煤化工中余热制冷流程的设计与分析

郑 康

(宁夏宝立集团有限公司,宁夏 银川 750411)

在煤化工生产过程中,由于工艺需求,高温物料在冷却过程中释放出的热量被称为余热。在变换、转化、甲醇合成、甲烷合成、氨合成、多级压缩过程中,均会产生大量余热。该部分工艺余热是热量回收的重点,在煤化工工艺流程中占据重要的组成部分。按照温度自高及低的顺序,余热可以用来生产高、中、低品质蒸汽或预热原料气、加热软水及脱盐水等,剩下的较难回收的低品质热量则通过水冷或空冷方式被冷却带走。余热的回收利用通常根据全厂的热量平衡以及经济可行性分析来统筹考虑。

煤化工生产过程中,有些工艺过程则需要冷量的输入,典型如空分、低温甲醇洗、LNG、氨合成等。目前,工业制冷的方法主要有压缩制冷、吸收(吸附)制冷、混合制冷等方式。制冷为耗功、耗能的过程,其动力来源主要为蒸汽或电能。

如果一个煤化工过程中既涉及余热回收,又需制冷,那么通过适当的方法,利用工艺余热为制冷过程提供动力,则将是能量合理利用方面的一个重要途径。溴化锂制冷技术就能胜任这项任务。

2.破冰增氧。对结冰严重的水域，要及时破冰增氧，避免造成虾苗缺氧死亡，可每隔一段距离用竹竿戳一个1m2的洞，洞越多越好。

1 溴化锂制冷原理

1.1 技术发展及制冷原理

溴化锂制冷技术出现于上世纪四十年代的美国,从六十年代开始,经日本的改进和发展,逐渐成为工业级的成熟、稳定的技术。溴化锂制冷技术在我国自上世纪六十年代末起,也有了五十余年的发展和工业应用[1]。溴化锂溶液无毒无臭、环境友好、不损害臭氧层,且近年来全球各国相继禁用氟利昂等,为进一步发展溴化锂制冷技术提供了良好条件。

第二天，我真的离家出走了，我把所有的零花钱都揣在口袋里。路边杂货店的寡妇老板娘正在煮茶叶蛋，殷勤地招呼我吃，结果一不小心就把钱全花光了，我摸着空口袋和鼓胀的胃，决定将离家出走进行到底。

溴化锂制冷是一种吸收式制冷技术,以溴化锂-水溶液体系作为介质,以水为制冷剂、溴化锂溶液为吸收剂,利用水在高真空下低温沸腾的原理制备冷冻水。

对于溴化锂吸收式制冷过程,制冷系数如下:

溴化锂制冷技术可以利用80～250 ℃的低品质热源,在工艺余热利用方面有一定的优势。其制冷剂为水,可制备5 ℃以上的冷量,多用于空气调节和制备工业用冷冻水。但溴化锂机组的制冷系数较低(COP<2),远低于压缩制冷系统[3]。

这与家长对孩子的客观认识有密切关系。曾有心理学家做过实验，婴儿刚出生时，很多家长都对孩子抱有极高的期待，婴儿期的快速发展也常常超家长的预期。但当孩子不断长大，有了自己的个性，也与其他孩子有了区别时，家长往往会进入一个比较的阶段，期望自己的孩子超过别人。这也是幼儿园和小学阶段，家长特别焦虑的根源之一。而到了初中、高中，孩子的能力差异、学习差异逐渐确定，家长们的焦虑也随之减轻。

1.2 工艺余热的利用方式

由于溴化锂机组制取的冷冻水通常在7 ℃左右,如果换热后的冷冻水回水温度为12 ℃,考虑完全冷凝丙烯气,可以将丙烯压缩机出口压力降低至0.9 MPa以下,从而使压缩机压比由12.9降低至6.5,将会节省蒸汽或电力的消耗。这相当于用变换余热部分代替了蒸汽或电力作为丙烯压缩制冷机的动力源,提高了该部分变换余热的品质。

图1 溴化锂吸收制冷原理示意

2 余热制冷工艺设计实例

2.1 技术背景

图3为单级干压缩制冷T-S图,阴影面积为单位制冷制冷机的制冷量q0,可见当降低冷凝温度T至T′时,q0将增大。因此,在保证相同制冷量下,采用变换低品质余热制冷与丙烯压缩制冷耦合的流程也将节省丙烯制冷的循环量。

其中,Qc为冷凝热量,kW·h。

图1为高速铁路现场波磨的实拍照片，图1(a)波磨的测量波长为150 mm，最大谷深0.11 mm；图1(b)波磨的测量波长约为120 mm，最大谷深为0.05 mm。

2.2 工艺流程设计

2.中外小说对比研究。以《红楼梦》、《装在套子里的人》等为文本，比较两者在叙述方式，人物刻画，情节发展等方面的异同。

变换装置富余能量,而冷冻站装置需求能量。通过热水型溴化锂制冷机组将变换工段的低品质余热利用,可以制备比循环水温度更低的冷冻水,利用冷冻水代替循环水,可以使丙烯气在更低的压力和冷凝温度下冷凝,便可以降低丙烯压缩机的出口压力,从而节省蒸汽或电力的动力消耗量。

设计变换余热制冷与丙烯压缩制冷耦合工艺流程见图2。利用变换气余热,通过换热器加热热水,再将加热后的热水送往热水式溴化锂制冷机组,作为其动力热源制备冷冻水。降温后的热水送回至热水加热器继续与变换气换热。制备的冷冻水则送丙烯压缩制冷式冷冻站,冷冻水在丙烯冷凝器通过间接换热带走气丙烯的热量,使气丙烯冷凝。冷冻水回水则送回至溴化锂机组重新降温。

图2 变换余热制冷-丙烯压缩制冷耦合工艺流程

溴化锂机组可以利用蒸汽、燃气、燃油、热水等多种热源作为动力,按热源可分为蒸汽型、热水型、直燃型以及组合型。工艺低品质余热不能用来副产蒸汽,但可以用来加热热水。因此,在工艺设计可以利用热水做热源媒介,配置热水型溴化锂机组以实现能量的转化。而对于用冷用户而言,寻求合适的冷量补充位置,从而节省原有的制冷动力消耗,则是余热制冷工艺设计的关键所在。

2.3 工艺原理

对于逆向卡诺循环的理想压缩制冷,理想制冷系数为:

(1)

其中,Wi为理想状态下蒸汽或电做的功,kW·h;Q0为制冷量,kW·h;T0为制冷介质蒸发温度,℃;T为制冷介质冷凝温度,℃;这是理想状态下的最高制冷系数。

由此可见,当降低制冷介质的冷凝温度时,制冷系数上升。

对于低温甲醇洗配套的丙烯压缩制冷,蒸发温度为-40 ℃。使用循环水冷凝(回水温度40 ℃)和使用冷冻水冷凝(回水温度12 ℃)的理想制冷系数分别为2.9及4.5。

实际过程中,制冷的压缩及节流过程无法做到可逆绝热压缩,丙烯压缩多采用闪蒸补气的方法提高制冷循环的经济性和制冷能力[4]。实际的制冷系数较低,在1.7及2.8左右。

(2)

其中,W为实际状态下蒸汽或电做的功,kW·h。

再从本部史诗主人公罕哈冉惠对霍尔穆斯塔所持的态度看，情况也是较为复杂的。贯穿全史诗的情节主线是哈冉惠与霍尔穆斯塔的一方黑天额尔和木·哈日的婚姻之争。从这方面看，哈冉惠与霍尔穆斯塔的关系是对立的。然而，霍尔穆斯塔的三十三天对额尔和木·哈日强夺他人之妻的行为并不赞同，对他发出斥责，并为他向哈冉惠求情：

可见,采用变换低品质余热制冷与丙烯压缩制冷耦合的流程可使丙烯压缩循环的制冷系数提高近1.5～1.6倍。在相同制冷量下,蒸汽或电的动力消耗相应降低35%～40%。

以典型的煤制氢工艺过程为例,主流程由气化、变换、净化、制氢组成。对于采用干粉煤加压气化的工艺过程,出气化装置的水煤气水含量较少。在变换装置,水作为原料被进一步消耗,导致出变换炉的变换气露点温度较低(通常在160 ℃以下)。通过副产蒸汽回收的余热相对较少,大量工艺余热只能用来加热热水。根据煤制氢全厂热平衡对热量的需求情况,如无其他联合装置或厂区,变换装置该部分工艺余热很难做到完全回收。若采用空冷或水冷带走该部分热量,则会造成能量的巨大浪费。

图3 单级干压缩制冷T-S曲线

制冷是一个耗能过程,在压缩制冷循环中,冷凝器(包括冷却器)中循环水或冷冻水需要带走的热量为压缩功与冷量的总和,即:

(3)

与此同时,净化装置以低温甲醇洗工艺最为经济而得到广泛应用。低温甲醇洗对应设置的冷冻站以丙烯压缩制冷,其操作较为简便和应用多见。传统的丙烯压缩制冷,需要为低温甲醇洗提供-40 ℃的冷量,与之对应的丙烯压缩机入口压力为0.14 MPa。通常丙烯压缩机出口压力为1.8 MPa,此压力下丙烯的露点温度在40 ℃左右,因此丙烯气可以被循环水(30～40 ℃)完全冷凝。丙烯压缩机需要消耗高品位蒸汽或电力作为制冷动力,丙烯气冷凝也需要消耗大量的循环水带走热量。

如上文所述,使用冷冻水冷凝丙烯时,丙烯压缩机的COP为2.8左右,因此冷凝热量约为制取冷量的1.4倍左右。而这部分冷凝热绝大部分将由变换余热通过溴化锂机组制备的冷量提供,即:

(4)

溴化锂制冷技术成熟可靠,在市场多以整体机组的形式存在。溴化锂机组由发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、节流阀以及溶液泵等组成,依靠在高真空(约1 kPa)下,冷剂水在蒸发器内蒸发吸热制取冷冻水并产生冷剂蒸汽。冷剂蒸汽被吸收器中的溴化锂浓溶液所吸收,吸收过程中释放的溶解热则被冷却水带走。吸收了水蒸气后的溴化锂稀溶液,升压后进入发生器,然后被高温动力热源加热从而释放蒸汽,并且变为浓溶液后再返回至吸收器。释放出的水蒸气进入冷凝器中,被冷却水冷却成冷凝水,然后再节流降压进入蒸发器蒸发制冷。这样就完成了溴化锂机组的吸收制冷循环[2]。

(5)

其中,Qs为变换余热为溴化锂机组提供的动力热水热量,kW·h。

热水型溴化锂机组,制冷系数较低,通常在0.75至1.0左右。

取溴化锂吸收制冷COP’为0.75。结合上文耦合流程中,丙烯压缩制冷COP为2.8。联立式(3)～(5)可以求得:

正解：由于该反应属于归中反应,反应机理为:KClO3中Cl得到5个电子转化为Cl2(被还原),同样,HCl中的Cl失去一个电子转化为Cl2(被氧化),反应中氧化产物和还原产物均为Cl2,且氧化产物和还原产物的物质的量之比等于氧化剂得电子数和还原剂失去电子数之比,即5∶1。

Qs=1.80Q0

(6)

即在该耦合流程中,对变换余热的需求为丙烯压缩式冷冻站制冷量的1.8倍。考虑丙烯压缩制冷过程中的冷凝热量并非全部由冷冻水提供,气丙烯冷却至40 ℃的显热(在总冷凝热中占比很小)仍可以由循环水带走。因此,实际对变换低品质余热的需求小于1.8倍的制冷量。

“投”原为“殳”，甲骨文字形，像人手持长柄大锤。造字本义：用杸杀人。《周礼》上说，杸用积竹做成，有八棱，长一丈二尺，树立在兵车上，车上的部队拿着它作先锋。在篆文中，“殳”旁再加上“手”，造出会意字“投”，表示手掷杀器。现在“投”指有目的的抛、掷、扔。

2.4 实例分析

某煤制氢项目采用干粉煤加压气化、变换、低温甲醇洗及制氢流程。配套的冷冻站采用丙烯压缩制冷,设计制冷量为7.1 MW。丙烯压缩机采用4.0 MPa(g),400 ℃蒸汽透平驱动。

原设计中,经全厂热量平衡,变换装置仍富裕大量低位热,采用循环水冷却方式,将该部分低位热带走。热量浪费,耗水量巨大。

有关公摊面积收益，海南省住建厅房地产市场监管处处长林诗辉认为，按道理应由业主委员会管理或用于补充物业管理费、住宅维修基金等，但实际操作中，以楼宇广告为代表的绝大部分公摊收益都被开发商或物业中饱私囊，“成为一笔糊涂账”。

大湖呈现完美的卵形。孕育过人烟和俗世的气味和痕迹被扫荡一空。湖面上栖息过路灰雁，发出断续苍凉叫声。因为有人迹靠近，这群大鸟在突然之间振翅拍打，如同一股悸动的风暴，飞往空中远去。

改用变换余热制冷与丙烯压缩制冷耦合的流程后的消耗与原方案对比见表1。由此可见,耦合流程比原设计将节约蒸汽8 t/h,节约循环水827 t/h,增加电耗248 kW·h。考虑蒸汽160元/t,循环水0.2元/t,电0.73元/kW·h,计算得到每小时操作费用可节省1 312元,如果按8 000 h/a运转考虑,每年可以节省操作费用1 050万元/a。

变换装置与低温甲醇洗装置(包括冷冻站)可以作为联合装置同开同停,热水型溴化锂机组成熟可靠,因此耦合流程的技术风险很小。采用该流程对煤化工企业实现节能节水将有重要的意义。

表1 方案对比

2.5 结论

通过上述分析,利用溴化锂吸收制冷做媒介,变换工艺余热为丙烯压缩制冷提供动力是可行的,结论如下:①能回收利用变换装置的低品质工艺余热,避免能量浪费和减少循环水的消耗;②可以提高丙烯压缩制冷循环的制冷系数,从而节省动力蒸汽或电力的消耗;③降低丙烯压缩机出口压力,减小对压缩机的要求;④降低煤化工企业的操作费用,节能节水,提高企业经济效益。

3 结语

余热制冷技术在煤化工中的应用是可行的。只要从整个全厂的能量利用供给需求考虑,结合合适的工艺路线,均可以设计出合适的余热制冷利用方案。例如,根据煤化工实际的配置不同,工艺余热来源除变换装置外还可以是转化、合成氨、甲烷合成等工艺余热甚至压缩机级间余热。除丙烯压缩制冷外,溴化锂机组制备的冷冻水,还可以补充到氨压缩制冷、LNG混合压缩制冷等制冷流程中,这都可以起到回收低品质能量、代替高品质能量的用途。除此之外,还可以利用余热制冷技术在夏季为全厂做空调制冷使用,这对我国煤化工企业推进节能减排工作、促进能量回收及合理利用、提高经济效益会起到重要作用。