合成氨能量平衡分析(造气部分)

孙南屏,李 林,朱中华

(1.杭州龙山化工有限公司,浙江 杭州 31005;2.黄山市龙胜化工有限公司,安徽 黄山 245900)

合成氨能量平衡分析(造气部分)

孙南屏1,李 林1,朱中华2

(1.杭州龙山化工有限公司,浙江 杭州 31005;2.黄山市龙胜化工有限公司,安徽 黄山 245900)

合成氨;造气工序;能量平衡

热力学第一定律是把不同形式的能量在数量上进行统一,但还不能说明在质量上的差别,这是能量利用和能量衡算中的不足之处。如1kW·h电可供热3 600 kJ。但3 600 kJ的热量却不能转化为1 kW·h电。实际上是不同形式的能量在转换时,有些是可能的,有些却是不可能的,能量转换的方向性是由热力学第二定律决定的。第二定律不是削弱第一定律的权威性,相反是扩充和完善热力学的使用范围。对于设计一个化工生产装置,首先是从节能的角度去考虑,也就是不但要考虑能量的数量,更重要的是设计和计算好能量的质量。本文正是基于这观点对合成氨生产装置进行热力学分析,使工艺设计方案达最优化。

1 造气工序

PSA空分配型煤富氧连续气化是一个立足于国内现有原料,具有自主知识产权、环保、经济的合成氨造气气化新工艺,是各合成氨厂扩产、节能减排的首选改造方案,本热力学计算选用福建三明化工,晋开投资控股集团,安徽淮化集团,平顶山飞行化工集团的生产数据进行分析修正后作为计算条件。

本文将详细讨论不同流程夹套锅炉,废热锅炉的有效能损失并直接折算成经济损失,并提出改进办法。

物流的有效能 E=(H-H0)-T0(S-S0)

式中 H、S分别为流体在T时的焓和熵;H0、S0分别为流体在环境温度 T0时的焓和熵。

水蒸气的能级Ω表达为:

Ω=Ё/Q=1-T0△S/△H(有效能/热值)

△S和△H分别为冷流体通过废热锅炉后的熵增量和焓增量。

计算三种工艺状态下的有效能损失。

计算条件:

半水煤气进废热锅炉温度:450℃

半水煤气流量:45 000 m3/h(晋开4台φ2 800煤气炉)

取环境温度为进废热锅炉的给水温度:104℃

2 计算结果(表1、表2、表3)

表1 副产0.2 MPa蒸汽计算结果

表2 副产1.4 MPa蒸汽计算结果

表3 副产3.9 MPa 450℃蒸汽计算结果

3 工艺流程与问题讨论

PSA空分配型煤富氧连续气化工艺流程见图1。

1)从热力学第一定律看,无论锅炉副产多高蒸汽压力,热流体给热都被水吸收,热量总是平衡的。但从表2和表3的有效能计算可知,能量的损失和级差相差较大。

2)由于废热锅炉副产蒸汽压力低后,使流出废热锅炉的蒸汽温度也降低,导致其出口端温差加大,传热的不可逆性增加,因此有效能损失增大。

图1 型煤4台φ2 800富氧连续气化煤气炉流程图

3)按能级变化,年产10万t合成氨造气夹套与废锅(二废锅炉副产低压汽不计)产3.9 MPa、450℃蒸汽与0.2 MPa蒸汽比较,电价按0.56元/kW·h计,蒸汽能级的变化年效益为:9.8 t/h×100.3 kW·h/t×0.56元=550元/h,年效益:440万元。

4)由江西昌昱实业有限公司设计的,在晋开投资控股集团应用的流程比较合理,二废锅的设计若变更为软水加则能量平衡更加合理,这与整个化工装备的热电配套要相呼应,故副产蒸汽的压力希望能进一步提高。

5)设备的设计要考虑水蒸气是由水温逐步升高,由液态变成气态及过热区体积急剧膨胀,阻力随流速的平方数量级增加,故设备设计上要设法减轻过热区的阻力,以提高能量品位。

6)化工过程普遍存在着不可逆性,基本上可归纳为传热的不可逆性,化学反应的不可逆性,流体流动的不可逆性,传质的不可逆性的。故化工生产的各环节不仅伴随能量的转换,同时也发生能量降质过程,因此对装置进行有效能分析,可找出薄弱环节,挖掘节能潜力。

TQ 113.2;TQ 113.26

C

1005-8370(2010)04—05—02

2010-04-01