联碱装置低温余热制冷技术的研究

赵 赛

(天津渤化永利化工股份有限公司，天津 300452)

1 联碱冰机运行现状

我公司氯化铵生产装置需要大量的冷量，目前是利用液氨与制碱母液换热后，气氨经螺杆压缩机压缩冷凝成液氨后循环使用。现有3台电机功率为1 700 kW的WBII1080E螺杆压缩机，制冷量为6 000 kW/台，制冷剂为R717，吸入压力0.45 MPa，排出压力1.55 MPa。根据季节气候变化，螺杆压缩机开机台数为冬季1台、夏季2至3台，在夏季生产时，受蒸发冷能力影响，冷量不能满足高负荷生产需求，导致能耗增高。冰机设计用电为压缩每吨氨耗电量84.41 kW·h，2017年12月26日～2018年12月25日一年间产量为63.2万双吨，冰机耗电25.4×106kW·h，按计算每吨产品压缩氨量 0.4292 t，压缩每吨氨耗电量93.85 kW·h，可见螺杆压缩机运行过程中耗电量很大。

低温余热制冷技术的应用不需要新增氨用量，是对原有螺杆压缩机的改造提升，并将动设备改为静设备，提高了装置运行的稳定性和安全性。

2 低位热能情况

在热源方面，公司有大量的低位热能(如蒸汽凝液、乏汽等)，温度高，需要循环水进行冷却后才能利用，造成资源的浪费。

联碱装置煅烧炉可提供温度160 ℃、流量157 t/h的冷凝液，余热制冷出口热源最低利用温度90 ℃，160 ℃热水焓值为675.4 kJ/kg，90 ℃热水焓值376.8 kJ/kg，则可利用热量Q1为：

Q1=(675.4-376.8)×157 000/3 600=13 022 kW

通过使用吸收式制冷技术，转化效率按照0.52计算，可以生产出的冷量(5 ℃)为：

Q冷1=13 022×0.52=6 771 kW，可制液氨22 t/h。

另外，丁辛醇装置可提供压力0.35 MPa、温度139 ℃、流量136. t/h低压凝水。139 ℃热水焓值为589.32 kJ/kg，90 ℃热水焓值376.8 kJ/kg，则可利用热量Q2为：

Q2=(589.3-376.8)×136 000/3 600=8 027 kW

通过使用吸收式制冷技术，转化效率按照0.52计算，可以生产出的冷量(5 ℃)为：

Q冷2=8 027×0.52=4 174 kW，可制液氨14 t/h。

综上，联碱装置和丁辛醇装置的蒸汽凝液的热量均可作为吸收式制冷的热力驱动，替代传统螺杆压缩机，不但充分利用多余废热，避免了资源的浪费，而且节约了用电成本。

3 TC工质吸收式制冷

3.1 吸收式制冷简介

吸收式制冷是在低温低压的条件下，利用液态制冷剂汽化来达到制冷的最终目的。蒸汽压缩式制冷靠消耗机械功或者电能实现热量从低温向高温转移；而吸收式制冷是靠消耗热能完成这种过程的。

3.2 与溴化锂吸收式制冷的不同

现在常有的很少一部分的低温余热是利用溴化锂吸收式制冷解决的。溴化锂系统可以利用低位热能,制取7 ℃以上冷量，可广泛应用于民用空调等领域，但是无法应用于大量存在的零度以下制冷需求的工业领域。很大部分低温余热无法利用，而且这其中的大多还需要专门的能源来给这部分余热冷却，以满足后续工艺的使用要求。

TC多元工质热驱动冷冻机组从根本上解决了溴化锂系统的不足，同时在相同热源温度的情况下，将制冷深度由 7 ℃拓展至-40 ℃，大大增加了制冷的效果，实现吸收式制冷行业的工艺技术的创新和进步。TC多元工质具有稳定性强、无水无油无需分离、长期运行无衰减的特点，可广泛应用于化工、材料、冶炼、医药等具有零度以下制冷需求的领域，比压缩式制冰机节约 90%以上的电耗。

3.3 工艺原理和特点

TC多元工质选用NH3作为制冷剂，具有蒸发潜热大、制冷效果好、廉价易得、纯天然工质、绿色环保的优势，因此可以作为一种性能良好的制冷剂应用于当代的化工生产中。

选用多元氨盐溶液的气相可以认为是纯氨气，提高了系统的效率，同时在热力学性质方面也存在其他优势。

TC多元工质吸收式制冷可分为两个子循环来研究：一个是多元溶液循环；另一个是氨气循环。

1)多元溶液循环

富氨溶液从吸收器出来进入发生器中，然后逐步加热使溶液沸腾，此时会分离出大量的氨气，氨气被送入到冷凝器中，低温冷凝成液氨，液氨最后再进入到蒸发器中蒸发制冷达到目的。而发生器中的富氨溶液蒸发掉部分氨后变为贫氨溶液，换热之后会回到吸收器， 从蒸发器过来的氨气会与吸收器顶部喷淋的贫氨溶液接触，并且溶于贫氨溶液中，此过程会增加贫氨溶液的浓度，使贫氨溶液重新变为富氨溶液，重新进入发生器，形成多元溶液循环的整个过程。

2) 氨气循环

由发生器出来的氨蒸汽进入冷凝器，通过水冷方式冷凝，然后凝结成液氨进入蒸发器，在蒸发器内蒸发后体积膨胀，然后经过蒸发器和吸收器之间的管道进入吸收器，与吸收器顶部喷淋的贫氨溶液接触，并不断被贫氨溶液吸收，然后形成富氨溶液进入发生器再加热沸腾至产生氨蒸汽，由此形成整个氨气循环。

3.4 工艺流程

吸收式制冷系统的基本组成部件包括发生器、蒸发器、吸收器、冷凝器和溶液热交换器以及溶液循环泵等。

富氨溶液从吸收器底部出来，然后和发生器出来的贫氨溶液进行换，再循环进入发生器，被加热至沸腾状态，此时分离出大量氨气，形成了发生器底部的贫氨溶液，然后通过与溶液热交换器和吸收器过来的富氨溶液进行换热，再回到吸收器顶部。

从发生器中蒸发出来的纯氨气进入到冷凝器，冷凝成液氨，然后进入蒸发器扩散蒸发产生制冷效果；氨气再回到吸收器中被贫氨溶液吸收成为富氨溶液循环使用。

如图1所示为吸收式制冷系统工作原理。

图1 吸收式制冷系统工作原理图

4 经济效益分析

4.1 装置自耗电

余热制冷装置自耗电255.5 kW/h，全年运行8 000 h，在相同制冷量前提下，余热制冷机组为氨压缩配套的蒸发式冷凝器与电驱式冰机配套的蒸发式冷凝器耗电相同，此处能耗的计算相互抵消。

余热装置增加全年电耗费用为：

255.5×8 000×0.62 =126.7万元(不含税电价0.62元/kW·h)

4.2 循环冷却水耗电

循环水系统的用水总量约为1 150 m3/h，按1%计算蒸发量，补充水量约为11.5 m3/h。

余热制冷机组与电驱式冰机配套的蒸发式冷凝器相同，其补充水量也相同，此处相互抵消。

机组每年消耗水的水费为(水费按照7.0元/t计)：

11.5×8 000×7.0 = 64.4万元

4.3 螺杆冰机电耗费用

双吨产品冰机电耗为39.59 kW·h/双吨；每100双吨产品，共需要氨75.92 t，外供氨33 t，冰机外冷间循环氨共75.92-33=42.92 t。

则得出制每吨液氨电量为39.59/42.92×100=92.24 kW。若以每小时生产液氨22 t，每年运行8 000 h计算，总年耗电量为8 000×22×92.24=16 234 240 kW。电价0.62元/kWh，则螺杆冰机年耗电费为1 006.5万元。

4.4 年节约费用

C年节约量=C原冰机耗电费-C新建机组增加电费-C新建机组补水=1 006.5-126.7-64.4=815.4万元

综上所述，采用余热制冷机组取代原有机组后，年节约电量1 419万kW·h，减少碳排放14 147 t，每年可节约各项费用总计815.4万元，以余热制冷机组设计使用年限15年计，节能收益可达12 231万元。

5 结 语

近几年国家对环保越来越重视，以政策为准绳，不断完善工艺技术，成为每个化工企业亟需解决的问题。余热制冷技术替代联碱冰机，充分利用低温蒸汽等低温余热资源，提高了系统的效率，并且大大减少了整体用电量，减少温室气体的排放，实现了绿色能源的全新理念，具有较好的经济效益和社会效益。