煤化工應(yīng)用氨吸收制冷技術(shù)分析

曲兆庚， 路 薇， 王承學(xué)

（1.中煤興安能源化工有限公司，內(nèi)蒙古 烏蘭浩特 137400；2.長春工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，吉林 長春 130012）

引 言

煤化工是以煤為原料，經(jīng)化學(xué)加工將煤轉(zhuǎn)化為各種煤氣、合成氨、甲醇、焦油、焦炭，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為尿素、烯烴等氣體、液體和固體化工產(chǎn)品的過程。煤化工工藝一般包括煤的氣化、一氧化碳的變換、煤氣凈化和產(chǎn)品氣的合成等工序，從高溫的氣化、變換到低溫的凈化以及合成氣的降溫過程都有大量的工業(yè)余熱可以利用，低溫操作的煤氣凈化及合成氣降溫冷凝又需要外供冷量。目前，煤化工行業(yè)普遍采用氨壓縮制冷工藝，如何將可以利用工業(yè)余熱的氨吸收制冷工藝應(yīng)用到煤化工生產(chǎn)中，是每個(gè)煤化工項(xiàng)目設(shè)計(jì)者都應(yīng)認(rèn)真考慮的。本文舉例分析了工業(yè)余熱的氨吸收制冷工藝應(yīng)用到煤化工生產(chǎn)的工藝計(jì)算結(jié)果［1］。

1 氨吸收制冷的機(jī)理

壓縮制冷是逆卡諾循環(huán)過程，在兩溫度極限間?？ㄖZ循環(huán)代表理想的熱機(jī)循環(huán)，熱的利用率最高，但卡諾循環(huán)具有可逆性，若使其逆行，逆行的卡諾循環(huán)即為理想的冷凍循環(huán)，其冷凍系數(shù)亦最高。見圖1所示。

圖1 逆行卡諾循環(huán)的T-S圖

氣體在氣缸中，由1開始，以等熵過程壓縮至2，再以等溫過程壓縮至3。在此等溫過程中氣體向冷卻水放熱。氣體由3以等熵過程膨脹到4，再以等溫過程膨脹回到1，完成一個(gè)閉口循環(huán)。由4到1的等溫膨脹過程中，氣體被冷卻物系吸取熱量。設(shè)Q1為低溫時(shí)吸取的熱量，Q2為高溫時(shí)放出的熱量，T1與T2分別為冷凍劑吸取熱量時(shí)與放出熱量時(shí)的絕對溫度（K）。圖1中，Q1＝T1（S1-S4），如面積1-4-5-6-1。而Q2＝T2（S2-S3），吸熱與放熱之差Q2-Q1，如圖1中面積1-2-3-4-1。它等于外界凈功加入的當(dāng)量值。上述的逆卡諾循環(huán)，為一切冷凍操作的物理基礎(chǔ)，稱之為理想冷凍循環(huán)。在此循環(huán)中所得到的冷效應(yīng)，為吸取的熱量Q1，而所消耗的能量為外界凈功的當(dāng)量值，或補(bǔ)充熱量Q2-Q1。

氨吸收制冷與壓縮制冷原理類似，利用水對氨的吸收作用和脫吸作用，將氨蒸汽由低壓的蒸發(fā)器取出，而傳于高壓的冷凝器。

氨吸收制冷包括發(fā)生、精餾、冷凝、節(jié)流膨脹、蒸發(fā)、過冷、吸收、泵輸送及溶液熱交換等過程，其工藝計(jì)算流程見圖2。

圖2 工藝計(jì)算流程

2 案例分析

某公司合成氨裝置利用變換氣為熱源，設(shè)置氨吸收制冷裝置，為低溫脫碳裝置提供冷量。

2.1 供熱條件計(jì)算

1）變換氣參數(shù)

進(jìn)口溫度：166℃，進(jìn)口壓力：2.74MPa，流量：3.551×104kg/h。

出口溫度：115℃，出口壓力：2.73MPa。

2）變換氣各組分摩爾分?jǐn)?shù)（見表1）

3）熱量計(jì)算

166 ℃變換氣帶入的熱量Q1為3.289×107kJ/h；

115 ℃變換氣帶出的熱量Q2為10.46×106kJ/h；

表1 變換氣各組分摩爾分?jǐn)?shù) %

冷凝水帶走的熱量Q3為4.357×106kJ/h；

冷損失Q4為3.829×104kJ/h（按變換氣帶入熱量的1%計(jì)）。

4）變換氣換熱量

5）其他設(shè)計(jì)條件

冷卻水回水溫度tv＝28℃；

蒸發(fā)終了溫度t8＝-8℃，P8.S＝0.286 6MPa；開車蒸汽，1.0MPa～1.3MPa飽和蒸汽；

計(jì)算按th＝180℃，P＝1.023MPa，r＝2.014×103kJ/kg；

變換氣發(fā)生器參數(shù)按P＝2.7MPa，t＝166℃。

2.2 工藝計(jì)算

2.2.1 狀態(tài)參數(shù)ξ確定（以1kg液氨為基準(zhǔn)）

1）冷凝狀態(tài)（點(diǎn)6）

式中：Δtw為冷卻水溫升，取6℃；ΔT6為熱端溫差，3℃～4℃。

進(jìn)冷凝器的氨氣濃度ξ5″＝0.998≈1＝ξ6′（液）

2）發(fā)生器終態(tài)（點(diǎn)2）

溫度取t2＝115℃（變換氣出口溫度115℃）。

壓力P2＝P6＋ΔP2＝1.52MPa，h2＝420kJ/kg，ξ2＝0.315。

3）蒸汽狀態(tài)（點(diǎn)8）

直接蒸發(fā)終了溫度t8′＝-8℃，取Δt8＝2℃～3℃，蒸發(fā)溫升。

則，蒸發(fā)初溫t8′＝t8′＋Δt8＝-10℃。

終了狀態(tài)下的氨氣焓h8：

4）吸收狀態(tài)（點(diǎn)4）

吸收終溫t4＝tw＋Δt4＝28＋6＝34℃

式中：Δt4為吸收器冷端溫差6℃。

壓力P4＝P8-ΔP8＝0.29-0.03＝0.26MPa

ΔP8系統(tǒng)阻力降＝0.03MPa

5）放氣范圍

6）吸收器前稀氨液（點(diǎn)3）

式中：Δt3為冷端溫差，取11℃。

此時(shí)，飽和壓力應(yīng)為0.19MPa＜P4＝0.26MPa。

7）出換熱器濃氨水（1a點(diǎn)）

8）過冷器后氨氣（點(diǎn)8a）

冷凝溫度t6＝38℃；

蒸發(fā)溫度t8＝-8℃；

過冷器制冷量修正系數(shù)v＝0.085；

9）出過冷器氨液狀態(tài)（6a）

10）發(fā)生開始狀態(tài)（1點(diǎn)）

氨水ξ1′＝0.425，P＝1.52MPa。

查h-ξ圖，t1′＝94 ℃，h1′＝326kJ/kg。

氨氣利用輔助線，查得h1″＝1 834kJ/kg，ξ1″＝0.962。

11）塔頂氣氨狀態(tài)（5點(diǎn)）

查h-ξ圖，T5＝52℃

2.2.2 熱量平衡計(jì)算（單位負(fù)荷）

1）精餾塔熱負(fù)荷qR（回流冷凝器的熱負(fù)荷）

式中：ηp為精餾效率，一般為0.70～0.92，取0.8。

2）發(fā)生器的熱負(fù)荷qK

3）吸收器熱負(fù)荷qA

4）冷凝器熱負(fù)荷qC

5）溶液熱交換器的熱負(fù)荷qTW

6）溶液熱交換器的熱損失ΔqTW

7）過冷器熱負(fù)荷qN

8）單位制冷量qon（蒸發(fā)器的單位熱負(fù)荷）

9）熱平衡

吸熱等于放熱。

2.2.3 物料衡算

1）發(fā)生器蒸發(fā)量

2）濃溶液循環(huán)量Gr

3）溶液的體積流量Vr

式中：γr為濃溶液密度，kg/m3，

4）稀溶液循環(huán)量Ga

5）回流量

2.2.4 設(shè)備熱負(fù)荷

1）發(fā)生器熱負(fù)荷Qk＝2.3×107kJ/h。

2）吸收器熱負(fù)荷QA＝G氨×qA＝10 578×1 781.75＝1.88×107kJ/h。

3）冷凝器熱負(fù)荷QC＝G氨×qC＝10 578×1 118＝1.18×107kJ/h。

4）回流冷凝器熱負(fù)荷QR＝G氨×qR＝10 578×301.64＝3.2×106kJ/h。

5）蒸發(fā)器熱負(fù)荷QO＝G氨×qon＝10 578×1 114.4＝1.18×107kJ/h。

6）制冷量（考慮到5%冷損失）：1.18×107×95%＝1.12×107kJ/h。

7）過冷器熱負(fù)荷QN＝G氨×qM＝10 578×87.32＝9.23×105kJ/h。

8）溶液熱交換器熱負(fù)荷QTW＝G氨×qTW＝10 578×1 658.1＝1.75×107kJ/h。

2.2.5 主要消耗量

1）冷卻水量W

由冷卻水帶走的熱量

2）電耗量

泵的軸功率

2.3 過程的狀態(tài)參數(shù)表（見表2）

表2 過程的狀態(tài)參數(shù)表

3 結(jié)論

通過案例分析，利用變換氣余熱2.3×107kJ/h，通過氨吸收制冷裝置，可為外界提供1.13×107kJ/h冷量，因此，利用變換氣余熱設(shè)置氨吸收制冷裝置，為低溫凈化裝置提供冷量是可行的。

［1］ 王文善.氨吸收制冷原理與設(shè)計(jì)［J］.化肥工業(yè)，1980（3）：36-43.