油气田余热的低碳化综合利用.pdf

石油炼制与化工节能减排PETROLEUM PROCESSING AND PETROCHEMICALS2023年9 月第54卷第9 期油气田余热的低碳化综合利用常小虎1-2，陈祺锚1.3，徐梦瑶1-2，吕晓芳1.3，郭靖1-2，李艺超4（1.中国石化西北油田分公司，新疆乌鲁木齐8 30 0 11；2.中国石化缝洞型油藏提高采收率重点实验室；3.江苏省油气储运省重点实验室；4.上海优华系统集成技术股份有限公司）摘要：在“双碳”目标的背景下，石化企业需要不断提高生产过程中的能源利用效率，尤其是对其中低品位余热的合理回收与利用。通过对中国石化集团某石油、天然气处理工作站的主要热物料热量回收情况进行分析，通过冷热物流匹配分析得到最佳夹点温度为7 左右，合理夹点温度范围为532，而工作站2 0 以上物流夹点温差为44.1，总体传热温差偏高，余热有较大的回收潜力。采用压缩式热泵技术对可利用余热进行回收与利用的结果表明：全站可以降低能耗约10.6 2 10 kgce/a(1kgce=29.3MJ)，减少COz排放约1352 5t/a；通过节约天然气用量，预计每年创造收益6 8 5万元，通过减少CO2排放，每年可创造收益6 7.6 万元。关键词：余热回收压缩式热泵技术用能优化随着全球经济的迅速发展和能源消耗的快速增加，各国不断开发新能源或提高能源利用效率，以减少化石燃料的消耗和使用。目前，我国对可再生能源的利用已经取得了一定的进展，但我国能源利用效率仍然较低。大约只有30%的余热被再利用，比发达国家低10%左右，至少50%的工业耗能以各种形式的余热被直接废弃 2-3。工业余热一般指生产设备或燃烧系统转换或热交换后排出的可以回收的热能。根据类型不同，余热可以有不同的利用方式，目前比较成熟的工业余热利用技术主要有热交换技术、热功转换余热发电技术和余热制冷制热技术 3。石化行业产生的余热主要为低品位热能，其介质温度一般高于产品储藏温度但低于工艺处理过程温度。将其用于生活供暖，热能利用率较低；而且，由于不同季节的热能需求不同，会导致工艺处理过程的热能分配不合理，甚至造成安全事故。此外，部分优质热源回收困难，而通过循环水或空气冷却器进行冷却会造成热能、电能、循环水等资源的极大浪费 4-51。基于此,Chan等 6 研究了化学热泵技术、热循环技术以及热能存储技术对低品位余热利用效果，发现热泵技术可以在不同循环方式中应用，具有较大优势。ZhangJang等 7 综述了我国工业热泵系统在制冷剂、多级系统、双效吸收系统、压缩吸收系统、太阳能辅助系统和化学热泵系统等方面的研究应用进展。Jia Yongying等 8 以余热温度、所需供热温度、供热能力、能效为输人参数，提出压缩热泵系统的综合选型与评估方法，结合需求可以输出制冷剂、压缩机、热交换器、系统配置的所有适当组合。此外，有很多学者研究了热泵技术在石油化工、天然气行业应用的可行性与经济性，结果表明在石油天然气化工行业应用热泵系统的节能效果显著,可以有效减少环境污染问题 9-12 。因此，石化行业经常采用热泵技术提高余热品位和利用效率，将余热回收并入工业流程，实现区域供热和供冷。本课题基于中国石化某工作站实际热能回收利用情况，采用压缩式热泵技术对该工作站的低温余热进行回收利用，以实现节能减排，同时为石油化工行业，特别是油气田领域的低温余热利用提供指导。1热能工作站概述本研究涉及的热能站为某油气田的热能工作站。该油气田位于塔里木盆地中西部，其油气藏类型特殊，具有超深、超高压、超高温等特点，储层平均埋藏深度超过7 30 0 m，是世界上埋藏最深的油气藏之一。截至目前，该油气田产能为兆吨级，累计生产原油3.33Mt、天然气1.497 10 m，成为中国石化“十四五”期间重要的原油天然气产收稿日期：2 0 2 3-0 2-0 8；修改稿收到日期：2 0 2 3-0 4-2 7。作者简介：常小虎，助理研究员，主要从事油气田节能减排研究工作，已发表论文6 篇。通讯联系人：李艺超，E-mail:yichao.liyouhua-。120地。油气田热能工作站的主要作用是为油气田产出物处理提供能源，如净化的原油、采出水、天然气的外输，液化气、稳定轻烃、硫磺等的生产。工作站用能过程主要有：原油、天然气增压输送；原油、再生气加热；混烃脱硫塔、再生塔、脱乙烷塔、液化气塔塔底再沸器加热；混烃脱硫塔、再生塔、液化气塔塔顶空气冷却器(简称空冷)冷却，丙烷压缩机产生的冷量用于胺液、液化气、稳定轻烃、增压气、天然气冷却，各压缩机级间空冷冷却；锅炉发生蒸汽，热媒炉加热导热油等。工作站综合能耗如表1所示。由表1可知：全站实际综合能耗为2 6.52 kgce/t(1kgce=29.3MJ)；全站消耗能源主要包括水、电和燃料气，三者所占比例分别为0.03%、31.8 2%和6 8.14%。由此可见，燃料燃烧热能在工作站综合能耗中的占比较大。表1工作站综合能耗能耗系数/消耗量/项目(kgce m-3)水0.257电0.1221)燃料气1.10综合能耗合计1)单位kgce/(kWh);2)单位kWh/t。该工作站热能使用的网络分布如图1所示。锅炉排烟一列硫磺回收单元3 447 kW675kW蒸汽锅炉蒸汽31025kW34 472kW燃料气36923kW2.451 kW热煤油炉2206kW散热损失热煤油炉排烟83kW245kW图1工作站热能分布网络2工作站热量利用情况2.1工作站用能情况工作站的主要热源包括塔顶油气、凝结水和石油炼制与化工烟气等，其运行参数见表2；而工作站主要热（原油加热、采暖水加热、轻烃再沸等）的用热负荷见表3。表2 工作站余热统计结果流量/冷却前 冷却后热负荷/热源(t h-1)凝结水51.4一列溶剂再生塔塔顶气8.6二列溶剂再生塔塔顶气23.5蒸汽锅炉烟气63.2硫磺回收尾气7.4合计从表2 可以看出，工作站内余热负荷较大，主要来自一列、二列再生塔塔顶气，因而应在换热过程中回收90 以上低温余热。能耗/占比，(m3.t-1)(kgce t-1)0.0330.00969.182)8.4416.4318.0726.523144kW原油单元7369kW一列凝结水散天然气热损失1468kW单元591kW导热油20 596 kW2023年第54卷温度/温度/kW120.090106.190107.690164.090286.690表3工作站热阱用热负荷%起始终止所需0.03热阱物料温度/温度/热负荷/方式31.8268.14原油加热100.00采暖伴热脱乙烷塔再沸器轻烃602.2夹点温差模拟优化换热流程的合理性在于实现冷热物流的“温度对口、梯级利用”。基于工作站目前热源及热阱的运行现状，采用Aspen Plus软件对站内2 0 以上物流进行夹点分析，绘制了工作站冷热物流实际夹点温差温恰曲线，如图2 所示。由图2 可知，工作站冷热物流实际夹点温差为44.1，传热温差明显偏高，换热流程呕需进一步优化，从而更好回收利用余热。200655kW二列天然气单元180627868368137543414.769用能kW原油35水6016012080400图2 冷热物流实际夹点温差温烩曲线一一热组合曲线；一一冷组合曲线；一一夹点温差5585702040烩值/MW28003318#蒸汽（季节性）648蒸汽6080蒸汽100第9期基于“温度对口，梯级利用”的原理，对工作站冷热物流进行优化匹配。理论上，传热温差越小，则换热器需要传热面积越大，会造成换热网络工程投资费用增多，而操作费用降低。因此，夹点温度与设备费用并非简单的正比例关系。依据AspenPlus软件中夹点温差分析模块，得到工作站冷热物流夹点温差与年设备费用曲线和优化后的冷热物流夹点温差的温-恰曲线，如图3所示。将年设备费用控制在550 0 万元以内为改造的合理区间,由图3(a)可知工作站换热流程的合理夹点温度范围为532，而出现年最低设备费用时,对应的最佳夹点温差为7。基于对夹点温差的优化可知，工作站可回收余热约11MW。6.26.0F5.85.65.4020016012080F400图3优化后冷热物流夹点温差分析结果一一热组合曲线；一一冷组合曲线；一一夹点温差3低碳化余热综合利用系统优化设计该工作站能量利用分析结果见表4。工作站热量利用后会产生能级较低的低温余热，而目前该工作站处理工艺的余热回收率仅为2 5.48%，较多余热被废弃。该工作站的工艺回收能中仅仅包含热回收能，排弃能及产品带出能并未被回收。因此，在该站设置一套低碳化余热综合利用系统，常小虎，等.油气田余热的低碳化综合利用集成多种余热利用技术，按照“统筹调度、梯级利用”的科学用能原理对低温余热进行合理回收分配利用，可以明显降低CO2排放。表4工作站能量利用分析结果项目能量/kW总工艺用能64923原料带人能-911有效利用能46034反应放热3215热回收能16585热力学能耗-1040物理能差-1040反应吸热0待回收能65963工艺回收能16585热回收能16585回收排弃能48 496冷却排弃能（空冷）40951冷却排弃能（丙烷制冷）3897散热排弃能219物流排弃能17211020夹点温差/(a）温差-费用曲线2040烩值/MW(b)温-烩曲线121能耗/(MJ:t-1)916-1365045234-15-150931234234684578553243040608050100其他排弃能产品带出能从损的角度分析，工艺余热应优先满足工作站内部热能直接利用的需求，然后再采用热泵和制冷技术进行升级利用。基于降低过程碳排放量的目标，结合站内蒸汽能级单一（仅0.4MPa级）的实际情况，决定对站内余热采用压缩式热泵技术进行优化。3.1优化方案根据企业实际情况，采用压缩式热泵技术可建立“智慧热岛”能源站，智能高效回收一列、二列溶剂再生塔塔顶热量，并用于原油加热、脱乙烷塔塔底再沸器、采暖取热，以及升级利用替代部分再生塔塔底再沸器蒸汽。增设智慧热岛系统的余热回收工艺流程如图4所示。其优化设计方案如下：(1)热水循环部分将流量为2 50 t/h的7 3循环水送至一列溶剂再生塔塔顶回收余热，塔顶循环水温度提高到约8 3后送到智慧热岛能源站进行热能综合处理。循环水温度进一步提高至8 5，作为热源送1.7088822412原油122除氧水蒸汽一凝结水G=32.2 t/h（除氧器）至原油加热和脱乙烷塔塔底再沸器。其中，加热原油后的循环水降至6 5，通过脱乙烷塔再沸器的循环水降至7 5，之后循环水在空冷器混合后为7 3。通过进行循环水改造减少全厂蒸汽消耗，即减少全厂燃料气消耗。（2）蒸汽循环部分将12 0 的除氧水以流量为11.4t/h输送至二列溶剂再生塔塔顶，生产压力为8 4.5kPa的9 5饱和蒸汽；该蒸汽通过螺杆式热泵机组引人智慧热岛能源站进行升级利用，升压至0.2 5MPa，温度升至17 5.8。该部分蒸汽优先用于加热循环热水和冬季采暖水，剩余的0.2 5MPa蒸汽送至溶剂再生塔塔底再沸器，减少其蒸汽消耗。经过再沸器的蒸汽压力降至0.15MPa，温度降为12 8，凝结后输送至除氧器。（3)溶剂再生塔流程改造将溶剂再生塔塔顶改造为两级冷却系统：一列溶剂再生塔塔顶酸性气通过新增低温差高效换热机组先与热水换热，再经空气冷却器（空冷）冷却，温度可由10 6.1降至8 5；二列溶剂再生塔塔顶酸性气先发生95饱和蒸汽，再经空冷冷却，温度由10 7.6 降至10 0。同时，将二列溶剂再生塔塔底再沸器更换为低温差高效换热机组，并在前端增设了流量控制。此外，将原油加热系统改造为两级加热系统，原油先经8 5热水加热，后经0.4MPa蒸汽加热，温度石油炼制与化工二列再生塔塔顶酸性气智慧热岛系统人人人二列再生塔塔顶入口补液,G=1.1 t/hG=21.5 t/h文压力控制流量控制:文D二列再生塔塔底重沸器图4余热回收工艺流程可由35升至55。采暖流程先将6 0 采暖水送人智慧热岛能源站加热至8 5，然后经汽-水换热器(热量不足时的备用换热器)调温后送至采暖伴热用户。优化后，低碳化余热综合利用系统热量平衡数据如表5所示。基于上述优化方案，工作站夏季和冬季可分别减少加热蒸汽负荷10 9 8 4kW和10403kW，折合节省天然气平均12 0 5.3m/h，因而可将3台蒸汽锅炉降低为2 台，夏季和冬季的蒸汽流量可分别由49.5t/h和55t/h减少至33.2t/h和38.8 t/h。而增设智慧热岛能源站和智慧热岛热水循环系统需要增加电耗，夏季和冬季分别增加用电负荷117 4kW和59 3kW。表5低碳化余热综合利用系统能量平衡数据蒸汽负荷/kW项目夏季热源一列再生塔顶酸性气二列再生塔顶酸性气热泵补充功率（轴功率）合计热阱原油加热脱乙烷塔塔底再沸冬季采暖伴热溶剂再生再沸合计2023年第54卷G-56 t/h脱乙烷塔G-74 t/h智慧热岛能源站供热量：8 0 2 2 kWG=11.7 t/h:HG=120 t/h一列再生塔热水罐塔顶酸性气循环热水泵G=250 t/h空气冷却器冬季2.9622962684868481.17459310984104032.8002.80064864803318753636371098410403第9期3.2节能效果及技术经济指标通过应用低碳化余热综合利用系统可以有效实现节能减碳，具体增加或减少的经济技术指标见表6。从表6 可得，节约天然气预计产生效益为6 8 5万元/a。改造后，每年可以减少CO2排放量1352 5t，增加效益约6 7.6 万元。表6 增加或减少的经济技术指标运行节省能节省量/效益/能源时间/kW(万元a-1)h(kgce.a-1)燃料气11.2568400电-9608.400合计4结 论基于中国石化某工作站实际热能回收利用现状分析，发现站内换热流程的实际夹点温度与最佳温差值偏差很大，而且余热负荷大，其工艺余热回收率仅2 5.48%，较多余热被排弃。为了有效回收余热，基于“温度对口、梯级利用”的原则，对该工作站进行余热低碳化综合利用系统优化，发现工作站冷热物流合理夹点温度为532，最佳夹点温度为7。采用压缩式热泵技术建立了工作站“智慧热岛”能源站，智能高效回收一列、二列溶剂再生塔塔顶热量，用于原油加热、脱乙烷塔底再沸、采暖和升级利用替代部分再生塔底再沸器蒸汽。通过优化余热低碳化综合利用系统，该工作站可以降低能耗约10.6 2 10 kgce/a，通过节约常小虎，等.油气田余热的低碳化综合利用天然气消耗可新增效益6 8 5万元/a；同时，改造后每年可以减少CO2排放量约1352 5t，新增效益约67.6万元。参考文献11何雅玲.工业余热高效综合利用的重大共性基础问题研究J.科学通报，2 0 16，6 1（17）：18 56-18 572李洪福，温燕明，孙德民.钢铁企业用电自给可行性探讨 J.CO2减钢铁，2 0 10,45(1)：99-10 3耗10-6/排量/(t a-1)100011.61-3150.9968510.621233连红奎，李艳，束光阳子，等.我国工业余热回收利用技术综述 J.节能技术，2 0 11,2 9（2）：12 3-12 8,133189044赵宗澳.余热利用与锅炉节能M.银川：宁夏人民出版社，5.3791984:46-5113 5255王玉娟.炼油低温余热回收利用方案及工程实施.石油石化节能，2 0 17,7（8)：58-6 2,8 26Chan C W,Ling-Chin J,Roskilly A P.A review of chemicalheat pumps,thermodynamic cycles and thermal energystorage technologies for low grade heat utilisation J.Applied Thermal Engineering,2013,50(1):1257-127372Zhang Jing,ZhangHonghu，H e Ya l i n g，e t a l.Acomprehensive review on advances and applications ofindustrial heat pumps based on the practices in China J.Applied Energy,2016,178:800-8258JJia Yongying,Zhang Lei.Study and utilization of heat pumpair condition system in oil-gas gathering and transferringLJJ.Application of Chemical Engineering,2011,236:2709-27129王如竹，王丽伟，蔡军，等.工业余热热泵及余热网络化利用的研究现状与发展趋势 J.制冷学报，2 0 17,38（2）：1-1010穆静霞，考虑余热利用的天然气储气库综合能源系统优化研究 D.重庆：重庆理工大学，2 0 2 2:2 1-3111周辉.胜利油田污水余热回收利用技术研究 D.青岛：中国石油大学（华东），2 0 16：8-1512赵金龙，吴鹏，叶鹏，等.南堡油田余热回收利用试验的应用及潜力分析 J.油气田地面工程，2 0 19,38（9）：8-11，17COMPREHENSIVE UTILIZATION OF WASTE HEAT IN OIL-GAS FIELDChang Xiaohul-?,Chen Qimaol.3,Xu Mengyaol.?,Lu Xiaofangl3,Guo Jingl*2,Li Yichao4(1.SINOPEC Northzwest China Petroleum Bureau,Urumqi 83001l;2.SINOPEC Key Laboratory for Enhanced Recovery from Seam Hole Reservoirs;3.Jiangsu Key Laboratory of Oil-Gas Storage and Transportation Technology;4.Shanghai Youhua System Integration Technology Co.,Ltd.)Abstract:Under the background of“double carbon target,petrochemical enterprises need tocontinuously improve the efficiency of energy utilization in the production process,especially thereasonable recovery and utilization of low-grade waste heat.Based on analysis of the heat recovery of themain hot materials of an oil and natural gas processing workstation of SINOPEC Corporation,the124optimal pinch point temperature was found to be about 7 C,and the reasonable pinch point temperatureranged from 5 C to 32 C by the matching analysis of cold and hot logistics.While the pinch pointtemperature difference of the logistics above 20 C in the workstation was 44.1 C,the overall heattransfer temperature difference was on the high side,and the waste heat had a great recovery potential.The results of the recovery and utilization of available waste heat by using compression heat pumptechnology showed that the total station could reduce energy consumption by about 10.62 X10s kgcela(1 kgce=29.3 MJ)and reduce CO2 emissions by about 13 525 t/a.It was estimated to generate6.85 million Yuan/a by saving natural gas consumption and 676 000 Yuan/a by reducing CO2 emissions.Key Words:waste heat recovery;compression heat pump technology;energy optimization石油炼制与化工2023年第54卷C简讯G全球电动汽车需求激增，预计2 0 2 3年销量将上升35%全球汽车行业正在经历一场巨变，这将对能源行业产生影响，到2 0 30 年，电气化将使石油需求量减少5Mbbl/d（1b b l 159 L）。国际能源署的2 0 2 3年度全球电动汽车展望显示，2 0 2 2 年全球电动汽车销量超过10 0 0 万辆，预计今年销量将再增长35%，达到140 0 万辆。根据国际能源署的最新预测，这一爆炸式增长意味着电动汽车在整个汽车市场的份额已从2 0 2 0 年的4%左右上升到2 0 2 2 年的14%，2 0 2 3年将进一步增加到18%。迄今为止，多数电动汽车的销售主要集中在3个市场：中国、欧洲和美国。2 0 2 2 年中国占全球电动汽车销量的6 0%。全球道路上行驶的电动汽车超过一半都在中国。欧洲和美国分别是第二大市场和第三大市场，2 0 2 2 年的销售额分别增长15%和55%，增长强劲。欧盟的Fitfor55一揽子计划和美国的通货膨胀削减法案，预计将在未来10年及以后进一步增加电动汽车的市场份额。到2 0 30 年，中国、欧盟和美国电动汽车在总销量中的平均份额将上升到60%左右。王铃摘译自www.iea.0rg,2023-04-26美国和德国研究者用氯铝酸离子液体促进聚烯烃类废塑料裂解并转化为异构烷烃聚烯烃类废塑料的化学回收难以具有经济性的主要原因是废塑料中的C一C键很稳定。美国太平洋西北国家实验室和德国慕尼黑工业大学的研究者开发了一种新的方法，可以降低废塑料C一C键断裂能耗并直接生成燃料，该方法已经取得一定的进展。研究人员提供了一种高度离子化的反应环境，并在同一反应容器中将C一C键的断裂反应与后续的烷基化反应结合起来。使用该工艺，研究团队从聚丙烯和低密度聚乙烯类废塑料中获得了类似汽油组分的CsCi o 异构烷烃。该研究团队在Nature杂志上发表的文章称，他们使用的氯铝酸离子液体，可以促进废塑料的裂解，特别是该离子液体提高了塑料的反应活性，降低了离子过渡态的能垒。C一C键断裂后在现有烷基化催化剂体系下即可生成高质量液态烷烃。黄丽敏摘译自ChemicalEngineering，2 0 2 3-0 4-0 1Axens公司与埃克森美孚公司就MTBE分解技术达成技术许可联盟埃克森美孚催化剂和许可有限责任公司（ExxonMobilCatalysts and Licensing LLC)与 Axens 公司签署了一份独家许可联盟协议，允许Axens公司在其高纯度异丁烯及其产品组合中加人埃克森美孚公司的MTBE分解技术。该技术用于生产高反应活性聚异丁烯和丁基橡胶，使Axens公司的客户能够更好地满足未来十年对石化中间体不断增长的需求。根据该协议，Axens公司被授权可在全球范围内为新建MTBE分解装置的设计、建造和开工提供相关的营销、许可、工程设计和技术支持服务。该联盟建立在集成专业知识的基础上，通过采用MTBE和MTBE分解技术集成或是采用独立的MTBE分解技术，可为客户提供纯度至少为9 9.9 9%的异丁烯。埃克森美孚公司的MTBE分解技术是一种经过工业验证的、具有成本效益的连续固定床工艺，可将MTBE催化裂解为异丁烯和甲醇。将这项技术添加到Axens公司的产品组合中，完善了其产品结构，也加强了Axens公司与埃克森美孚催化剂和许可有限责任公司的长期合作伙伴关系。黄丽敏摘译自DigitalRefining，2 0 2 3-0 6-0 7