成果報告書詳細
管理番号20140000000251
タイトル平成23年度-平成25年度成果報告書 省エネルギー革新技術開発事業 先導研究 製油所廃熱有効活用を図る溶液濃度差熱輸送技術の設計方法論確立の研究開発
公開日2014/7/1
報告書年度2011 - 2013
委託先名国立大学法人東京農工大学 JX日鉱日石エネルギー株式会社
プロジェクト番号P09015
部署名省エネルギー部
和文要約本研究では製油所内の排熱を蒸留塔塔頂冷却に有効利用することによって省エネルギーを実現することを目指し,溶液輸送によって排熱を長距離輸送する技術を実証するとともに,具体的な蒸留塔を対象に塔頂冷却による省エネ効果を推定し,有効性を確認した.
●溶液輸送型吸収冷凍サイクルによる長距離熱輸送の実証
 本研究では溶液輸送による長距離熱輸送技術(STA)を実際の試験装置を用いて実証することを目的とした.具体的には90kWのアンモニア吸収冷凍機をベースに200m相当の溶液輸送配管を付加し,長距離熱輸送時の冷凍能力およびCOPを実測した.実際の配管径に対応した圧力損失に合わせることによって等価的に輸送距離200m-2000mの定常運転試験を行った結果,いずれの距離においても0m輸送(通常の吸収冷凍機)と同等のCOPが得られることを確認した.すなわち,吸収冷凍サイクルに熱輸送機能を持たせることによって冷凍サイクルが本来持っている性能を劣化させないことが,実スケールの試験装置によって明らかにできた.
 また,発生器温度と冷熱負荷のステップ的な変動がサイクルの挙動に及ぼす影響を200m輸送について実験的に確認した.その結果,発生器温度が低下する場合の冷熱出力の追従性は0m,200m間の差が小さいが,発生器温度が20℃上昇する場合には200mのケースでは追従性に30分程度の遅れが観測された.一方,冷熱負荷の減少または増加に対する出力の追従性に対し輸送距離の影響は小さいことが示された.
●製油所蒸留塔の塔頂冷却による省エネルギー
 本研究では,排熱から冷水を製造し,蒸留塔の塔頂部を冷却することによって省エネルギー化を図る方式の可能性を調べることを目的とした.
 まず,製油所内で発生するSTA向けの排熱量を確認したところ,STA冷熱(チラー水)製造量は74.8Gcal/hと推定された.次に,常圧蒸留装置およびその下流に位置する3蒸留装置を対象に,塔頂およびレシーバーの温度/圧力が変化した場合や吸収液温度が変化した場合の熱収支から,省エネルギー性の検討を行った.この結果,常圧蒸留装置が最もメリットが大きいことがわかった.また,夏場に特に運転が厳しくなる複数の加圧系蒸留装置を対象に,塔頂冷却系へのSTA冷熱適用の可能性をタワーシミュレーションによって実施した.その結果,省エネ効果として目標のリボイラ負荷30%削減を達成できる加圧系蒸留塔(デブタナイザー)を見出した.
●製油所における溶液輸送による排熱有効利用のモデル検討
 前述の選定した設備を対象に「STA冷熱利用システム」のプロセスフローダイアグラムを作成し,経済性を評価した.
 STA装置への熱源側のシステムは,既設クーラ2基から0.2MPaG蒸気を回収する.回収された低圧蒸気は既設の低圧蒸気ヘッダーに送られ,STA装置の「高圧側」に供給される.
 経済性を評価した結果,投資回収年数が15年と予想された.そこで製油所内に溶液配管を建設するのではなく,製油所に既設の蒸気ラインを活用して排熱を輸送するケースを検討したところ,回収年数は10年に短縮できることが示された.
 このことから,一事業所内ではなく,隣接する事業所間で新たに熱融通するようなケースにおいてSTAの応用可能性があると考えられる.
英文要約The objectives of this study are to verify the technological feasibility of thermal energy transportation by “Solution Transportation Absorption Cycle (STA)” experimentally and to estimate the possible energy savings when STA is applied to cool distillation columns in the oil refinery plant in order to enhance energy conservation.

Long distance transportation of heat by STA
 The study intended to measure the actual performance of STA with the distance over 200m to verify the feasibility. The experimental facility was based on ammonia-water absorption chiller in principle. It had the cooling capacity of 90 kW and was equipped with pipes equivalent to the volume of 200m pipelines with ordinary pipe diameter. In the solution transportation, the pressure drop along the pipes was adjusted to that of given long distance to emulate the actual operation conditions. The performance in steady state in terms of COP (coefficient of performance) was investigated in the cases with 200m up to 2000m, which indicated that the COP with any transportation distance would be the same as the COP of 0m transportation, i.e. conventional absorption chiller. It was concluded that the additional function of thermal energy transportation would not affect the COP of the absorption cooling cycle.
 The behavior in non-steady state was also examined from the viewpoint of how STA would respond to the stepwise change of external conditions such as the generator temperature and the cooling load. While time delay was observed in the case of 200m where the generator temperature increased by 20 degC, similar response happened in both cases of 0m and 200m for the temperature decrease by 20 degC. It was also observed that the influence of transportation distance was small when the stepwise change of the cooling load was exerted.

Energy savings by cooling the top of distillation columns
 The study attempted to confirm the possibility of energy conservation by cooling the top of distillation columns to decrease the pressure, which would be expected to reduce the thermal load of the boilers.
 Wasted heat unexploited in the oil refinery plant was surveyed, which showed the potential cooling supply by STA would be 74.8 Gcal/h. Simulations were conducted to know the feasibility of the top cooling for atmospheric distillation columns, which resulted in the topper distillation would be the most effective among the candidates columns. Furthermore, the feasibility of the top cooling was also examined for 4 pressurized distillation columns. From the viewpoint of reducing heat load of the boilers, It was found that 3 out of the 4 columns would be expected to attain enough energy savings more than 30%. Consequently a pressurized distillation column of Debutanizer was selected as the best candidate for the STA application taking several factors into account.

A model analysis of STA in the actual oil refinery plant
 The study investigated the economical feasibility of STA application in the oil refinery plant based on a model analysis associated with a real size STA for the candidate column. It was assumed that wasted heat from two coolers would be recovered as steam at the pressure of 0.2 MPaG, and that the steam would be transferred to the generator of STA through low pressure steam line. The payback year was estimated 15 years, which could be reduced down to 10 years when the low pressure steam line would be used instead of the solution transportation pipelines.
 It can be said that STA is considered suitable not for heat supply within one plant, but for heat transportation between two remote sites.
ダウンロード成果報告書データベース(ユーザ登録必須)から、ダウンロードしてください。

▲トップに戻る