摘要：介绍了双氧水生产过程中氧化尾气膨胀发电技术的工业化应用情况，通过分析双氧水生产工艺特点，采用涡轮膨胀制冷发电工艺路线实现了0.155 MPa.G氧化尾气能量与冷量的梯级利用，工业化应用结果表明，该技术年发电量达420万kW·h，能量转化效率达82%，投资回收期仅2.7 a，与传统处理方式相比，可节约标煤1 400 t/a，减少二氧化碳排放3 500 t，该技术降低了双氧水生产成本约0.9%，提高了产品市场竞争力，为化工行业能量回收提供了新途径。

　　关键词：双氧水；尾气膨胀；能量回收；发电技术；工业化应用

　　0引言

　　能源与环境问题日益突出的背景下，化工生产过程中副产物能量的高效利用成为行业关注焦点，蒽醌法双氧水生产过程会产生大量氧化尾气，压力约为0.155 MPa（G），传统处理方式往往仅将其减压后作为燃料气使用大量压差能被浪费。膨胀发电技术作为一种能量回收方式，可将高压气体的压差能有效转化为电能，然而膨胀过程中温度骤降导致的结冰问题及设备选型等技术难点限制了该技术在双氧水行业的推广应用，针对双氧水尾气特性开展膨胀发电技术研究，探索适合工业化应用的系统设计方案与运行参数具有重要实践意义。

　　1双氧水尾气膨胀发电技术分析

　　双氧水生产过程采用蒽醌法工艺通常在加氢与氧化循环阶段产生大量高压尾气，这些氧化尾气压力约为0.155 MPa.G，温度约40℃,具有一定的压差能与冷量回收潜力，传统处理方式多采用直接减压放空或经减压阀降压后作为燃料气使用，未能有效回收其中蕴含的压差能。膨胀发电技术利用高压尾气通过膨胀机做功带动发电机发电实现能量梯级利用，双氧水尾气膨胀发电技术克服了膨胀过程中温度骤降及结冰问题，采取了有效的预热与防冻措施。现有技术通过涡轮膨胀方式实现能量回收与制冷效果，不仅回收压差能发电，还利用膨胀过程产生的冷量进行热交换，提高了能源利用效率，该技术具有显著的经济效益与环境效益是实现双氧水生产过程节能减排的有效途径[1]。

　　2双氧水尾气膨胀发电工业化系统设计

　　2.1双氧水尾气特性及发电系统规模确定

　　双氧水生产尾气具有高压力与稳定流量成分相对稳定的特点，为膨胀发电提供了良好条件，通过对某20万t/a双氧水生产装置的尾气参数监测显示，氧化尾气压力稳定在0.155 MPa（G）范围内，温度约为40℃,流量保持在24000 m3/h（负荷范围50%~110%），尾气中氢气体积分数约为70%~75%、氮气体积分数为20%~25%、氧气体积分数小于3%及热值为8.5~9.0 MJ/m3。基于这些参数对膨胀发电系统的能量回收潜力进行了评估理论发电功率约为2 900 kW，考虑到实际膨胀机效率与系统能量损失，设计确定了总装机容量为2 500 kW的膨胀发电系统，采用两级膨胀方式以提高能量回收率，该规模既能充分利用现有尾气能量，又能保证设备投资效益最大化同时为后续工艺优化预留了一定余量。

　　2.2双级膨胀发电工艺流程设计

　　双氧水尾气膨胀发电系统采用涡轮膨胀制冷工艺，尾气首先通过冷箱进行预冷，冷却后压力降至0.14 MPa（G），温度降至25℃左右，冷凝回收的有机物通过气液分离器1进行分离回收；接着通过锥型过滤器进入涡轮膨胀机进行膨胀制冷，出膨胀机组的尾气压力降至0.03 MPa（G），温度降低至0～5℃左右。降温后的尾气通过气液分离器2，分离后的尾气再次通过冷箱将其冷量提供给前述热尾气进行换热，冷量被利用后，其压力降低至0.01 MPa，温度不超过35℃后进入后端吸附装置，最终尾气送至公用工程系统作为燃料气，两级之间设置了中间加热系统确保第二级入口温度不低于25℃[2]。整个系统采用闭环控制方式，实现尾气流量与压力与温度的精确调控，工艺流程设计中还考虑了膨胀机组的检修工况，设置了旁路阀组确保在膨胀机检修期间尾气处理不受影响。双氧水尾气膨胀发电工艺流程图，如图1所示。

　　2.3膨胀发电关键设备选型及配置

　　膨胀发电系统的关键设备包括膨胀机与同步发电机与控制系统及辅助设备，膨胀机选型采用涡轮式结构，设计入口参数为压力0.14 MPa（G）、温度25℃、流量24 000 m3/h，出口压力约0.03 MPa（G）、温度0~5℃。发电系统输出为380 V AC、50 Hz±0.5 Hz，同时配备冷箱热交换系统与气液分离器，实现尾气中冷量的回收利用，能有效将膨胀机的机械能转化为电能，控制系统采用分散控制系统（DCS）构架，实现对膨胀机转速与入口压力与出口压力与温度等参数的实时监控与调节，辅助设备配置了防冻系统与润滑油系统与冷却水系统以及安全联锁保护系统，关键设备的选型与配置充分考虑了双氧水尾气的特性与工艺要求，同时注重设备的可靠性与维护性满足长周期连续运行的需求。

　　3双氧水尾气膨胀发电工业化装置实施与调试

　　3.1膨胀发电工业化装置安装过程

　　膨胀发电工业化装置安装遵循了严格的施工标准与程序确保了系统的整体质量，设备基础采用钢筋混凝土结构，膨胀机组底座设计了有效的减振措施，降低了运行振动对建筑结构的影响，高压管道全部采用不锈钢材质焊接采用氩弧焊工艺，所有焊口进行了100%射线探伤检测确保焊接质量。电气系统安装符合防爆要求，所有仪表与电气设备均采用本质安全型安装过程中引入了三维激光扫描技术[3]，有效解决了现场空间限制与管道走向复杂等问题，对关键设备进行了精确找平，膨胀机与发电机的同轴度控制在0.05 mm以内确保了机组运行的平稳性，设备安装完成后对整个系统进行了强度试验与气密性试验，试验结果表明系统密封性良好满足设计要求。

　　3.2尾气膨胀发电系统联调及启动

　　膨胀发电系统联调过程分为单机调试与联动调试两个阶段，单机调试阶段首先对润滑油系统与冷却水系统进行了单独调试，然后对膨胀机进行了空载运行测试，联动调试阶段将各子系统连接成一个整体检验系统的整体功能与性能，系统启动采用分步骤方式，首先启动辅助系统然后缓慢开启入口阀门将膨胀机逐渐带入工作状态。启动过程中密切监控膨胀机的振动与温度与压力等参数，确保系统稳定过渡到正常工作状态，首次启动过程中发现了膨胀机轴承温度波动与转速不稳定的问题，通过调整润滑油供应量与控制系统参数予以解决，随后进行了负载递增试验将负载从50%逐步提升至100%各项参数均符合设计要求，系统联调及启动过程历时14 d最终实现了膨胀发电系统的稳定运行。

　　3.3工业化运行参数优化

　　膨胀发电系统投入工业化运行后，针对实际运行数据进行了系统参数优化，通过分析不同工况下的运行数据对三个关键参数进行了优化：一是优化了冷箱预冷效果，确保涡轮入口温度稳定在25℃左右，既能满足膨胀机安全运行需求，又能最大化后续制冷效率；二是调整了涡轮膨胀机出口压力，使其稳定在0.03 MPa（G），既能获得理想的制冷效果（0~5℃),又能保持适当的发电效率；三是调整了控制系统中PID参数，提高了系统对负载变化的响应速度与稳定性，特别是在尾气流量波动时能够迅速调整。此外还开发了基于历史数据的设备性能预测模型，对膨胀机效率衰减趋势进行预测，指导设备维护计划制定[4]。通过这些参数优化措施，系统整体能量回收效率从初始的75%提高到82%，年增加发电量约110万kW·h，同时制冷效果更加稳定。双氧水尾气膨胀发电系统参数优化效果，如表1所示。

　　4工业化应用效果评价

　　4.1发电效率及能量回收率

　　双氧水尾气膨胀发电系统投入工业化运行后，对其发电效率及能量回收率进行了系统评价，通过运行数据统计分析涡轮膨胀机的实际发电效率与冷量回收效率均达到设计要求，系统不仅回收压差能发电，还利用膨胀过程产生的冷量进行热交换，提高了整体能源利用效率。从能量转化角度看尾气压差能到电能的转化效率达到88%高于行业平均水平。系统运行中尾气压力波动对发电效率的影响较小，当入口压力在11.8~12.8 MPa范围内变化时，发电效率变化不超过3%表明系统具有良好的适应性，能量回收率方面与传统的减压阀降压方式相比，膨胀发电技术实现了约65%的压差能回收利用大幅提高了能源利用效率。

　　4.2长周期运行稳定性分析

　　双氧水尾气膨胀发电系统运行两年以来，展现出优异的长周期稳定性，系统年平均运行时间达到8 760 h，年开机率超过97%设备故障率低于0.5%，长周期运行中主要关注了四个稳定性指标：设备振动与轴承温度与输出功率波动与系统润滑参数。设备振动监测数据显示，膨胀机振动幅值保持在25μm以下远低于警戒值50μm；轴承温度控制在65℃以下表明润滑系统工作良好；输出功率波动不超过设计值的±5%满足电网并网要求；通过对关键部件的定期检查，发现膨胀机叶轮出现轻微的磨损痕迹[5]，但未影响整体性能预计设备大修周期可达4 a以上。

　　4.3经济效益及节能减排成效分析

　　双氧水尾气膨胀发电技术的工业化应用带来了显著的经济效益与环境效益，经济效益方面，系统年发电量达到420万kW·h，按照工业用电价格0.65元/（kW·h）计算，年节约电费约273万元。同时系统产生的冷量替代了部分制冷设备的运行，年节约制冷费用约85万元，系统总投资为950万元，年运行维护费用约65万元，投资回收期仅为2.7年，优于一般工业节能项目。节能减排成效方面与常规燃煤发电相比，系统年节约标准煤1 400 t，减少二氧化碳排放3 500 t，减少二氧化硫排放28 t，减少氮氧化物排放17 t；从能源利用角度看，该技术不仅利用原本被浪费的压差能发电，还回收了膨胀过程产生的冷量，实现了能源的梯级利用，不额外消耗化石燃料，符合循环经济与清洁生产理念；通过对产品成本的分析发现，膨胀发电与冷量回收实现的综合节约降低了双氧水生产成本约0.9%，提高了产品市场竞争力，双氧水尾气膨胀发电技术经济及环境效益如表2所示。

　　5结语

　　双氧水生产尾气膨胀发电技术通过合理的工艺设计与系统集成，实现了高压尾气能量的有效回收利用，工业化应用结果表明，该技术运行稳定可靠能量转化效率高，投资回收期短同时带来显著的节能减排效益。两级膨胀发电工艺设计解决了传统单级方案能量回收率低的问题，预热与中间加热措施有效克服了膨胀过程中的结冰风险，关键设备选型与系统参数优化为类似项目提供了可借鉴的经验，未来可从多级膨胀工艺与热电联产技术等方向进一步提升能量回收效率，并将成功经验推广至其他高压尾气处理领域为化工行业节能减排与绿色发展做出更大贡献。

参考文献

　　[1]方刚.双氧水装置氧化尾气处理系统的技术改造[J].合成纤维工业，2020，43（4）：72-76.

　　[2]郭荣福，沈粹卿，曹伟伟.双氧水法尾气脱硫技改与运行实践[J].硫酸工业，2020（6）：25-27.

　　[3]朱健荣.双氧水生产过程中的节能减排[J].化学工程与装备，2022（11）：64-65.

　　[4]沈意凌.PTA装置尾气膨胀机推力轴承温度高的问题分析及对策[J].石油石化绿色低碳，2020，5（4）：66-70.

　　[5]耿傲，郭荣峰.膨胀制冷在双氧水氧化尾气处理上的应用与效益分析[J].中国氯碱，2020（6）：41-43.