低溫余熱發(fā)電技術(shù)在柴油加氫的應(yīng)用

楊楚彬

（中國石油化工股份有限公司茂名分公司，廣東茂名 525011）

石油煉化行業(yè)是國民經(jīng)濟重要的基礎(chǔ)原材料工業(yè)，也是高耗能行業(yè)，煉制過程中成品汽油、柴油的溫度普遍高達(dá)100℃～200℃，出裝置前需要使用空冷器、水冷卻器等高能耗方式將成品油冷卻至50℃才能裝罐，造成能源的極大浪費。裝置節(jié)能降耗工作不斷深入的今天，欲降低裝置能耗，低溫?zé)岬幕厥绽檬潜夭豢缮俚?，但溫度普遍偏低，客觀上存在著回收技術(shù)難度大、經(jīng)濟效益不高等問題，國內(nèi)煉化企業(yè)紛紛尋求采用先進技術(shù)解決這一難題。

茂名石化4#柴油加氫裝置精制柴油需經(jīng)空冷A503從140℃冷卻到50℃再送出裝置，裝置低溫?zé)岬幕厥绽靡泊嬖跇O大的困難，公司采用了先進的向心式ORC（有機朗肯循環(huán)）低溫發(fā)電技術(shù)，為裝置低溫余熱發(fā)電應(yīng)用提供了可能。通過利用低溫精制柴油將工質(zhì)五氟丙烷加熱成高壓蒸氣在向心式膨脹機內(nèi)進行發(fā)電，實現(xiàn)低溫余熱的充分利用。

1 低溫余熱發(fā)電原理介紹

有機朗肯循環(huán)（Organic Rankine Cycle，簡稱ORC）是以低沸點有機物為工質(zhì)的朗肯循環(huán)，采用有機循環(huán)工質(zhì)（ORC）作為循環(huán)工質(zhì)拖動渦輪機做功[1]。ORC由于沸點低，在低溫條件下可以獲得較高的蒸汽壓力，推動渦輪機做功，適用于低溫位熱源做功發(fā)電，100℃左右的熱源就可以維持其正常運行[2]。

向心式ORC低溫發(fā)電機組結(jié)構(gòu)簡單，包括渦輪發(fā)電機、工質(zhì)泵、蒸發(fā)器、蒸發(fā)式冷凝器為一體化機組。其工作原理（見圖1）。低溫余熱發(fā)電采用的工質(zhì)為沸點15℃的五氟丙烷，冷凝系統(tǒng)采用蒸發(fā)式空冷，精制柴油作為熱源進入機組蒸發(fā)器加熱工質(zhì)五氟丙烷，加熱后精制柴油溫度下降再返回裝置產(chǎn)品空冷器A503入口。液態(tài)工質(zhì)五氟丙烷進入蒸發(fā)器加熱為過熱蒸汽后進入向心渦輪機，熱能轉(zhuǎn)化為機械能帶動發(fā)電機產(chǎn)生電力。過熱工質(zhì)蒸汽通過蒸發(fā)式冷凝器冷卻成為液體，冷卻液體送入工質(zhì)泵增壓后送回蒸發(fā)器，重復(fù)循環(huán)。

2 裝置余熱發(fā)電應(yīng)用前狀況及分析

4#柴油加氫裝置增設(shè)低溫余熱發(fā)電項目前，裝置的精制柴油溫度140℃～165℃，精制柴油流量200 t/h～360 t/h，經(jīng)過空冷器A503冷卻后才能送至罐區(qū)，大量的低溫余熱無法回收，按照精制柴油溫度140℃，流量330 t/h，柴油比熱2.74 kJ/kg計算，精制柴油這部分低溫余熱為（140-62）×330×2.74×1 000=70 520 000 kJ/h，精制柴油這部分低溫余熱難以利用，長期需要啟動空冷風(fēng)機冷卻后才能外送，造成裝置能耗居高不下，迫切需要改變現(xiàn)狀回收低溫余熱以降低裝置能耗。

如利用4#柴油加氫裝置精制柴油作熱源，增設(shè)一套ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)，從裝置引精制柴油到發(fā)電機組換熱，換熱后將精制柴油返回裝置空冷A503前入口，發(fā)電機組本體發(fā)電并網(wǎng)，這樣既可以利用低溫?zé)嵊糜诎l(fā)電，又可以降低空冷A503的負(fù)荷，節(jié)省裝置電耗。

圖1 低溫余熱發(fā)電技術(shù)示意圖

3 改造內(nèi)容

3.1 改造相關(guān)流程

在4#柴油加氫裝置現(xiàn)場采用并聯(lián)連接方式布置3臺向心式ORC發(fā)電機組，改造相關(guān)流程顯示（見圖2），高溫精制柴油（330 t/h、140℃）先后進入余熱發(fā)電系統(tǒng)的機組蒸發(fā)器和預(yù)熱器，降溫至62℃后返回空冷入口。液態(tài)工質(zhì)在預(yù)熱器和蒸發(fā)器內(nèi)被高溫柴油加熱成為工質(zhì)蒸汽，推動渦輪機做功，發(fā)電通過機組并網(wǎng)柜輸出至電網(wǎng)，發(fā)電電壓為6 000 V。工質(zhì)蒸汽隨后進入蒸發(fā)式冷凝器，冷凝成液態(tài)工質(zhì)，經(jīng)工質(zhì)泵驅(qū)動，壓力升高，送入預(yù)熱器，完成熱力循環(huán)。工質(zhì)五氟丙烷在管道內(nèi)由工質(zhì)泵驅(qū)動封閉循環(huán)流動，蒸發(fā)式冷凝器中散熱量主要由水分的蒸發(fā)隨空氣散至大氣環(huán)境。

圖2 發(fā)電機組流程示意圖

3.2 發(fā)電機組設(shè)備

3臺并聯(lián)的向心式ORC發(fā)電機組主要部件包括渦輪發(fā)電機、蒸發(fā)器、預(yù)熱器、工質(zhì)泵、油泵、控制柜、并網(wǎng)柜、蒸發(fā)式冷凝器。每臺機組自帶1套就地PLC，作為單臺機組的核心控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)對工藝參數(shù)進行采集、監(jiān)視和控制，各支路的溫度、壓力及流量實時顯示。當(dāng)任意1臺發(fā)電機組發(fā)生故障時，聯(lián)鎖關(guān)斷故障機組的電動閥，同時開啟旁路電動調(diào)節(jié)閥開度至30%，保證系統(tǒng)管網(wǎng)壓力及整套系統(tǒng)穩(wěn)定運行；其他兩臺發(fā)電機組正常工作。

3.3 發(fā)電機組故障保護系統(tǒng)

（1）過負(fù)荷保護：當(dāng)單臺發(fā)電機功率超過設(shè)定值630 kW時，機組旁通閥聯(lián)鎖打開30%的開度，當(dāng)單臺發(fā)電機功率超過設(shè)定值650 kW時，系統(tǒng)會自動發(fā)出報警；當(dāng)發(fā)電功率高于680 kW時，發(fā)電機系統(tǒng)會自動停機。

（2）高溫保護：發(fā)電機組入口溫度為178℃時報警，180℃是設(shè)計溫度，185℃發(fā)電機組聯(lián)鎖跳停。

（3）高壓預(yù)保護：發(fā)電機組控制系統(tǒng)按照蒸發(fā)器內(nèi)工質(zhì)壓力來調(diào)節(jié)蒸發(fā)器氣動閥開度，當(dāng)工質(zhì)五氟丙烷蒸發(fā)壓力達(dá)到1 350 kPa時，機組旁通閥聯(lián)鎖打開30%的開度，當(dāng)蒸發(fā)壓力達(dá)到1 500 kPa時，機組熱氣旁通閥就會自動打開以減小高溫柴油進入，以避免對機組造成損壞。

（4）旁通閥聯(lián)動：低溫余熱發(fā)電機組配置了高溫柴油氣動閥和旁通閥，在緊急情況下（如發(fā)電機超速、電機出現(xiàn)短路過負(fù)荷等），控制系統(tǒng)會第一時間快速的切斷高溫柴油的供給，通過旁通管路切斷高溫柴油進入發(fā)電機組，以保護人員和機組的安全。

（5）發(fā)電并網(wǎng)采用高壓并網(wǎng)技術(shù)，能夠有效降低發(fā)電機并網(wǎng)時對電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊電流，避免對電網(wǎng)中其他負(fù)載的干擾。為了確保發(fā)電機組更加穩(wěn)定、可靠地運行，除以上功能外，低溫發(fā)電機組并網(wǎng)柜還具有以下功能：電壓、電流、頻率、功率、功率因素等指示、檢測；過流、過壓、過載、短路等保護。

3.4 相關(guān)技術(shù)參數(shù)

發(fā)電機組相關(guān)技術(shù)參數(shù)（見表1）。

表1 發(fā)電機組相關(guān)技術(shù)參數(shù)

4 結(jié)論

4#柴油加氫裝置余熱發(fā)電技術(shù)是裝置進一步深化節(jié)能的一個重要方面，余熱發(fā)電機組運行正常后，裝置每年電量輸出1 452×104kW·h，裝置能耗降低443.03 MJ/t，裝置節(jié)能效果顯著，回收低溫余熱意義重大，余熱回收技術(shù)市場前景廣闊，目前已從用于局部生產(chǎn)裝置用能優(yōu)化擴大到用于全廠用能優(yōu)化，使原來廢棄不用且花費代價冷卻的能量發(fā)揮了作用，具有良好的經(jīng)濟效益及社會效益。

一體化光驅(qū)動水分解的研究

鑒于全球氣候變化，迫切需要開發(fā)從可再生能源獲取和儲存電力的有效方法。在這種情況下，光催化將水分解生成氫燃料和氧氣成為特別有吸引力的方法。然而，有效實施模仿生物學(xué)光合作用過程在技術(shù)上極具挑戰(zhàn)性，因為它涉及到可相互干擾的諸過程的組合?，F(xiàn)在，Jacek Stolarczyk博士和Jochen Feldmann教授領(lǐng)導(dǎo)的慕尼黑大學(xué)（LMU）物理學(xué)家與Frank Wurthner教授領(lǐng)導(dǎo)的維爾茨堡大學(xué)化學(xué)家合作，首次成功地借助一體化催化體系的水完全分解進行了示范。新研究論文發(fā)表在《自然能源》雜志。

水分子光催化分裂的技術(shù)方法采用合成組分來模擬在自然光合作用期間發(fā)生的復(fù)雜過程。在這樣的系統(tǒng)中，吸收光量子（光子）的半導(dǎo)體納米粒子原則上可以用作光催化劑。光子的吸收產(chǎn)生帶負(fù)電荷的粒子（電子）和被稱為“空穴”的帶正電荷的物質(zhì)，兩者必須在空間上分開，這樣水分子可被電子還原成氫，并被空穴氧化成氧氣。Stolarczyk說，“如果只想用水產(chǎn)生氫氣，通常會通過添加犧牲性化學(xué)試劑快速去除空穴。但為了實現(xiàn)完全水分解，空穴必須保留在系統(tǒng)中，以驅(qū)動緩慢水氧化的過程?！眴栴}在于要使兩個半反應(yīng)同時發(fā)生在單個粒子上，同時確保帶相反電荷的物質(zhì)不重新組合。此外，許多半導(dǎo)體本身可能被氧化并被帶正電荷的空穴破壞。

Stolarczyk稱，“通過使用由半導(dǎo)體材料硫酸鎘制成的納米棒解決了這個問題，并在空間上分離了在這些納米晶體上發(fā)生氧化和還原反應(yīng)的區(qū)域?！毖芯咳藛T用微小的鉑顆粒裝飾在納米棒的尖端，這些鉑顆粒充當(dāng)了光吸收激發(fā)的電子受體。這種配置提供了一個有效的光催化劑，用于將水還原為氫氣。另一方面，氧化反應(yīng)發(fā)生在納米棒側(cè)面。為此，LMU研究人員在側(cè)面附上Wurthner團隊開發(fā)的釕基氧化催化劑。該化合物的官能團可將其固定在納米棒上。這些基團為催化劑提供了極快的空穴傳輸，這樣有利于有效產(chǎn)生氧氣，并最大限度減少對納米棒的損害。該研究是巴伐利亞州資助的“太陽能技術(shù)產(chǎn)生混合動力”（SolTech）跨學(xué)科項目的一部分。新光催化系統(tǒng)的開發(fā)是SolTech把不同學(xué)科和不同地區(qū)已有專業(yè)知識匯集起來的一個很好的例子。如果沒有兩個體系的化學(xué)家和物理學(xué)家之間的跨學(xué)科合作，該項目就不可能取得成功。

（摘自中外能源2019年第3期）