合成氨能量平衡分析(造氣部分)

孫南屏,李 林,朱中華

(1.杭州龍山化工有限公司,浙江 杭州 31005;2.黃山市龍勝化工有限公司,安徽 黃山 245900)

合成氨能量平衡分析(造氣部分)

孫南屏1,李 林1,朱中華2

(1.杭州龍山化工有限公司,浙江 杭州 31005;2.黃山市龍勝化工有限公司,安徽 黃山 245900)

合成氨;造氣工序;能量平衡

熱力學(xué)第一定律是把不同形式的能量在數(shù)量上進(jìn)行統(tǒng)一,但還不能說明在質(zhì)量上的差別,這是能量利用和能量衡算中的不足之處。如1kW·h電可供熱3 600 kJ。但3 600 kJ的熱量卻不能轉(zhuǎn)化為1 kW·h電。實(shí)際上是不同形式的能量在轉(zhuǎn)換時(shí),有些是可能的,有些卻是不可能的,能量轉(zhuǎn)換的方向性是由熱力學(xué)第二定律決定的。第二定律不是削弱第一定律的權(quán)威性,相反是擴(kuò)充和完善熱力學(xué)的使用范圍。對(duì)于設(shè)計(jì)一個(gè)化工生產(chǎn)裝置,首先是從節(jié)能的角度去考慮,也就是不但要考慮能量的數(shù)量,更重要的是設(shè)計(jì)和計(jì)算好能量的質(zhì)量。本文正是基于這觀點(diǎn)對(duì)合成氨生產(chǎn)裝置進(jìn)行熱力學(xué)分析,使工藝設(shè)計(jì)方案達(dá)最優(yōu)化。

1 造氣工序

PSA空分配型煤富氧連續(xù)氣化是一個(gè)立足于國內(nèi)現(xiàn)有原料,具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的合成氨造氣氣化新工藝,是各合成氨廠擴(kuò)產(chǎn)、節(jié)能減排的首選改造方案,本熱力學(xué)計(jì)算選用福建三明化工,晉開投資控股集團(tuán),安徽淮化集團(tuán),平頂山飛行化工集團(tuán)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析修正后作為計(jì)算條件。

本文將詳細(xì)討論不同流程夾套鍋爐,廢熱鍋爐的有效能損失并直接折算成經(jīng)濟(jì)損失,并提出改進(jìn)辦法。

物流的有效能 E=(H-H0)-T0(S-S0)

式中 H、S分別為流體在T時(shí)的焓和熵;H0、S0分別為流體在環(huán)境溫度 T0時(shí)的焓和熵。

水蒸氣的能級(jí)Ω表達(dá)為:

Ω=Ё/Q=1-T0△S/△H(有效能/熱值)

△S和△H分別為冷流體通過廢熱鍋爐后的熵增量和焓增量。

計(jì)算三種工藝狀態(tài)下的有效能損失。

計(jì)算條件:

半水煤氣進(jìn)廢熱鍋爐溫度:450℃

半水煤氣流量:45 000 m3/h(晉開4臺(tái)φ2 800煤氣爐)

取環(huán)境溫度為進(jìn)廢熱鍋爐的給水溫度:104℃

2 計(jì)算結(jié)果(表1、表2、表3)

表1 副產(chǎn)0.2 MPa蒸汽計(jì)算結(jié)果

表2 副產(chǎn)1.4 MPa蒸汽計(jì)算結(jié)果

表3 副產(chǎn)3.9 MPa 450℃蒸汽計(jì)算結(jié)果

3 工藝流程與問題討論

PSA空分配型煤富氧連續(xù)氣化工藝流程見圖1。

1)從熱力學(xué)第一定律看,無論鍋爐副產(chǎn)多高蒸汽壓力,熱流體給熱都被水吸收,熱量總是平衡的。但從表2和表3的有效能計(jì)算可知,能量的損失和級(jí)差相差較大。

2)由于廢熱鍋爐副產(chǎn)蒸汽壓力低后,使流出廢熱鍋爐的蒸汽溫度也降低,導(dǎo)致其出口端溫差加大,傳熱的不可逆性增加,因此有效能損失增大。

圖1 型煤4臺(tái)φ2 800富氧連續(xù)氣化煤氣爐流程圖

3)按能級(jí)變化,年產(chǎn)10萬t合成氨造氣夾套與廢鍋(二廢鍋爐副產(chǎn)低壓汽不計(jì))產(chǎn)3.9 MPa、450℃蒸汽與0.2 MPa蒸汽比較,電價(jià)按0.56元/kW·h計(jì),蒸汽能級(jí)的變化年效益為:9.8 t/h×100.3 kW·h/t×0.56元=550元/h,年效益:440萬元。

4)由江西昌昱實(shí)業(yè)有限公司設(shè)計(jì)的,在晉開投資控股集團(tuán)應(yīng)用的流程比較合理,二廢鍋的設(shè)計(jì)若變更為軟水加則能量平衡更加合理,這與整個(gè)化工裝備的熱電配套要相呼應(yīng),故副產(chǎn)蒸汽的壓力希望能進(jìn)一步提高。

5)設(shè)備的設(shè)計(jì)要考慮水蒸氣是由水溫逐步升高,由液態(tài)變成氣態(tài)及過熱區(qū)體積急劇膨脹,阻力隨流速的平方數(shù)量級(jí)增加,故設(shè)備設(shè)計(jì)上要設(shè)法減輕過熱區(qū)的阻力,以提高能量品位。

6)化工過程普遍存在著不可逆性,基本上可歸納為傳熱的不可逆性,化學(xué)反應(yīng)的不可逆性,流體流動(dòng)的不可逆性,傳質(zhì)的不可逆性的。故化工生產(chǎn)的各環(huán)節(jié)不僅伴隨能量的轉(zhuǎn)換,同時(shí)也發(fā)生能量降質(zhì)過程,因此對(duì)裝置進(jìn)行有效能分析,可找出薄弱環(huán)節(jié),挖掘節(jié)能潛力。

TQ 113.2;TQ 113.26

C

1005-8370(2010)04—05—02

2010-04-01