4 低溫余熱發(fā)電

2.4.1 低溫余熱發(fā)電的歷程二十世紀60 年代末期，國外開始探索低溫余熱發(fā)電技術(shù)，二十世紀70年代中期，裝備系統(tǒng)和熱力系統(tǒng)都已投入使用。作為突出代表的日本，經(jīng)過40多年的研究和開發(fā)，其低溫余熱發(fā)電技術(shù)取得較大進展，形成了獨特的產(chǎn)業(yè)鏈。截至2009 年，日本在有機工質(zhì)雙循環(huán)余熱發(fā)電系統(tǒng)的總裝機容量已達160×104kW［7］。

國內(nèi)余熱發(fā)電工業(yè)起步較晚，但經(jīng)過10 幾年的開發(fā)、研究和實際運行，在各個行業(yè)已經(jīng)有一定規(guī)模的發(fā)展應(yīng)用。

2.4.2 有機朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)常規(guī)的朗肯循環(huán)系統(tǒng)由鍋爐、汽輪機、冷凝器和給水泵組成。朗肯循環(huán)的具體過程為：給水泵將水送至鍋爐加熱，形成的過熱水蒸汽使汽輪機轉(zhuǎn)動，熱能轉(zhuǎn)化為機械能，釋放出熱能后，水蒸汽的溫度和壓力均降低變成乏汽，被冷凝器冷凝成液態(tài)的水，然后被給水泵升壓，完成1 個循環(huán)。因為水的常壓沸點較高（100 ℃），工業(yè)上的低溫余熱不足以將水汽化，因此，利用低溫余熱作為熱源的朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)，很難將水作為工質(zhì)。

有機朗肯循環(huán)（簡稱ORC）以沸點遠低于水的有機物質(zhì)為工質(zhì)，如氟利昂、丙烷或氯乙烷等，其中五氟丙烷（R245fa）的常壓沸點為15 ℃，是目前應(yīng)用在有機朗肯循環(huán)上效率最佳的首選工質(zhì)。

有機朗肯循環(huán)基本原理和常規(guī)水蒸汽朗肯循環(huán)的基本原理一致，不過，較低的溫度就能使有機工質(zhì)汽化，因此，有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)所需要的熱源可以由工業(yè)上的低溫余熱來提供。而且，跟常規(guī)朗肯循環(huán)的冷凝溫度相比，有機朗肯循環(huán)冷凝系統(tǒng)的溫度要求更低。有機朗肯循環(huán)的原理見圖1。

圖1 有機朗肯循環(huán)原理

采用有機朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)，煉油廠低品位的煙氣余熱可被直接轉(zhuǎn)化為高級能源—電能，成功地將余熱由常規(guī)回收轉(zhuǎn)向深度回收，因此有機朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)是1 項可變廢為寶的高效節(jié)能技術(shù)［8］。

2.4.3 低溫余熱供暖—發(fā)電聯(lián)合利用有些煉油廠采用如下的余熱回收方案［9］：在采暖季節(jié)，熱水先發(fā)電后供暖，基于氣溫變化，“以暖定電”，即根據(jù)供暖需求調(diào)整熱水發(fā)電機組的運行負荷，其中發(fā)電機組采用ORC 技術(shù)；在非采暖季，根據(jù)“高能高用、低能低用”的原則確定將較高溫位的換熱熱水用于發(fā)電。

2.5 低溫余熱制冷

在非采暖季，可采用低溫余熱制冷技術(shù)，利用低溫余熱發(fā)電之后的過剩余熱來生產(chǎn)冷凍水，作為煉油裝置換熱器的冷卻水使用。低溫余熱制冷技術(shù)是在低溫低壓下，利用液態(tài)制冷劑汽化來達到制冷的目的［9］，其基本原理見圖2。

圖2 低溫余熱制冷技術(shù)原理

從圖2可以看出，低溫余熱制冷系統(tǒng)由制冷劑循環(huán)和吸收劑循環(huán)2 個循環(huán)回路組成，共有冷凝器、蒸發(fā)器、吸收器和發(fā)生器4個部分。

制冷劑循環(huán)如圖2的左半部所示：高壓氣態(tài)制冷劑被冷凝器冷凝為液體，在節(jié)流裝置的作用下降溫減壓后進入蒸發(fā)器，吸收蒸發(fā)器內(nèi)的熱量變成低壓的蒸氣，產(chǎn)生制冷效應(yīng)，然后進入吸收器，制冷劑循環(huán)完成。

吸收劑循環(huán)如圖2 的右半部（虛線內(nèi)部分）所示：吸收劑和制冷劑的混合液從吸收器出來，在泵的作用下壓力升高，被送入發(fā)生器，在煉油廠低溫余熱的加熱下沸騰，制冷劑因沸點低直接汽化變成高壓氣態(tài)制冷劑，進入冷凝器液化，吸收劑與制冷劑分離后，進吸收器繼續(xù)吸收低壓氣態(tài)制冷劑，吸收劑循環(huán)完成。

溴化鋰水溶液（溴化鋰—水）、氨水溶液（水—氨）為常見的吸收劑—制冷劑配對工質(zhì)。

2.6 低溫余熱海水淡化

海水淡化是1 種有效解決淡水資源緊張且切實可行的辦法，在海島和沿海城市更是如此。海水淡化的高能耗使得制水成本居高不下，目前很多海水淡化工廠采用化石燃料燃燒提供海水淡化需求的能源，燃料燃燒后產(chǎn)生大量的溫室氣體，很大程度上增加了環(huán)境負擔。國際海水淡化界急需解決降低海水淡化裝置的制水成本問題。

低溫多效蒸發(fā)海水淡化已經(jīng)成為第2 代海水淡化廠的主流技術(shù)，其在技術(shù)和經(jīng)濟上的優(yōu)勢，使其在海水淡化市場不斷擴大份額［10］。低溫多效蒸發(fā)海水淡化裝置的運行成本明細見表2。

表2 典型的低溫多效海水淡化裝置制水成本

從表2可以看出，在低溫多效蒸發(fā)海水淡化裝置的運行成本上，蒸汽成本比例最大。因此，如果將煉油裝置的低溫余熱充分利用在蒸汽生產(chǎn)上，供給低溫多效海水淡化裝置使用，就可以很大程度地降低海水淡化成本。

某海島煉油廠建了1個海水淡化裝置，將該裝置生產(chǎn)的部分淡水依次通過汽油冷卻器、柴油冷卻器、石蠟油冷卻器和瀝青冷卻器換熱升溫，最終被加熱成150 ℃、壓力不小于0.5 MPa的過熱淡水，進入閃蒸器，部分快速地汽化，產(chǎn)生的初始蒸汽，作為低溫多效海水淡化裝置蒸發(fā)器的動力蒸汽［11］，流程見圖3。

圖3 低溫多效海水淡化流程

由圖3可見，低溫多效海水淡化裝置的主要優(yōu)點是：通過回收利用石油產(chǎn)品的低溫余熱，避免了對環(huán)境產(chǎn)生的熱污染和能源浪費；此外，由于采用海水淡化裝置的產(chǎn)品蒸餾水作為石油產(chǎn)品冷卻器內(nèi)的冷卻介質(zhì)，很大程度上避免了結(jié)垢問題，有利于冷卻器的換熱和使用壽命；有效降低了海水淡化成本、節(jié)能減排，而且可幫助沿海煉化企業(yè)解決用水困難的問題，具有很好的推廣作用。

以前該海島煉油廠需從大陸運送淡水滿足生產(chǎn)、生活用水。自從低溫多效蒸發(fā)海水淡化裝置投產(chǎn)后，充分利用石油產(chǎn)品的低溫余熱，每d 凈產(chǎn)水量500 t，在一定程度上解決了該廠的用水問題。

3 低溫余熱的利用原則

首先應(yīng)盡量從源頭上減少低溫余熱量，進行工藝優(yōu)化改造；其次應(yīng)結(jié)合企業(yè)實際，采用經(jīng)濟合理的低溫余熱回收利用方案。

煉油廠低溫余熱同級利用的能效大于升級利用的能效。各種升級利用的能效均較低，其中，發(fā)電能效僅為8%～12%。利用低溫余熱的一般原則［9］為：優(yōu)先考慮長周期使用的同級利用方案，如加熱爐空氣預熱和除鹽水預熱、儲罐和重沸器維溫加熱等；其次，考慮年中部分時間需要的同級利用方案，如生活熱水和采暖等；最后，考慮升級利用方案，如低溫余熱制冷、有機朗肯循環(huán)發(fā)電等。

另外應(yīng)從地域性方面考慮低溫余熱的利用。南方地區(qū)由于冬季不需要采暖，油品儲運加熱和管道伴熱所需要的熱量也較少，使得南方煉油廠有較多富余的低溫余熱。而且，南方地區(qū)水資源豐富、電價較高，因此，低溫余熱升級利用中的發(fā)電方案對于南方煉油廠來說經(jīng)濟性是較好的。對于海島和沿海的煉油廠，低溫余熱被用來進行海水淡化，可以解決煉化企業(yè)用水困難的問題。

4 結(jié)束語

煉油廠低溫余熱量大，如何充分利用此部分熱量是各煉油廠降低能耗、節(jié)能挖潛的重要課題。

低溫余熱利用有同級利用和升級利用2 種方式。同級利用包括煉油廠自身裝置和物料的加熱以及生活采暖等，升級利用方式主要包括低溫余熱發(fā)電、低溫余熱制冷和低溫余熱海水淡化等。

煉油廠低溫余熱同級利用的能效大于升級利用的能效，升級利用能效均較低。在低溫余熱的利用上，煉油廠應(yīng)優(yōu)先考慮長周期使用的同級利用方案，其次考慮年中部分時間利用的同級利用方案，最后，考慮升級利用方案。

低溫余熱的利用還應(yīng)考慮地域性，除同級利用外，南方煉油廠發(fā)電方案的經(jīng)濟性較好，沿海和海島的煉油廠可以利用低溫余熱進行海水淡化，解決沿海煉化企業(yè)用水困難的問題。

在低溫余熱的生產(chǎn)上，煉油企業(yè)應(yīng)進行工藝優(yōu)化改造，盡量從源頭上減少低溫余熱量；在低溫余熱的利用上，煉油企業(yè)應(yīng)結(jié)合企業(yè)實際，采用經(jīng)濟合理的回收利用方案。