半水煤氣余熱回收綜合利用

汪　磊，邵　威

（安徽省化工設(shè)計(jì)院，安徽合肥230009）

半水煤氣余熱回收綜合利用

汪磊，邵威

（安徽省化工設(shè)計(jì)院，安徽合肥230009）

余熱利用是節(jié)能降耗的重要途徑。造氣車間聯(lián)合廢鍋出口半水煤氣溫度為130℃，改造前直接進(jìn)入洗氣塔，熱量沒(méi)有利用，造成浪費(fèi)。本方案在聯(lián)合廢鍋出口和洗氣塔進(jìn)口加裝水流動(dòng)層換熱器，把半水煤氣溫度從130℃降到70℃再進(jìn)入洗氣塔，換熱器產(chǎn)生的熱水驅(qū)動(dòng)溴化鋰機(jī)組，溴化鋰機(jī)組產(chǎn)生的冷凍水再去冷卻壓縮機(jī)進(jìn)口氣體溫度，增大壓縮機(jī)的效率，提高產(chǎn)量，得到余熱綜合利用的效果，并獲取良好的經(jīng)濟(jì)效益。

半水煤氣；余熱回收；制冷機(jī)組；壓縮機(jī)降溫

1　項(xiàng)目背景

某化工有限公司造氣車間共有造氣爐13臺(tái)，共用5臺(tái)聯(lián)合廢鍋，其中有2臺(tái)聯(lián)合廢鍋的半水煤氣流量為10000Nm3/h，3臺(tái)聯(lián)合廢鍋的半水煤氣流量為16500Nm3/h，聯(lián)合廢鍋出口半水煤氣的溫度在130℃以上，且含有大量的水蒸氣。這部分半水煤氣進(jìn)入洗氣塔后，直接通過(guò)大量的水對(duì)氣體降溫至40℃以下進(jìn)入氣柜。如何合理有效地利用這部分余熱，是本實(shí)例需要解決的問(wèn)題。

1.1問(wèn)題

（1）高溫半水煤氣熱量沒(méi)有利用，直接由循環(huán)水帶走，造成熱能巨大浪費(fèi)。

（2）循環(huán)水冷卻系統(tǒng)需投入耗能設(shè)備（風(fēng)機(jī)、水泵等）和發(fā)生維護(hù)成本，造成了能源的重復(fù)浪費(fèi)及運(yùn)行成本的上升。

（3）國(guó)內(nèi)很多合成氨企業(yè)一直在研究如何利用高溫半水煤氣的巨大熱量，但無(wú)法解決半水煤氣對(duì)換熱設(shè)備的腐蝕、灰塵聚集堵塞形成的流程阻力、換熱效果差等問(wèn)題。

1.2廢熱利用

壓縮工段是將清洗降溫過(guò)的半水煤氣進(jìn)行壓縮，然后再進(jìn)行合成反應(yīng)生成產(chǎn)品合成氨。壓縮機(jī)一段進(jìn)口半水煤氣溫度較高，在夏季時(shí)可達(dá)35℃以上。根據(jù)公式PV=nRT，在壓力不變，壓縮機(jī)打氣量（體積）一定時(shí)，溫度T越高，壓縮機(jī)實(shí)際打氣量（氣體物質(zhì)的量）就越小。所以好多廠家采取在壓縮機(jī)一段進(jìn)口對(duì)半水煤氣進(jìn)行深冷卻，降低半水煤氣進(jìn)壓縮機(jī)時(shí)的溫度，來(lái)提高壓縮機(jī)的實(shí)際打氣量，降低合成氨生產(chǎn)電耗。本廢熱利用方案是利用半水煤氣的余熱制備熱水，以熱水驅(qū)動(dòng)溴化鋰制冷機(jī)生成冷凍水，再以冷凍水深冷壓縮機(jī)入口半水煤氣，提高壓縮機(jī)效率，降低合成氨生產(chǎn)成本，真正實(shí)現(xiàn)廢熱利用和節(jié)能降耗。

2　余熱回收設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

造氣車間使用聯(lián)合廢鍋5臺(tái)，其中半水煤氣流量10000Nm3/h的有2臺(tái)，半水煤氣流量16500Nm3/h的有3臺(tái)，現(xiàn)擬在造氣聯(lián)合廢鍋出口和洗氣塔進(jìn)口加裝水流動(dòng)層換熱器，把半水煤氣溫度從130℃降到70℃再進(jìn)入洗氣塔。同時(shí)把65℃脫鹽水加熱至85℃左右作為溴化鋰機(jī)組的熱源來(lái)制冷。

增設(shè)溴化鋰機(jī)組獲取7℃～12℃的冷水，在壓縮機(jī)一段進(jìn)口增設(shè)石墨換熱器，利用溴化鋰機(jī)組產(chǎn)生的7℃左右的冷水，在石墨換熱器內(nèi)對(duì)半水煤氣進(jìn)行深冷卻，降低壓縮機(jī)一段進(jìn)口的半水煤氣溫度，增大壓縮機(jī)的效率，提高產(chǎn)量。

2.2具體實(shí)施方法

通過(guò)5套水流動(dòng)層換熱器回收造氣車間聯(lián)合廢鍋出口半水煤氣進(jìn)洗氣塔前的余熱，加熱脫鹽水作為溴化鋰機(jī)組制冷的熱源，所得冷水再深冷卻壓縮機(jī)一段進(jìn)口的半水煤氣，提高壓縮機(jī)的打氣量，降低全廠噸氨電耗。回收流程見圖1。

圖1　半水煤氣余熱回收流程簡(jiǎn)圖

2.3系統(tǒng)說(shuō)明

（1）半水煤氣余熱回收系統(tǒng)，水流動(dòng)層換熱器旁路（原煤氣管道）增設(shè)自制碟閥，正常生產(chǎn)情況下，半水煤氣經(jīng)過(guò)水流動(dòng)層換熱器進(jìn)分洗氣塔；當(dāng)水流動(dòng)層換熱器故障時(shí)，打開旁路自制碟閥，半水煤氣走旁路直接進(jìn)分洗氣塔，不會(huì)對(duì)造氣生產(chǎn)造成影響。

（2）考慮到造氣污水閉路循環(huán)問(wèn)題，增設(shè)水流動(dòng)層換熱器所需沖洗、成膜水全部采用原造氣系統(tǒng)循環(huán)水，不會(huì)對(duì)造氣污水系統(tǒng)造成影響。

（3）每套換熱器流通面積按照進(jìn)口管道截面積的1.3～1.5倍設(shè)計(jì)，運(yùn)行中下段換熱管束內(nèi)壁始終有流動(dòng)水膜，且換熱器上、下段頂部都有沖洗系統(tǒng)，會(huì)定時(shí)加壓沖洗，不會(huì)造成灰堵，每套換熱器系統(tǒng)阻力不會(huì)大于2000Pa。

（4）換熱器及其配用設(shè)備有良好的可控性能，且控制信號(hào)接入造氣DCS控制室，保證設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

3　余熱回收利用計(jì)算

3.1相關(guān)參數(shù)

（1）單爐造氣爐半水煤氣產(chǎn)量：5500Nm3/h，蒸汽分解率45%。

（2）生產(chǎn)1t合成氨用半水煤氣按3300 Nm3（干態(tài)）計(jì)，成份：H2—40%，CO—29.8%，N2—19.2%，CO2—8.5%，O2—0.4%，CH4+Ar—2.1%。

（3）半水煤氣工況表壓5.5 kPa。

（4）2臺(tái)造氣爐共用1臺(tái)聯(lián)合廢鍋，出口半水煤氣溫度130℃，流量為10000 Nm3/h；3臺(tái)造氣爐共用1臺(tái)聯(lián)合廢鍋，出口半水煤氣溫度130℃，流量為16500Nm3/h。

3.2參數(shù)及換算

以3300Nm3半水煤氣為基數(shù)，根據(jù)反應(yīng)方程式：

該反應(yīng)的蒸汽分解率為45%，生成物半水煤氣中H2占40%，即生成3000Nm3半水煤氣需要的蒸汽量為m：3300×40%/22.4×18=m×45%，m=2357kg。

沒(méi)有參與反應(yīng)，剩余在3300Nm3半水煤氣中的水蒸氣的質(zhì)量：

其中濕態(tài)半水煤氣中蒸汽：

（1926.4/18）/（1926.4/18+3300/22.4）100%=32.84%

因廢鍋出口壓力為5.5kPa（表壓），則絕壓為106.8kPa，其中半水煤氣（濕態(tài)）中水蒸氣的百分比為32.84%，則水蒸汽的分壓為35.07kPa（絕壓），對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽溫度為73℃，半水煤氣出水流動(dòng)層換熱器時(shí)的溫度在70℃，對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽分壓為31.16 kPa（絕壓），因此半水煤氣中水蒸氣的冷凝量為3.65%。

3.3半水煤氣余熱回收計(jì)算

通過(guò)5臺(tái)水流動(dòng)層換熱器回收13臺(tái)造氣爐的半水煤氣余熱，加熱65℃脫鹽水至85℃作為溴化鋰機(jī)制的熱源制冷。具體熱量回收計(jì)算見表1。

同理可算出10000Nm3/h單臺(tái)水流動(dòng)層余熱回收量Qc=1936842kJ/h，可加熱熱水Mc=23057 kg/h。

綜上，通過(guò)5臺(tái)水流動(dòng)層換熱器回收13臺(tái)聯(lián)合廢鍋出口半水煤氣的余熱，總回收熱量760902×3 +1936842×2=13396950kJ/h，折合29400kJ/kg的標(biāo)準(zhǔn)煤3205012/7000=457.8kg/h，理論可加熱65℃～85℃的熱水38×3+23×2=160t/h。

3.4壓縮機(jī)一段進(jìn)口半水煤氣冷卻計(jì)算

夏季壓縮機(jī)一段半水煤氣溫度較高，在35℃以上，通過(guò)溴化鋰機(jī)組的冷水將其深冷卻至18℃以下，具體計(jì)算如下（半水煤氣壓力按絕壓130kPa計(jì)）：

表1　單臺(tái)水流動(dòng)層余熱回收計(jì)算表

經(jīng)查表35℃時(shí)，飽和蒸汽壓力為絕壓7.38kPa，焓值2568.6kJ/kg；18℃時(shí)，飽和蒸汽壓力為絕壓2.33kPa，18℃水的焓值83.7kJ/kg；半水煤氣的流量為85000 Nm3/h，合85000/22.4=3794.6kmol/h。

設(shè)35℃時(shí)85000 Nm3半水煤氣中的水蒸氣含量為m1kmol，18℃時(shí)85000 Nm3半水煤氣中的水蒸氣含量為m2kmol，則有：

則85000Nm3的半水煤氣由35℃冷卻到18℃所冷凝的蒸汽量為：

（m1-m2）×18=（228.38-62.25）×18=2990.3kg

所以35℃85000Nm3/h的半水煤氣冷卻到18℃所釋放出來(lái)的熱量Q包括干基半水煤氣釋放的熱量Q1和半水煤氣中水蒸氣冷凝釋放的熱量Q2（水蒸氣冷卻釋放的顯熱部分較小，這里忽略）。

如果用溫差為5℃的水冷卻，需要的冷水量為：

3.5余熱利用系統(tǒng)配置

通過(guò)以上計(jì)算可知，35℃、85000Nm3/h的半水煤氣冷卻至18℃理論需要5℃溫差的冷水量為447.2t/h，那么需要選擇制冷量1046萬(wàn)kJ/h的溴化鋰機(jī)組才能滿足生產(chǎn)需求。該熱水型溴化鋰機(jī)組需要65℃～85℃的熱水154m3/h驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生7℃～12℃冷凍水500 m3/h。

通過(guò)5臺(tái)水流動(dòng)層換熱器回收造氣聯(lián)合廢鍋后，半水煤氣余熱可加熱65℃～85℃的熱水160t/h，1臺(tái)制冷量為1046萬(wàn)kJ/h的溴化鋰機(jī)組正常運(yùn)行需要65℃～85℃的熱水量為154t/h，即通過(guò)回收聯(lián)合廢鍋后半水煤氣的余熱基本可以滿足溴化鋰機(jī)組的正常生產(chǎn)需要，余熱回收系統(tǒng)方案可行，配置合理。

4　項(xiàng)目效益分析

4.1項(xiàng)目實(shí)施余熱回收節(jié)能計(jì)算

項(xiàng)目實(shí)施后通過(guò)5臺(tái)水流動(dòng)層換熱器造氣聯(lián)合廢鍋后對(duì)半水煤氣余熱進(jìn)行回收利用，每年可節(jié)省的熱量轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)煤，457.8×8000/1000=3662.4t/a。

4.2項(xiàng)目實(shí)施造氣冷卻水循環(huán)系統(tǒng)節(jié)電量估算

通過(guò)5臺(tái)水流動(dòng)層換熱器回收半水煤氣的熱量，將130℃的半水煤氣降低至70℃再進(jìn)洗氣塔，大大降低了洗氣塔的負(fù)荷。以單臺(tái)（10000Nm3/h）水流動(dòng)層換熱器來(lái)測(cè)算，如果直接用循環(huán)水冷卻半水煤氣至40℃，需要被釋放的熱量（蒸汽冷凝率按90%計(jì)）13784070kJ/h，那么通過(guò)水流動(dòng)層換熱器回收2320154kJ/h熱量后，根據(jù)3.3計(jì)算結(jié)果，洗氣塔的負(fù)荷降低了1936842/13784070× 100%=14%，造氣循環(huán)、冷卻水系統(tǒng)電負(fù)荷按400kW計(jì)，年運(yùn)行時(shí)間按6000h計(jì)，則年可節(jié)電400×14%× 6000=33.6萬(wàn)kW·h，電價(jià)按0.46元/kW·h計(jì)，則年可節(jié)省電費(fèi)33.6×0.46=15.4萬(wàn)元。

4.3項(xiàng)目實(shí)施壓縮機(jī)效率提高計(jì)算

該方案實(shí)施后，夏季壓縮機(jī)一段進(jìn)口溫度由原來(lái)的35℃降低至18℃。經(jīng)過(guò)理論計(jì)算，半水煤氣溫度從35℃降到18℃，根據(jù)公式PV=nRT，壓縮機(jī)打氣量（體積）不變，進(jìn)口半水煤氣壓力基本不變：

計(jì)算可得壓縮機(jī)進(jìn)口氣體量（物質(zhì)的量）增加為5.84%，以總量85000Nm3半水煤氣，3300Nm3折合1t氨，年運(yùn)行6000h計(jì)算，則理論上年可增產(chǎn)液氨85000/3300×5.84%×6000=9025噸。

實(shí)際計(jì)算噸氨壓縮機(jī)電耗可降低約5.52%，噸氨壓縮機(jī)電耗860k·Wh，則年可節(jié)約用電860×5.52%× 85000÷3300×6000=733.6萬(wàn)kW·h，化肥行業(yè)電價(jià)按0.46元/kW·h，則年節(jié)省733.6萬(wàn)kW·h×0.46元/kW·h =337.4萬(wàn)元。

4.4項(xiàng)目實(shí)施收益

由5臺(tái)水流動(dòng)層換熱器，回收13臺(tái)造氣爐半水煤氣出聯(lián)合廢鍋后的熱量加熱脫鹽水推動(dòng)溴化鋰機(jī)組制冷；溴化鋰機(jī)組所制得冷水用于壓縮機(jī)一段進(jìn)口半水煤氣深冷卻，降低半水煤氣溫度，提高壓縮機(jī)效率，增加合成氨產(chǎn)量。具體收益見表2。

表2中直接收益為增設(shè)水流動(dòng)層換熱器后年回收效益，可作為節(jié)能量依據(jù)；間接收益為水流動(dòng)層換熱器回收的熱量用于推動(dòng)溴化鋰機(jī)組制冷所產(chǎn)生的間接效益，僅供參照，不可以盲目疊加。

5　合作模式建議——合同能源管理

本項(xiàng)目擬采用合同能源管理模式之節(jié)能效益分享型。合同能源管理是一種新型的市場(chǎng)化節(jié)能機(jī)制，其實(shí)質(zhì)就是以減少的能源費(fèi)用來(lái)支付節(jié)能項(xiàng)目全部成本的節(jié)能業(yè)務(wù)方式。合同能源管理模式給企業(yè)帶來(lái)的效益主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

表2　回收效益分析

（1）能耗企業(yè)不用資金投入，即可完成節(jié)能技術(shù)改造。

（2）節(jié)能工程施工完畢，就可分享項(xiàng)目的部分節(jié)能效益。

（3）在合同期內(nèi)，能耗企業(yè)的客戶支付全部來(lái)自項(xiàng)目效益，現(xiàn)金流始終為正值。

（4）合同結(jié)束后，節(jié)能設(shè)備和全部節(jié)能效益歸能耗企業(yè)。

（5）節(jié)能服務(wù)公司為能耗企業(yè)承擔(dān)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

（6）根據(jù)《關(guān)于促進(jìn)節(jié)能服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展增值稅、營(yíng)業(yè)稅和企業(yè)所得稅政策問(wèn)題的通知》（財(cái)稅〔2010〕110號(hào)）規(guī)定，用能企業(yè)在稅收方面享受一定的優(yōu)惠政策。

節(jié)能服務(wù)公司為能耗企業(yè)提供能源審計(jì)診斷評(píng)估、改善方案規(guī)劃、改善工程設(shè)計(jì)、工程施工、監(jiān)理，到資金籌集的財(cái)務(wù)計(jì)劃及投資回收保證等全面性服務(wù)；采用適當(dāng)?shù)姆椒ɑ虺绦蝌?yàn)證評(píng)價(jià)節(jié)能效益，為能源用戶提供節(jié)能績(jī)效保證，再以項(xiàng)目自償方式由節(jié)約的能源費(fèi)用償還節(jié)能改善工程所需的投資費(fèi)用。

[1]李照明.造氣爐煤氣余熱回收工藝的改進(jìn)與完善[J].小氮肥，2000（7）：8-9，12.

[2]王雙成，任保增.小合成氨廠造氣余熱回收的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].化肥工業(yè)，1994（2）：27-31.

[3]許國(guó)民，呂解勝.三級(jí)余熱回收技術(shù)在上下行煤氣余熱回收中的應(yīng)用[J].小氮肥，1997（8）：5-9.

[4]張立國(guó)，張紅巖，岳永亮，等.新型溴化鋰吸收式制冷機(jī)的設(shè)計(jì)研究[J].流體機(jī)械，2005（8）：72-73，32.

[5]許圣華.煙氣物性的直接計(jì)算方法[J].蘇州絲綢工學(xué)院學(xué)報(bào)，1999（3）：32-36.

[6]戴永慶.溴化鋰吸收式制冷空調(diào)技術(shù)使用手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

[7]陶玉靈.煙氣驅(qū)動(dòng)的熱管廢熱溴化鋰制冷機(jī)的計(jì)算模擬[D].南京工業(yè)大學(xué)，2003.

Comprehensive Utilization of Semi-water Gas Waste Heat Recovery

WANG Lei，SHAO Wei
（Anhui Design Institute ofChemical Industy，Hefei 230009，China）

Waste heat recovery is an important way to save energy and reduce the power consumption.The 130℃semi-water gas outlet the waste heat boiler was directly conveyed to gas-washing tower without using the waste heat，it's a kind of waste. In this scheme a water-fluid heat exchanger was assembled between the waste heat boiler and the gas-washing tower which can reduce the outlet temperature of semi-water gas from 130℃to70℃，meanwhile the water which was heated in the heat exchanger are pumped todrive the lithiumbromide unit.Then the cold water was produced to cool down the gas at compressor inlet，the efficiency of the compressor will be highly improved.It's is not only a good way to use the waste heat but also a way toreduce the cost.

semi-water gas；waste heat recovery；refrigeration unit；compressor cooling

10.3969/j.issn.1008-553X.2016.04.027

TQ542.4

B

1008-553X（2016）04-0076-05

2016-04-08

汪磊（1987-），男，工程師，從事熱能動(dòng)力工程設(shè)計(jì)和研究工作，15256938503，raymond87@126.com。