CN116336448A - 一种丙烷脱氢装置余热回收发电系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种丙烷脱氢装置余热回收发电方法及系统，本发明结合温水系统与有机朗肯循环系统形成闭环的发电系统，回收丙烷脱氢装置中的多股低温余热并对其进行利用，在保证工艺设计要求的同时，具有回收蒸汽凝液、减少装置废气排放、提高过程能量回收率及利用效率的优点；多股低温余热主要包括丙烷脱氢装置中反应器抽真空乏气低温段、反应器再生空气尾气及产品气压缩机段间多股工艺气，本发明对能量的回收更为有效、广泛，可显著降低循环水的消耗量及减少尾气排放量，节能减排，经济环保。
Description
技术领域
本发明涉及一种丙烷脱氢装置余热回收发电方法及系统。
背景技术
丙烯是一种重要的有机化工原料，具有应用广泛、市场需求大等特点。近年来，随着化工、制造业等各个行业的迅速发展，丙烯的需求量持续上升。随着丙烯生产技术的发展以及生产装置的投产，丙烯产能增长迅速。相比于传统石油化工、煤化工的丙烯生产技术，丙烷脱氢工艺具有项目投资少、产品收率高、生产成本低、原料来源广、环境友好等优势，已作为目前备受青睐的丙烯合成工艺。
目前市场占有率较高的丙烷脱氢工艺装置中，装置内的多处低温余热存在热量回收效率低、能量浪费严重的情况。例如，丙烷脱氢装置中反应器抽真空乏气及反应器再生空气尾气，在现有装置中经废热锅炉后直接去往废气排放系统，未进行任何低温余热回收与利用；产品气压缩机段间多股工艺气，仅对部分段间工艺气采用温水系统进行热量回收，而未对低温热量实现全面回收与有效利用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供一种能对低温余热进行有效回收、提高能量利用率的丙烷脱氢装置余热回收发电方法及系统。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：
一种丙烷脱氢装置余热回收发电方法，包括以下步骤：
(1)采用温水系统进行第一步余热回收，以温水为介质，采用至少两台换热器对丙烷脱氢装置中多处中低温余热进行换热，将温水进行加热，同时冷却装置中的工艺介质；
(2)加热后的温水经温水罐并由温水泵加压送入温水冷却器，经冷却后返回至换热器中实现整个温水系统的闭路循环；
(3)所述温水冷却器同时作为有机朗肯循环系统中的蒸发器，有机工质在该设备中以温水为热源进行汽化过热，随后进入膨胀机进行膨胀发电，减压后的有机工质乏气经冷凝器冷凝后送入分离罐，随后经有机工质经循环泵加压后进入温水冷却器，实现了整个有机朗肯循环系统的闭路运行。
优选地，所述的温水系统中温水工质操作条件为操作温度60℃～130℃，操作压0.1～2.0MPaG。所述的温水系统以温水为工艺介质来稳定回收丙烷脱氢装置中的低温余热，所述温水系统中的操作设备包括换热器、温水罐、温水泵、温水冷却器。
优选地，所述的温水系统中装置内多股低温余热工艺介质入口操作温度为100～180℃，出口操作温度为70～100℃。
优选地，所述的有机朗肯循环系统以有机物为工艺介质，包括有相互连接以构成发电系统的温水冷却器、膨胀机、发电机、冷凝器、分离罐、循环泵。
优选地，所述的有机朗肯循环系统采用的工艺介质为R245fa、R134a、R600a、异戊烷、正戊烷中的一种或多种。
优选地，所述的冷凝器热侧冷凝操作温度为-5～50℃，冷侧操作介质包括冷却水、冷水、氨水、丙烯；
所述的换热器型式选自板式换热器、高效换热器。
优选地，所述的换热器为5台且并联连接，其中，第一台换热器的热源采用产品气压缩机一段出口产品气、第二台换热器的热源采用产品气压缩机二段出口产品气、第三台换热器的热源采用产品气压缩机三段出口产品气，流量均为190～232t/h，操作温度为100～130℃；第四台换热器的热源采用经热量回收后的反应器再生空气尾气，烟气流量为800～1000t/h，操作温度为100～180℃；第五台换热器的热源采用回收完高温热量后的反应器抽真空乏气低温段，流量为28～34t/h，操作温度为100～180℃。
一种丙烷脱氢装置余热回收发电系统，包括：
发电机，连接膨胀机，用于膨胀发电；
冷凝器，连接于所述膨胀机的下游，用于接收经膨胀机后的乏气并对其进行冷凝处理；
分离罐，连接于所述冷凝器的下游，用于对流体进行分离并供分离的液相输往下游；
温水罐，存储有用于回收热量后的水；
换热器，与所述温水罐相连接，包括有分别对不同气体进行热量回收用以加热温水罐中的水的至少两组；以及
温水冷却器，设置有与温水罐的输出口相连接的第一输入口、与换热器入口相连接的第一输出口，还设置有与分离罐的输出口相连接的第二输入口、与膨胀机相连接的第二输出口，用于利用温水罐输出热水的热量对发电用操作工质进行气化、同时对循环进入换热器中的水进行降温。
优选地，所述的换热器包括相互并联的第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器、第五换热器，各换热器的入口分别与温水冷却器的第一输出口相连接；
所述的温水冷却器包括有多组相互并联的冷却器。
优选地，所述温水罐的输出口与温水冷却器的第一输入口之间设置有用于提供送水动力的温水泵；
所述分离罐的输出口与温水冷却器的第二输入口之间设置有用于提供操作工质输送动力的循环泵。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明结合温水系统与有机朗肯循环系统形成闭环的发电系统，回收丙烷脱氢装置中的多股低温余热并对其进行利用，在保证工艺设计要求的同时，具有回收蒸汽凝液、减少装置废气排放、提高过程能量回收率及利用效率、安全性高、工艺运行稳定等优点；多股低温余热主要包括丙烷脱氢装置中反应器抽真空乏气低温段、反应器再生空气尾气及产品气压缩机段间多股工艺气，本发明对能量的回收更为有效、广泛，可显著降低循环水的消耗量及减少尾气排放量，节能减排，经济环保。
附图说明
图1为本发明实施例的工艺流程图；
图2为本发明对比例1的工艺流程图；
图3为本发明对比例2的工艺流程图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例：
如图1所示，本实施例的丙烷脱氢装置余热回收发电方法包括以下步骤：
(1)采用温水系统进行第一步余热回收，以温水为介质，采用至少两台换热器对丙烷脱氢装置中多处中低温余热进行换热，将温水进行加热，同时冷却装置中的工艺介质；
(2)加热后的温水经温水罐V-101并由温水泵P-101加压送入温水冷却器E-106，经冷却后返回至换热器中实现整个温水系统的闭路循环；
(3)所述温水冷却器E-106同时作为有机朗肯循环系统中的蒸发器，有机工质在该设备中以温水为热源进行汽化过热，随后进入膨胀机T-201进行膨胀发电，减压后的有机工质乏气经冷凝器E-201冷凝后送入分离罐V-201，随后经有机工质经循环泵P-201加压后进入温水冷却器E-106，实现了整个有机朗肯循环系统的闭路运行。
温水系统中温水工质操作条件为操作温度60℃～130℃，操作压0.1～2.0MPaG。的温水系统以温水为工艺介质来稳定回收丙烷脱氢装置中的低温余热，所述温水系统中的操作设备包括换热器、温水罐、温水泵、温水冷却器。温水系统中装置内多股低温余热工艺介质入口操作温度为100～180℃，出口操作温度为70～100℃。
有机朗肯循环系统以有机物为工艺介质，包括有相互连接以构成发电系统的温水冷却器E-106、膨胀机T-201、发电机X-201、冷凝器E-201、分离罐V-201、循环泵P-201。有机朗肯循环系统采用的工艺介质为R245fa、R134a、R600a、异戊烷、正戊烷中的一种或多种。
冷凝器E-201热侧冷凝操作温度为-5～50℃，冷侧操作介质包括冷却水、冷水、氨水、丙烯等；换热器型式选自板式换热器、高效换热器。
本实施例的换热器为5台且并联连接，其中，第一台换热器的热源采用产品气压缩机一段出口产品气、第二台换热器的热源采用产品气压缩机二段出口产品气、第三台换热器的热源采用产品气压缩机三段出口产品气，流量均为190～232t/h，操作温度为100～130℃；第四台换热器的热源采用经热量回收后的反应器再生空气尾气，烟气流量为800～1000t/h，操作温度为100～180℃；第五台换热器的热源采用回收完高温热量后的反应器抽真空乏气低温段，流量为28～34t/h，操作温度为100～180℃。
上述方法采用的丙烷脱氢装置余热回收发电系统包括：
发电机X-201，连接膨胀机T-201，用于膨胀发电；
冷凝器E-201，连接于所述膨胀机的下游，用于接收经膨胀机后的乏气并对其进行冷凝处理；
分离罐V-201，连接于冷凝器E-201的下游，用于对流体进行分离并供分离的液相输往下游；
温水罐V-101，存储有用于回收热量后的水；
换热器，与温水罐V-101相连接，包括有分别对不同气体进行热量回收用以加热温水罐V-101中的水的至少两组；
温水冷却器E-106，设置有与温水罐V-101的输出口相连接的第一输入口、与换热器入口相连接的第一输出口，还设置有与分离罐V-201的输出口相连接的第二输入口、与膨胀机T-201相连接的第二输出口，用于利用温水罐V-101输出热水的热量对发电用操作工质进行气化、同时对循环进入换热器中的水进行降温。
本实施例的换热器包括相互并联的第一换热器E-101、第二换热器E-102、第三换热器E-103、第四换热器E-104、第五换热器E-105，各换热器的入口分别与温水冷却器E-106的第一输出口相连接；温水冷却器E-106包括有多组相互并联的冷却器。
温水罐V-101的输出口与温水冷却器E-106的第一输入口之间设置有用于提供送水动力的温水泵P-101；分离罐V-201的输出口与温水冷却器E-106的第二输入口之间设置有用于提供操作工质输送动力的循环泵P-201。
以60万吨/年规模的丙烷脱氢装置为例，装置中低温余热热源主要包括反应器抽真空乏气低温段、反应器再生空气尾气及产品气压缩机段间多股工艺气。其中，第一股、第二股及第三股分别为为产品气压缩机一段出口产品气、产品气压缩机二段出口产品气、产品气压缩机三段出口产品气，流量均约为190t/h～232t/h，操作温度为100℃～130℃。第四股为反应器抽真空乏气，出口温位较高，为了提高能量利用效率，可将其先去预热新鲜再生空气或副产低压蒸汽，因此本实施例以回收完高温热量后的反应器抽真空乏气低温段为热源，流量为28～34t/h，操作温度为100～180℃；第五股为反应器再生空气尾气，经热量回收后，烟气流量为800～1000t/h，操作温度在100～180℃；以上述五股物流为热源，采用温水系统与有机朗肯循环系统对其进行余热回收发电，工艺物流被冷却至70～100℃。
在整个系统中，采用温水系统及有机朗肯循环系统相结合的余热回收发电系统。其中，第一步采用温水系统，以温水为操作者工质，温水先经换热器E-101～E-105进行热回收，操作温度从60～80℃加热至80～100℃。加热后的温水经过温水罐V-101后由温水泵加压经过温水冷却器E-106冷却至60～80℃后实现温水系统循环。整个温水系统的操作压力在0.1～2.0MPaG之间。针对该温水冷却器E-106，根据换热效果可采用并联运行，设备数量在1～5台。同时，温水冷却器E-106也是有机朗肯循环中有机介质的气化器，本实施例中采用R134A作为有机朗肯循环系统的操作工质。经过气化后高温高压的有机工质工艺操作条件为操作压力2.0～2.4MPaG，操作温度75～80℃，随后进入膨胀机进行膨胀发电，膨胀机效率取为85％。经膨胀机后乏气的操作温度为35～45℃，操作压力为0.8～1.1MPaG，采用25～45℃冷却水或冷水在冷凝器E-201冷凝成液相后并由循环泵P-201加压至2.0～2.4MPaG后实现整个有机朗肯循环系统的闭路循环。
经计算，当60万吨/年丙烷脱氢装置采用温水系统及有机朗肯循环系统相结合的余热回收发电系统，产品气压缩机一段出口产品气在第一换热器E-101冷却后，温水系统回收的热量为4.3～5.2MW；产品气压缩机二段出口产品气在第二换热器E-102冷却后，温水系统回收的热量为4.0～4.9MW；产品气压缩机三段出口产品气在第三换热器E-103冷却后，温水系统回收的热量为4.2～5.1MW；反应器再生空气尾气在第四换热器E-104冷却后，温水系统回收的热量为11.8～14.5MW；反应器抽真空乏气在第五换热器E-105冷却后，温水系统回收的热量为18.7～22.8MW，因此，经温水系统回收后，有机介质在温水冷却器E-106中气化回收能量为43.0～52.6MW。取透平膨胀发电效率为85％，则该余热回收发现系统可发电3.5MW～4.3MW，其能量转换效率为7.4％～9.1％。当采用系统换热后，可回收反应器抽真空乏气中蒸汽凝液26.6～32.5t/h，同时减少循环水消耗3750～4550t/h。
同时，针对60万吨/年丙烷脱氢装置，采用余热回收系统，其设备投资约增加1500万元～2000万元，但是每年回收发电28000MW～34400MW，同时可回收蒸汽凝液21.3～26.0万吨/年，减少循环水消耗3000～3640万吨/年，可增加经济效益约1460～1790万元/年，具有较好的经济效益。因此，本实施例中采用温水系统及有机朗肯循环系统相结合的余热回收发电系统，不仅具有工艺装置运行稳定、装置循环水消耗量低等优势，同时具有余热回收发电、节能减排的技术特点。
对比例1：
如图2所示，本对比例也采用一种温水系统与有机朗肯循环系统相结合的丙烷脱氢装置余热回收发电技术。首先，采用温水系统以温水为介质，分别采用换热器1～换热器3E-101～E-103对丙烷脱氢装置中产品气压缩机段间多股工艺气进行余热回收，将温水进行加热。加热后的温水经温水罐V-101并由温水泵P-101加压后送入温水冷却器E-106冷却后实现整个温水系统的闭路循环。有机朗肯循环系统根据热源与蒸发温位不同，采用多段膨胀发电方案。有机工质经过循环泵P-201加压后分成三股分别去温水冷却器E-106、换热器E-202、换热器E-203进行气化蒸发过程。由于换热器E-202及换热器E-203分别采用再生空气尾气及反应器抽真空乏气直接换热方式，有机工质气化温度及蒸发压力较高，蒸发气化后先进入膨胀机一段T-201-1，经膨胀后与温水冷却器E-106出口的工质混合区膨胀机二段T-201-2，膨胀发电后的乏气经冷凝器E-201冷凝后送入分离罐V-201，随后有机工质经循环泵实现了整个有机朗肯循环系统的闭路系统。
在本对比例中，也能回收蒸汽凝液，实现了装置中低温余热的回收。但是，与上述实施例相比，可能存在能量回收及发电效率、丙烷脱氢装置稳定性略差的问题，因此，需要考虑再生空气尾气及反应器抽真空乏气两股热源的利用问题，增设压缩机并考虑压缩机段间换热问题。
对比例2：
如图3所示，本对比例直接采用有机朗肯循环系统进行丙烷脱氢装置余热回收发电技术。采用有机物为介质，分别采用换热器1～换热器5E-101～E-105对丙烷脱氢装置中多处中低温余热进行换热，在冷却装置中工艺介质的同时将有机物进行气化，气化后的有机物经过膨胀机T-201进行膨胀发电，减压后的有机工质乏气经冷凝器E-201冷凝后送入分离罐V-201，随后有机工质经循环泵P-201加压后返回至气化过程，实现整个有机朗肯循环系统的闭路系统。
在本对比例中，也能回收蒸汽凝液，实现了装置中低温余热的回收。但是，直接采用有机朗肯循环技术对该发电系统的稳定性要求较高，还需要尽量避免有机朗肯循环系统的不稳定性对丙烷脱氢装置的运行影响。
Claims (10)
1.一种丙烷脱氢装置余热回收发电方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)采用温水系统进行第一步余热回收，以温水为介质，采用至少两台换热器对丙烷脱氢装置中多处中低温余热进行换热，将温水进行加热，同时冷却装置中的工艺介质；
(2)加热后的温水经温水罐(V-101)并由温水泵(P-101)加压送入温水冷却器(E-106)，经冷却后返回至换热器中实现整个温水系统的闭路循环；
(3)所述温水冷却器(E-106)同时作为有机朗肯循环系统中的蒸发器，有机工质在该设备中以温水为热源进行汽化过热，随后进入膨胀机(T-201)进行膨胀发电，减压后的有机工质乏气经冷凝器(E-201)冷凝后送入分离罐(V-201)，随后经有机工质经循环泵(P-201)加压后进入温水冷却器(E-106)，实现了整个有机朗肯循环系统的闭路运行。
2.根据权利要求1所述的丙烷脱氢装置余热回收发电方法，其特征在于：所述的温水系统中温水工质操作条件为操作温度60℃～130℃，操作压0.1～2.0MPaG。
3.根据权利要求2所述的丙烷脱氢装置余热回收发电方法，其特征在于：所述的温水系统中装置内多股低温余热工艺介质入口操作温度为100～180℃，出口操作温度为70～100℃。
4.根据权利要求1所述的丙烷脱氢装置余热回收发电方法，其特征在于：所述的有机朗肯循环系统以有机物为工艺介质，包括有相互连接以构成发电系统的温水冷却器(E-106)、膨胀机(T-201)、发电机(X-201)、冷凝器(E-201)、分离罐(V-201)、循环泵(P-201)。
5.根据权利要求4所述的丙烷脱氢装置余热回收发电方法，其特征在于：所述的有机朗肯循环系统采用的工艺介质为R245fa、R134a、R600a、异戊烷、正戊烷中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的丙烷脱氢装置余热回收发电方法，其特征在于：所述的冷凝器(E-201)热侧冷凝操作温度为-5～50℃，冷侧操作介质包括冷却水、冷水、氨水、丙烯等；
所述的换热器型式选自板式换热器、高效换热器。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的丙烷脱氢装置余热回收发电方法，其特征在于：所述的换热器为5台且并联连接，其中，第一台换热器的热源采用产品气压缩机一段出口产品气、第二台换热器的热源采用产品气压缩机二段出口产品气、第三台换热器的热源采用产品气压缩机三段出口产品气，流量均为190～232t/h，操作温度为100～130℃；第四台换热器的热源采用经热量回收后的反应器再生空气尾气，烟气流量为800～1000t/h，操作温度为100～180℃；第五台换热器的热源采用回收完高温热量后的反应器抽真空乏气低温段，流量为28～34t/h，操作温度为100～180℃。
8.一种丙烷脱氢装置余热回收发电系统，其特征在于包括：
发电机(X-201)，连接膨胀机(T-201)，用于膨胀发电；
冷凝器(E-201)，连接于所述膨胀机(T-201)的下游，用于接收经膨胀机(T-201)后的乏气并对其进行冷凝处理；
分离罐(V-201)，连接于所述冷凝器(E-201)的下游，用于对流体进行分离并供分离的液相输往下游；
温水罐(V-101)，存储有用于回收热量后的水；
换热器，与所述温水罐(V-101)相连接，包括有分别对不同气体进行热量回收用以加热温水罐(V-101)中的水的至少两组；以及
温水冷却器(E-106)，设置有与温水罐(V-101)的输出口相连接的第一输入口、与换热器入口相连接的第一输出口，还设置有与分离罐(V-201)的输出口相连接的第二输入口、与膨胀机(T-201)相连接的第二输出口，用于利用温水罐(V-101)输出热水的热量对发电用操作工质进行气化、同时对循环进入换热器中的水进行降温。
9.根据权利要求8所述的丙烷脱氢装置余热回收发电方法，其特征在于：所述的换热器包括相互并联的第一换热器(E-101)、第二换热器(E-102)、第三换热器(E-103)、第四换热器(E-104)、第五换热器(E-105)，各换热器的入口分别与温水冷却器(E-106)的第一输出口相连接；
所述的温水冷却器(E-106)包括有多组相互并联的冷却器。
10.根据权利要求8所述的丙烷脱氢装置余热回收发电方法，其特征在于：所述温水罐(V-101)的输出口与温水冷却器的第一输入口之间设置有用于提供送水动力的温水泵(P-101)；
所述分离罐(V-201)的输出口与温水冷却器(E-106)的第二输入口之间设置有用于提供操作工质输送动力的循环泵(P-201)。
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