[科普中国]-低温热回收

低温热回收是对品位较低的热能（一般温度低于200℃）进行回收利用，供给至其他用能单元，为工业生产实现节能降耗。

概念低温热回收技术在炼油厂中主要包括加热炉烟气余热回收系统水热媒技术、热水伴热技术、省煤器技术和四合一炉余热回收技术等。热水伴热是以热水为伴热介质，较蒸汽伴热而言运行平稳，且易于操作，可有效减少伴热系统“跑、冒、滴、漏”现象，减少气蚀和管线冲刷，节约维修成本。使热源介质温度得到有效控制，防止输送介质变质。

炼油厂低温热回收利用的途径及技术在炼油厂工艺装置换热流程进行了优化调整后，仍然有不少低温位余热(70～150℃)被冷却排掉。从系统和全厂来看，这些余热可能是有用的资源，可将其提供给许多需要低温热的用户，以代替蒸汽或其它高品位能源。在节能工作不断深入，欲降低装置及全厂能耗，低温热的回收利用是必不可少的，但由于低温热温度低，客观上存在着回收技术难度大、经济效益不高等问题。低温热的回收利用，需要在全厂建立配套的回收系统，通过一种载能工质(通常为水)把热从装置取出。为保证装置操作的安全可靠，可考虑恒定取热方式，通过在回收系统设置冷却器等手段来调节用热负荷的波动。

装置低温热的利用即是将装置中不能利用的低温热集中起来统一使用。回收的热量大多是空气冷却和水冷却的高温位部分，许多又是冷凝相变的部分，这就要求在装置回收低温热时，充分考虑系统的安全性和操作的可靠性。通常有如下做法：一是为解决各装置开停工不同步的问题，可保留已经存在的冷却系统，一旦上游装置发生故障时，能及时切换过去，以保证正常操作。二是采用可靠的换热设备，防止工艺物流泄漏，如采用U型管换热器等。为保证进装置热水温度恒定，在热水站应设冷却和加热系统。

直接作一般加热用热源根据低温热回收的温位，选择适宜的用户，不仅改变了用户原使用高、中温热源时所造成的过大能量传递损失，而且把高、中温热源顶替下来，这是低温热利用中最具吸引力的方案.

（1）加热装置低温物流

利用低温热取代生产中使用的高、中温位热源，不仅可直接减少生产能耗，而且由于生产用热大多属连续、负荷稳定的情况，节能幅度大、效益高，因此在安排低温热方案时，应优先考虑。这类用热有：①气体分馏、MTBE等加工装置原料及塔底重沸器加热;②催化剂厂洗涤水加热;③动力系统补充化学水、新鲜水加热;④油罐加热等。

（2）加热生活用水

随着劳保福利设施的不断完善，生活用能也相应增加。此外，随着企业的发展，办公楼、教育培训系统、科研设计院所用能也不断增加，这部分能耗影响到全厂综合能耗。如果以低温热取代上述用能，不仅可降低全厂综合能耗，用低温热水代替蒸汽使直接生产能耗也得以下降。这类用热一般分为两类：①用于厂区办公和生活采暖。这种用热虽为季节性使用，但由于用汽采暖往往超过国家采暖标准，且使用中存在许多浪费现象，因此效益还是相当可观的；②加热生活用水。这种用热一方面提高了职工生活水平，另一方面节省了业已存在的需用液化石油气热水器加热的洗澡、洗菜等热水，减少了液化石油气的使用。这种用热的特点为一年四季均需要，但用热负荷随昼夜变化而变化。因此在制定方案时，应考虑用热量减少时，如何保持系统平衡，取出热量。

升级利用低温热在优先用于连续、稳定的热负荷用户之后，就应考虑其过剩部分的升级利用。

（1）热泵

利用热泵技术提高物流的温度，使物流再用于生产过程，是一种有效利用低温热能的技术手段。热泵分为压缩式和吸收式两类。许多石油化工装置已成功地使用了压缩式热泵，取得了较好的节能效果。热泵一般用于需用热量温度与低温热物流温度差别不大的场合。过大的温差将不经济，制定方案时要慎重。

压缩式热泵在气体分馏装置应用较为普遍，用少量高质量电能代替原加热介质如蒸汽起到较为明显的节能作用。但随着低温热利用方案的优化，采用低温热水代替蒸汽作塔底重沸器热源，比压缩式热泵方案更为经济。

（2）制冷

低温热制冷主要是吸收式制冷。蒸汽溴化锂吸收制冷已得到普遍应用，用低温热代替蒸汽热源的氨吸收制冷也已投入工业应用。许多石油化工厂在节能改造和节能规划中考虑了采用低温热溴化锂吸收制冷的方案。低温热制冷的用途有两种。一是用于生产。在南方炎热的夏季，气温和循环水温度较高，产品的冷却温度难以满足要求，致使产品收率下降，损失增大。解决催化裂化吸收稳定“干气不干”的状况，除从工艺上改进外，利用低温热制取5～10℃冷冻水进一步冷却，也可使问题得到改善。例如，某炼油厂1983年就以催化裂化稳定汽油余热和系统乏汽为热源，在催化裂化装置的吸收稳定系统投用三台溴化锂吸收制冷机，改善了吸收稳定操作，半年就增加液化石油气产量14kt。1999年投产的某厂重油催化裂化装置采用溴化锂吸收制冷机制取7～12℃冷冻水，降低吸收剂温度，提高了液化石油气收率。实践证明该制冷设施运行平稳，操作可靠，效果明显，不失为吸收稳定操作解决瓶颈的一种新方法。二是用于办公和生活空调，减少电的消耗。氨吸收制冷与溴化锂吸收制冷原理相同。工质由溴化锂水溶液变为氨水溶液，氨吸收制冷温度可达-20～-40℃，可用于酮苯脱蜡装置的冷冻系统，使电耗大为下降。国内很早就有冷榨脱蜡装置用氨吸收制冷的先例;氨吸收制冷在化肥、化工行业应用较为普遍。对氨吸收制冷的驱动能源的选择十分关键，如采用乏汽和低温热，投资回收期约3a。

（3）发电

在大量过剩的低温热难以找到适宜的同级利用方案时，采用发电是一种适宜的途径。单纯采用低温热发电方案，投资大，发电效率低、投资回收期长，因此与生产供热、供冷结合起来，根据温位不同等安排不同用途，形成整体优化方案，是广为采用的一项低温热回收利用的方法。国内早在20世纪70年代末就开始了采用水或低沸点有机物工质的低温热发电技术的开发应用工作，其中以水为工质的发电-供热机组1983年在某炼油厂投产以来，一直运行正常。它以除盐水作工质，回收催化裂化和焦化两套装置8处低温热量总计33MW，水由44.5℃上升到124.2℃，经二次扩容、二级闪蒸后的蒸汽经汽轮机背压发电约2MW，扩容后的75℃热水向全厂供热10MW，系统综合效率达到了32.84%，综合发电效率为7.5%，按当时价格计算，工程总投资368×104RMB，每年净效益151.4×104RMB。1989年洛阳石油化工工程公司在对某炼油厂进行“八五”节能规划时，提出了在1983年建立的低温热发电系统的基础上扩大低温热源，实现供热-发电-制冷的联合方案。该方案的实施只增加投资1100×104RMB，使全厂能耗下降251.2MJ/t，投资回收期只1.62a，克服了单纯低温热发电投资高、回收期长的缺点。1998年投产的某石化总厂催化裂化装置，设置了低温热电站，回收装置低温热28MW，夏季发电3MW，冬季供热3.5MW后，多余热量发电1.9～2.5MW，取得明显的经济效益

（4）变热器

吸收式变热器是国外近年发展的一种低温热回收利用技术。通过变热器将低温热(如90℃热水)转化为两部分，一部分转化为较高温位的热量，用作加热热源;一部分降质为废弃的低温热量，通过冷却排弃。我国已将变热器技术列入高科技研究项目，研究的焦点是选用合适的工质，其难点是制取200℃左右的热量。普遍认为以含TFE(2，2，2-三氟乙醇)的混合物作为工质较适宜。制取150℃热量的变热器在吸收制冷技术的基础上加以改进即可实现。石化企业已开展了变热器的工程应用实验，低温热水温度提高30～40℃，取得了满意效果。

研究结论低温热回收利用是进一步深化节能的一个重要方面，已从用于局部生产装置用能优化扩大到用于全厂用能优化，使原来废弃不用且花费代价冷却的能量发挥了作用。低温热回收利用的前景是广阔的，其节能效果是显著的。

（1）挖掘低温热源，重点做好生产装置80℃以上冷却物流热量的回收。生产装置要考虑取热工程的切实可行并确保安全可靠。

（2）寻找合适用户。低温热用户各厂情况差异很大，要因地制宜。一些厂用户很多，低温热用量很大，回收的热量在用热高峰期仍满足不了用户需要；一些厂则相反，低温热多，用户少，这就要开发升级利用途径。

（3）制定可行方案。一般有三种方案：纯供热型；供热-制冷联合型和供热-制冷-发电型。

（4）开发低温热升级利用的新技术，如开发吸收式变热器技术，提高温位，便于利用。1

催化裂化装置低温热回收利用的优化方案在石油炼制行业中，催化裂化是极为重要的二次加工过程。催化裂化是以渣油、蜡油等重质馏分油为原料，在一定温度和催化剂的作用下，生产汽油、柴油、液化气等产品的过程。催化裂化装置的用能水平对炼油工业生产能耗及经济效益至关重要。催化裂化的用能过程是不可逆的，输入能量中的一部分以反应热形式进入产品，大部分能量则转化为高于环境温度的低温热能，这两部分能量构成了催化裂化装置的能耗。

降低催化裂化装置能耗主要有以下几方面：降低总输入能、提高转化率和利用低温热。研究主要根据1套新建的50万t/a催化裂化装置的设计方案，提出装置低温热回收利用的优化流程，减少设备投资，降低装置能耗。根据丙烯产品的市场需求及全厂总加工流程的安排，本套装置采用回炼混合碳四的方式提高丙烯产率。该装置加工的重质原料为50万t/a的大庆混合常渣，回炼的混合碳四包括自产碳四组分和装置外购混合碳四组分，共计35万t/a。由于回炼混合碳四组分与重质原料油的比例高达70%，受此影响，装置内反应油气中C5以下的液化气组分较多，低温位热量比常规催化裂化装置大很多，而且其配套气分装置规模较大，达到45万t/a，相应的其低温位热量需求也较大。

常规的低温热回收利用重油催化裂化装置在反应过程中会产生大量的热，这些热量进入各个产品或中间物流中，在产品输出前或中间物流循环利用过程中，均需将其冷却降温，因此这部分热量需要取出并加以利用。由于中段回流油及油浆的抽出位置在分馏塔的中部和下部，属于高温位热源，热量利用情况相对固定，因此不对其进行讨论。常规的低温热回收利用主要有以下几种：

（1）顶循环油。顶循环油的热量利用主要依赖于外部环境，一般用途是给本装置原料油换热或作为其他装置、单元的加热介质，然后与热水换热后返回分馏塔。

（2）轻柴油。轻柴油的抽出位置在分馏塔中部，油品温位相对较高，这部分热量的利用较为容易。常规的换热流程为:轻柴油自轻柴油汽提塔抽出后，先加热原料油至100～140℃，然后将再吸收塔底的富吸收油加热至80～120℃后返回分馏塔，剩余的热量与热水换热。

（3）汽油。稳定汽油自稳定塔底抽出后，一般先给稳定塔进料换热，然后给解吸塔进料或其他需加热介质做热源，最后与热水换热。

（4）分馏塔塔顶油气。分馏塔塔顶油气的常规流程是先给热水换热，再经空冷器或水冷器降温。分馏塔塔顶油气的热量一直是催化裂化装置中低温位热量比例最大的部分，尤其对于多产丙烯等低碳烯烃的催化裂化装置而言，这部分热量的比例更是可观，因此分馏塔顶部热量能否充分利用成为装置低温热量或整体热量回收利用的关键。

优化的低温热回收利用本套装置为多产丙烯的催化裂化装置，回炼混合碳四组分与重质原料油的比例高达70%，因此装置内反应油气中C5以下的液化气组分较多，由此产生的低温热也较为可观。但本装置反应部分的操作压力较低(0.14MPa，表压)，低温热物流温位相应较低，并且配套气分装置规模较大，相应低温热缺口较大，因此，综合考虑以上因素，本方案尽量减少顶循环油、轻柴油、稳定汽油与工艺物流的换热，将更多的热量直接传递给热水，简化低温位物流换热流程。

（1）顶循环油

本装置的顶循环油所带热量约为2.75MW，按照常规用途，顶循环油可以与下游气分装置热联合，用作温位较高的脱丙烷塔塔底重沸器的热源。由于本装置配套的气分装置规模较大，脱丙烷塔塔底重沸器负荷为6.43MW，若采用顶循环油作热源，则需额外增加1台重沸器才能满足要求，不仅增加设备投资，也增加操作难度，不利于平稳调节。因此本装置顶循环油只与热水换热，而气分装置的脱丙烷塔仅设置1台由低压蒸汽作热源的重沸器，简化了装置的换热流程。优化前后的顶循环油换热工艺流程对比见图1。

（2）轻柴油

原料油进装置的温度为120℃，因此本装置取消了轻柴油－原料油换热器。来自再吸收塔底的富吸收油不与轻柴油换热，而是接至特殊设计的分配器直接返回油气接触效率高的填料分馏塔，这样装置取消了轻柴油－富吸收油换热器。根据全厂总加工流程的安排，出装置轻柴油为热出料，因此本装置可考虑只设置轻柴油－热水换热器，如图2所示，不仅简化了操作流程，也降低了设备投资。

（3）汽油

稳定汽油的换热流程对其低温位热量的回收利用率影响不大，与常规的换热流程相比，回炼C4先由热水换热汽化，所以稳定汽油用于气体回炼C4的过热，见图3。根据全厂总加工流程的安排，本装置的汽油产品同样为热出料。

优化效果分析为了说明装置内低温热量回收利用的优化效果，将常规与优化方案的部分数据进行对比，结果见表1。

从换热流程优化前后的对比数据可见:优化后换热流程的低温热多回收4.14MW。从全厂热量衡算看，优化流程换热的热水出口温度比常规流程低3.8℃，相应热量约3.1MW，所以综合考虑，优化的换热流程比常规流程多回收热量1.04MW，该部分热量若考虑蒸汽替代时，全厂可节省蒸汽1.78t/h，折合节省装置能耗(标油)约2.3kg/t。优化后换热流程的冷换设备减少3个台位，相应的设备、管线、仪表和阀门等投资费用可节省约100万元；同时换热流程简化，操作和日常维护简单，降低了操作成本和劳动强度，为装置安全长周期运行创造了条件。2

本词条内容贡献者为:

李斌 - 副教授 - 西南大学