中小型化肥廠余熱資源分析與利用

王煜東，師文龍，沈培玉，李 立

(1.河北省邯鄲市熱力公司，河北 邯鄲 056000;2.哈爾濱工大金濤科技股份有限公司，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

我國中小化肥廠有900余家，多數(shù)廠仍采用固定床間歇式氣化爐，以塊狀無煙煤或焦炭為原料，以空氣和水蒸氣為氣化劑，在常壓下生產(chǎn)合成原料氣或燃料氣，其中，主要是半水煤氣。

利用半水煤氣合成氨或制造氮肥的技術(shù)，是上個(gè)世紀(jì)30年代開發(fā)成功的，投資少，容易操作。但是，該技術(shù)氣化率低、原料單一、能耗高，目前已屬落后的技術(shù)。在半水煤氣合成氨的間歇制氣過程中，大量吹風(fēng)氣排空，每噸合成氨吹風(fēng)氣放空多達(dá)5 000 m3，放空氣體中含 CO、CO2、H2、H2S、SO2、NOx及粉灰;煤氣冷卻洗滌塔排出的污水含有焦油、酚類及氰化物，造成環(huán)境污染。隨著能源政策和環(huán)境的要求越來越高，不久的將來，半水煤氣合成氨勢必會(huì)逐步為新的煤氣化技術(shù)所取代［1－5］。

對(duì)于現(xiàn)有的還不能關(guān)停的這些高能耗的中小化肥廠，如何降低能耗，減少碳排放，同時(shí)提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，成為關(guān)系到企業(yè)生死存亡的亟待解決的大問題。

1 半水煤氣合成氨的工藝

首先，用無煙煤或焦炭為原料，碳與水蒸氣在高溫中反應(yīng)，制得水煤氣

所得水煤氣，經(jīng)過噴淋塔凈化后，再使它與水蒸氣一起在轉(zhuǎn)換器中，通過觸媒，水煤氣中的的CO轉(zhuǎn)化成CO2

可得到含氫量在80%以上的水煤氣氣體。再壓入水中以溶去CO2，再通過含氨蟻酸亞銅(或含氨乙酸亞銅)除去溶液中殘存的CO而得較純氫氣。

再由氮?dú)夂蜌錃庵苯雍铣砂?，這是目前工業(yè)普遍采用的直接合成法。

該反應(yīng)為可逆反應(yīng)，合成氨的反應(yīng)條件為高溫高壓同時(shí)有催化劑作用。

2 中小化肥廠余熱資源分析

我們選取了兩個(gè)利用半水煤氣合成氨的中小化肥廠，其中的小型化肥廠每小時(shí)生產(chǎn)2萬Nm3水煤氣，另一個(gè)中型化肥廠每小時(shí)生產(chǎn)20萬Nm3水煤氣。根據(jù)上述半水煤氣合成氨的工藝路線，我們對(duì)兩個(gè)化肥廠半水煤氣合成氨的全部工藝過程的余熱資源，進(jìn)行了實(shí)地檢測，得出了幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)。

2.1 余熱資源共同特點(diǎn)

盡管不同的化肥廠利用半水煤氣合成氨的中小化肥廠的生產(chǎn)設(shè)備不完全相同，余熱資源的多少也不在一個(gè)數(shù)量級(jí)上，但余熱資源在半水煤氣合成氨工藝路線上的分布情況、主要余熱資源的攜帶者、以及余熱資源與水煤氣生產(chǎn)量的關(guān)系等余熱資源特點(diǎn)，卻是完全相同。所以，針對(duì)一兩個(gè)化肥廠的余熱資源的調(diào)查分析，得出的結(jié)論可用于其它化肥廠作參考。

2.2 主要余熱資源在水煤氣中

半水煤氣合成氨的生產(chǎn)工藝可分為前后兩部分:水煤氣生產(chǎn)工藝和合成氨生產(chǎn)工藝。經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)地調(diào)查，可回收利用的余熱資源主要集中在水煤氣生產(chǎn)工藝。

如圖1所表示的水煤氣生產(chǎn)工藝中，余熱資源集中在煤氣發(fā)生爐生產(chǎn)的水煤氣攜帶的熱量，并體現(xiàn)在洗滌塔進(jìn)出冷卻水大幅升溫。

圖1 半水煤氣生產(chǎn)工藝流程

利用半水煤氣合成氨的中小化肥廠，每小時(shí)生產(chǎn)幾萬到幾十萬標(biāo)準(zhǔn)立方米的水煤氣，水煤氣從發(fā)生爐出來時(shí)，溫度在150℃以上，依次經(jīng)過2到4個(gè)洗滌塔向冷卻水放熱，冷卻水將水煤氣熱量帶走。這部分熱量占中小化肥廠的可利用余熱資源的60%左右，而且比較容易回收。

利用余熱回收裝置，充分回收洗滌塔冷卻水的熱量，就能有效地利用中小化肥廠的余熱資源。

2.3 余熱資源熱力計(jì)算方法

考慮半水煤氣中各組分的摩爾成分:CO 30%，CO28%，H238%，N224%。

半水煤氣的平均摩爾質(zhì)量z為

Z=(28×30+44×8+2×38+28×24)/100=19 g/mol

當(dāng)半水煤氣從煤氣發(fā)生爐出爐時(shí)，是含有30%的水蒸氣的濕煤氣，濕煤氣中各組分的摩爾成分為

CO 21%，CO26%，H227%，N216%，H2O(蒸汽)30%。

濕煤氣的平均摩爾質(zhì)量在19～18 g/mol之間，與水蒸氣的摩爾質(zhì)量18 g/mol非常接近。

根據(jù)濕煤氣平均摩爾質(zhì)量與水蒸氣比對(duì)結(jié)果，對(duì)于濕煤氣的部分熱力性質(zhì)，作出下述簡化:

(1)濕煤氣的密度和定壓質(zhì)量比熱，可以按照水蒸氣考慮;

(2)濕煤氣中水蒸氣的摩爾成分，容積成分和質(zhì)量成分，三者相等。

根據(jù)上述簡化，進(jìn)行熱量的計(jì)算結(jié)果，誤差不會(huì)超過5%。

濕煤氣中的水蒸氣在噴淋塔中凝結(jié)放熱，是余熱資源的主要部分。

為計(jì)算水煤氣在各級(jí)噴淋塔中的放熱，結(jié)合實(shí)際情況和上述簡化，再作幾點(diǎn)具體的假定:

(1)進(jìn)出噴淋塔，水煤氣的壓力沒有變化，即忽略風(fēng)機(jī)做功對(duì)余熱資源的影響;

(2)噴淋塔對(duì)外不散熱;

(3)不考慮噴淋水因受熱蒸發(fā)，對(duì)水煤氣加濕的影響;

(4)水煤氣的密度為0.9 kg/Nm3，水煤氣的質(zhì)量比熱容為 1.8 kJ/(kg·℃)。

如果水煤氣發(fā)生爐每小時(shí)生產(chǎn)20萬Nm3水煤氣(水煤氣的密度為 0.9 kg/Nm3，含水蒸氣為30%)，基中含水蒸氣的量M為

M=0.9kg/Nm3×200000Nm3×30%=54000kg=54 t

每小時(shí)有溫度為150℃的水煤氣20萬Nm3，進(jìn)入噴淋塔冷卻放熱，水煤氣出噴淋塔時(shí)溫度為50℃。濕煤氣中水蒸氣分壓力，等于濕煤氣總壓力乘以水蒸氣的摩爾成分。當(dāng)水煤氣總壓力p為0.1 MPa時(shí)，水蒸氣分壓力 Pv為 0.03 MPa，對(duì)應(yīng) 0.03 MPa的水的飽和溫度為69℃。

每小時(shí)水煤氣20萬Nm3，降溫放熱熱負(fù)荷q1為

q1=0.9kg/Nm3×200000Nm3×1.8kJ/(kg.℃)×(150℃ －50℃)/3600s=9 000 kW

濕煤氣中水蒸氣從69℃開始產(chǎn)生凝結(jié)放熱，降到50℃，計(jì)算放熱熱負(fù)荷q2。(査水蒸氣表得知:濕煤氣69℃時(shí)，每立方米空間有水蒸氣0.19 kg;濕煤氣50℃時(shí)，每立方米空間有水蒸汽0.08 kg)。

q2= (0.19kg/Nm3－ 0.08kg/Nm3) ×200000Nm3×2350kJ/kg×3600s=14 361 kW

式中 2 350 kJ/kg——水蒸氣平均汽化潛熱。

噴淋塔的噴淋冷卻水帶走的總放熱熱負(fù)荷Q為

2.4 半水煤氣合成氨工藝中的另類余熱資源

半水煤氣合成氨的生產(chǎn)工藝分為前后兩部分:水煤氣生產(chǎn)工藝和合成氨生產(chǎn)工藝。在合成氨生產(chǎn)工藝中，要對(duì)水煤氣進(jìn)行凈化，總量減少57%，成為僅含氫氣和氮?dú)獾脑蠚?，再?duì)原料氣進(jìn)行壓縮，第一次壓縮到0.3 MPa，120℃，然后定壓放熱降溫到50℃，再壓縮到 0.9 MPa，120℃，再定壓放熱降溫到50℃。對(duì)前后兩次放熱量進(jìn)行回收，這可稱之為另類余熱資源，它是由壓縮機(jī)耗費(fèi)電能轉(zhuǎn)化來的。

可認(rèn)為原料氣的定壓質(zhì)量比熱容與壓力無關(guān)，前后兩次不同壓力下的放熱熱負(fù)荷計(jì)算方法相同。水煤氣進(jìn)行凈化后，總量減少到原來的43%?？偦厥盏臒嶝?fù)荷Q為

Q=0.9kg/Nm3×200000Nm3×43% ×1.8kJ/(kg·℃)×(120℃ －50℃)×2/3600s=7 740 kW

3 中小化肥廠余熱回收方法

利用半水煤氣合成氨生產(chǎn)的中小化肥廠的余熱資源有兩大塊:一是在噴淋塔內(nèi)，對(duì)出爐水煤氣進(jìn)行接觸式噴淋降溫，得到的溫度較高但較臟的噴淋水;二是壓縮升溫的原料氣，在空冷器的水平列管內(nèi)，與管外冷卻水換熱，得到的比較純凈但溫度較低的冷卻水。兩種余熱水很不相同，推薦采用不同的方法回收余熱。

3.1 回收高溫噴淋水余熱

從噴淋塔內(nèi)得到的噴淋水，溫度超過70℃，但含有許多雜質(zhì)，包括煤灰，如果采用普通的管殼式換熱器或板式換熱器回收余熱，使用不多久，就會(huì)積垢甚至堵塞。我們采用了流道式污水專用換熱器，很好的解決了這個(gè)問題。流道式污水專用換熱器的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 流道式污水專用換熱器

流道式污水專用換熱器是適用于污水和清水換熱的高效間壁式換熱器。它在污水側(cè)有流暢的通道，不易積垢，不堵塞，流速高，換熱好;它清水側(cè)流道緊湊，設(shè)有若干間壁，增大傳熱面積。污水與清水逆流換熱，二者傳熱溫差可以小于3℃。

流道式污水專用換熱器在污水流道的兩端，設(shè)有前后兩個(gè)清理門，打開清理門，全部污水通道暴露出來，便于定期檢查和清理。

3.2 回收低溫冷卻水余熱

壓縮升溫的原料氣，在空冷器的水平列管內(nèi)，與管外冷卻水換熱，得到的比較純凈但溫度較低的冷卻水。對(duì)合成氨原料氣進(jìn)行降溫的空冷器的冷卻水溫度，大約為40℃。對(duì)于40℃左右的低溫余熱水，如果直接用換熱器進(jìn)行換熱，得到的熱量溫度低，不能用于建筑供暖。如果想從40℃左右的低溫余熱水中提取熱量，用于建筑供暖，必須將溫度提高到50℃以上，只能用熱泵進(jìn)行余熱回收。

噴射式熱泵如圖3所示，它的工作原理是以蒸汽膨脹前后的能量差為動(dòng)力，高壓蒸汽通過噴嘴時(shí)產(chǎn)生高速氣流，在噴嘴出口處產(chǎn)生低壓區(qū)，將低壓低溫蒸汽吸入，高壓蒸汽壓縮低壓低溫蒸汽，使后者升壓升溫，然后通過混合室進(jìn)行混合，再通過擴(kuò)壓室升壓后供給熱用戶使用。噴射式熱泵適用于化工廠余熱回收，它不耗費(fèi)電能，用高壓蒸汽作為能源。

圖3 水蒸氣噴射式熱泵

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