丙烯腈生產(chǎn)中吸收塔尾氣焚燒爐煙氣余熱的回收利用

劉進(jìn)陽(yáng)，盧 葦，劉紀(jì)云，徐 昆，陳 漢，許 浩

（廣西大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，廣西 南寧 530004）

丙烯腈生產(chǎn)中吸收塔尾氣焚燒爐煙氣余熱的回收利用

劉進(jìn)陽(yáng)，盧 葦，劉紀(jì)云，徐 昆，陳 漢，許 浩

（廣西大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，廣西 南寧 530004）

結(jié)合某200 kt丙烯腈生產(chǎn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)氨水吸收式梯級(jí)制冷系統(tǒng)，用以回收丙烯腈項(xiàng)目排出的吸收塔尾氣焚燒爐（AOGI）煙氣余熱。通過(guò)該系統(tǒng)既可制取-10 ℃的鹽水，替代此項(xiàng)目原有螺桿乙二醇制冷機(jī)達(dá)到丙烯腈單元的生產(chǎn)要求；又可制取-5℃的冰，可以應(yīng)用于餐飲行業(yè)保存食物等。應(yīng)用MATLAB軟件對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并采用夾點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行分析計(jì)算。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)共回收AOGI煙氣量1.67×105Nm3/h，可制取621 kW的冷量，共節(jié)約電量187.11 kW，一年可節(jié)省人民幣約95萬(wàn)元。

丙烯腈；吸收塔尾氣焚燒爐；煙氣；余熱；氨水吸收制冷系統(tǒng)；夾點(diǎn)技術(shù)

丙烯腈作為重要的化工原料［1］，應(yīng)用前景廣闊，市場(chǎng)需求量逐年增加。合成纖維、橡膠和樹脂等均需用到丙烯腈［2-4］。我國(guó)丙烯腈的生產(chǎn)起步于1968年［5］，生產(chǎn)量和需求量一直在增加，截至目前全國(guó)丙烯腈的生產(chǎn)能力已超百萬(wàn)噸，需求量已達(dá)千萬(wàn)噸［3］。

隨著節(jié)能意識(shí)的增強(qiáng)，已有眾多學(xué)者對(duì)節(jié)能環(huán)保的丙烯腈生產(chǎn)項(xiàng)目進(jìn)行了研究，例如：催化劑對(duì)丙烯腈生產(chǎn)的影響［6］、吸收塔和回收塔對(duì)丙烯腈生產(chǎn)效果的影響［4］、丙烯腈生產(chǎn)廢水的工藝研究［7-10］、丙烯腈裝置應(yīng)急控制技術(shù)的研究［11］等。在丙烯腈生產(chǎn)過(guò)程中，為使廢氣達(dá)到無(wú)毒排放，吸收塔頂排出的吸收尾氣要經(jīng)焚燒爐高溫?zé)齾s，使有害物質(zhì)分解。因此，焚燒爐會(huì)排出一種含有大量低品位余熱的吸收塔尾氣焚燒爐（AOGI）煙氣。

本工作以某200 kt丙烯腈生產(chǎn)項(xiàng)目為例，對(duì)AOGI煙氣余熱的回收利用方式進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研究，采用氨水吸收式制冷系統(tǒng)回收AOGI煙氣余熱，以期達(dá)到較好的節(jié)能和降低成本的效果。

1 制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 AOGI煙氣的物性

丙烯腈生產(chǎn)單元正常運(yùn)行時(shí)，由吸收塔頂排出的吸收尾氣經(jīng)焚燒爐焚燒，產(chǎn)生大量含低品位熱能的AOGI煙氣。AOGI煙氣的組成（w）為：CO24.63%，N284.5%，H2O 8.94%，O21.93%。AOGI煙氣的物性見表1。

表1 AOGI煙氣的物性Table 1 Properties of fue gas from an absorber of gas incinerator

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

AOGI煙氣中含有的低品位熱能可作為氨水吸收式制冷系統(tǒng)的熱源，獲取0 ℃以下的溫度，用于丙烯腈項(xiàng)目和日常生活。氨水吸收式制冷系統(tǒng)應(yīng)用低品位熱能制取冷量，可替代其他電制冷設(shè)備，達(dá)到節(jié)約電能、減少CO2排放和保護(hù)環(huán)境的目的。

某200 kt丙烯腈生產(chǎn)項(xiàng)目原采用制冷量為374 kW的螺桿乙二醇制冷機(jī)提供項(xiàng)目所需的-10 ℃的鹽水，這樣會(huì)消耗大量電能。且廣西屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，氣溫高，平時(shí)生活中需要很多冷量。基于以上兩點(diǎn)，設(shè)計(jì)氨水吸收式梯級(jí)制冷系統(tǒng)，同時(shí)制取-10 ℃的鹽水（以達(dá)到丙烯腈單元的生產(chǎn)要求）和-5 ℃的冰（可以應(yīng)用于餐飲行業(yè)保存食物等）。設(shè)定蒸發(fā)溫差為5 ℃，制取-10 ℃的鹽水和-5 ℃的冰所需的蒸發(fā)溫度分別為-15 ℃和-10 ℃。

氨水吸收式梯級(jí)制冷系統(tǒng)的流程見圖1。由圖1可見，氨水吸收式梯級(jí)制冷系統(tǒng)分為兩部分，一部分為公共部分，包括發(fā)生器a、分凝器b、冷凝器c、溶液熱交換器h和精餾器j；另一部分為并聯(lián)部分，由兩個(gè)分支并聯(lián)組成，分別用于制取-10 ℃的鹽水和- 5 ℃的冰，包括過(guò)冷器d1和d2、蒸發(fā)器e1和e2、吸收器f1和f2、溶液泵g1和g2。為使該氨水梯級(jí)制冷系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行等溫混合以充分利用系統(tǒng)的能量［12］，設(shè)計(jì)系統(tǒng)在溶液泵g1和g2后混合溶液。

Hong等［13-15］對(duì)氨水吸收式制冷循環(huán)提出了改進(jìn)措施，在一定程度上提升系統(tǒng)的性能系數(shù)（COP）值。但這些改進(jìn)在一定程度上會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，增大占地面積，且后期維護(hù)困難。因此，本工作設(shè)計(jì)的氨水吸收式梯級(jí)制冷系統(tǒng)內(nèi)部熱回收方式僅保留有精餾器熱回收［16-18］，溶液熱交換和制冷劑熱交換3種方式。設(shè)計(jì)的氨水吸收式梯級(jí)制冷循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、操作維護(hù)相對(duì)方便、且能回收系統(tǒng)內(nèi)部的部分熱量和冷量。

圖1 氨水吸收式梯級(jí)制冷系統(tǒng)的流程Fig.1 Schematic diagram of ammonia-water absorption refrigeration multiple system.a Generator；b Fractional condenser；c Condenser；d1，d2 Subcoolers；e1 Evaporator of -10 ℃ brine；e2 Evaporator of -15 ℃ brine；f1，f2 Absorbers；g1，g2 Solution pumps；h Solution heat exchanger；i1，i2，i3 and i4 Expansion valves；j Rectifer；1-3，7a，7b，8a，8b，9a，9b，10a，10b，11 State parameter points

1.3 系統(tǒng)運(yùn)行條件的設(shè)定

廣西年降水量大、空氣濕度大，若冷凝器和吸收器應(yīng)用冷卻塔進(jìn)行水冷，冷卻塔的溫降不明顯，并且隨著天氣的變化，冷卻水溫度也會(huì)變化，導(dǎo)致制冷系統(tǒng)性能不穩(wěn)定，不能滿足冷凝器溫降的要求。由于深井水［19］的溫度相對(duì)較低，夏季一般為22.4 ℃左右，并且相對(duì)穩(wěn)定。因此，若采用深井水對(duì)冷凝器和吸收器進(jìn)行冷卻，可使設(shè)計(jì)系統(tǒng)性能相對(duì)穩(wěn)定，達(dá)到冷凝器和吸收器降溫的要求。所以，本工作采用深井水，利用并聯(lián)方式對(duì)冷凝器和吸收器進(jìn)行冷卻，并設(shè)定冷凝溫度為30 ℃、冷凝器的過(guò)冷溫度和吸收器的出口溫度均為27 ℃。另根據(jù)AOGI煙氣的物性，設(shè)定發(fā)生器溶液出口溫度為120 ℃。

2 系統(tǒng)的分析計(jì)算

根據(jù)設(shè)定的系統(tǒng)運(yùn)行條件，對(duì)氨水吸收式梯級(jí)制冷系統(tǒng)應(yīng)用MATLAB軟件進(jìn)行仿真模擬，并應(yīng)用夾點(diǎn)技術(shù)［13，20］對(duì)系統(tǒng)的過(guò)冷器d1、d2和溶液熱交換器h進(jìn)行換熱分析，以達(dá)到能量的最大利用。經(jīng)計(jì)算并對(duì)氨水吸收式梯級(jí)制冷系統(tǒng)進(jìn)行整體分析后得出圖1中各狀態(tài)點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)，見表2。

表2 設(shè)計(jì)系統(tǒng)各狀態(tài)點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)Table 2 State parameter of every state point in the designed system

在用夾點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行分析時(shí)，設(shè)定最小溫差為5℃。根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制過(guò)冷器d1和溶液熱交換器h進(jìn)行最大熱交換過(guò)程的夾點(diǎn)技術(shù)分析圖。過(guò)冷器d1和溶液熱交換器h進(jìn)行熱交換過(guò)程的位移組合曲線分別見圖2和圖3。過(guò)冷器d2進(jìn)行熱交換的過(guò)程與過(guò)冷器d1類似。

圖2 過(guò)冷器d1進(jìn)行熱交換過(guò)程的位移組合曲線Fig.2 Shifted composite curves of heat transfer process in subcooler d1.

由圖2可見，熱流線表示進(jìn)蒸發(fā)器e1的液氨制冷劑在過(guò)冷器d1進(jìn)行熱交換的過(guò)程，冷流線表示從蒸發(fā)器e1出來(lái)的氨蒸氣制冷劑在過(guò)冷器d1進(jìn)行熱交換的過(guò)程。冷流線和熱流線縱向重合的曲線表示過(guò)冷器d1中進(jìn)行最大熱交換的過(guò)程。夾點(diǎn)溫度為24.5℃，即此處冷熱流進(jìn)行熱交換的溫差最小。此時(shí)，熱流進(jìn)行熱交換的溫度為27 ℃，冷流進(jìn)行熱交換的溫度為22 ℃。

圖3 溶液熱交換器h進(jìn)行熱交換過(guò)程的位移組合曲線Fig.3 Shifted composite curves of heat transfer process in solution heat exchanger h.

由圖3可見，熱流線表示從發(fā)生器出來(lái)的稀溶液在溶液熱交換器h進(jìn)行熱交換的過(guò)程，冷流線表示從分凝器出來(lái)的濃溶液在溶液熱交換器h進(jìn)行熱交換的過(guò)程。冷流線和熱流線縱向重合的曲線表示溶液交換器h中進(jìn)行最大熱交換的過(guò)程。夾點(diǎn)溫度為36.5 ℃，即此處冷熱流進(jìn)行熱交換的溫差最小。此時(shí)，熱流進(jìn)行熱交換的溫度為39 ℃，冷流進(jìn)行熱交換的溫度為34 ℃。

3 系統(tǒng)節(jié)能效果

經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，蒸發(fā)器e1可提供374 kW的冷量用以替換200 kt丙烯腈生產(chǎn)項(xiàng)目中制冷量為374 kW的螺桿乙二醇制冷機(jī)，所需的AOGI煙氣量為1.01×105Nm3/h，可節(jié)約電量110 kW；剩余的煙氣量為6.66×104Nm3/h，可用于蒸發(fā)器e2制取冷量，可制取的冷量為247 kW，可節(jié)約電量77.11 kW。系統(tǒng)共回收AOGI煙氣量1.67×105Nm3/h，可制取621 kW的冷量，共節(jié)約電量187.11 kW，按平均一度電0.58元計(jì)，所設(shè)計(jì)的氨水吸收式梯級(jí)制冷系統(tǒng)一年可節(jié)省人民幣95萬(wàn)元。

4 結(jié)論

1）通過(guò)氨水吸收式制冷系統(tǒng)回收丙烯腈生產(chǎn)過(guò)程中排出的AOGI煙氣余熱，制取冷量，滿足丙烯腈生產(chǎn)工藝需要和日常生活所需。

2）結(jié)合某200 kt丙烯腈項(xiàng)目設(shè)計(jì)的氨水吸收式梯級(jí)制冷系統(tǒng)，既可替換該項(xiàng)目中原有的螺桿乙二醇制冷機(jī)，又可制取-5℃的冰供日常生活所需。

3）應(yīng)用MATLAB軟件對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并采用夾點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行分析計(jì)算。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)共回收AOGI煙氣量1.67×105Nm3/h，可制取621 kW的冷量，共節(jié)約電量187.11 kW，一年可節(jié)省人民幣約95萬(wàn)元。

4）該氨水吸收式梯級(jí)制冷系統(tǒng)利用了低品位廢熱能，節(jié)約了電能，增加了經(jīng)濟(jì)效益，可減少CO2的排放，有利于環(huán)境保護(hù)。

［1］張平. 21.2萬(wàn)噸/年丙烯腈生產(chǎn)裝置回收和精制過(guò)程的模擬分析［D］. 上海：上海師范大學(xué)，2012.

［2］金離塵. 世界腈綸及丙烯腈發(fā)展預(yù)測(cè)［J］. 合成纖維工業(yè)，1997，20（1）：46 - 48.

［3］李湘平，宋超，周敏. 丙烯腈生產(chǎn)現(xiàn)狀與發(fā)展前景［J］. 合成纖維工業(yè)，2014，37（1）：52.

［4］王成國(guó)，朱波. 聚丙烯腈生產(chǎn)工藝［M］. 北京：科學(xué)出版社，2011：5 - 20.

［5］張沛存. 丙烯腈裝置節(jié)能改造與流化床反應(yīng)器模擬分析［D］.大連：大連理工大學(xué)，2002.

［6］汪國(guó)軍. 丙烷氨氧化制備丙烯腈催化劑的研究［D］. 上海：華東理工大學(xué)，2012.

［7］薛翠芳. 超重力氣提法處理丙烯腈廢水實(shí)驗(yàn)研究［D］. 太原：中北大學(xué)，2015.

［8］王冰. 濕式氧化法處理丙烯腈廢水的反應(yīng)特性研究［D］. 大慶：東北石油大學(xué)，2014.

［9］李廣彬. A/O～2工藝處理丙烯腈生產(chǎn)廢水的實(shí)驗(yàn)研究［D］. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2012.

［10］岳智紅. 丙烯腈廢水臭氧脫色效果及氧化機(jī)理研究［D］. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2012.

［11］宋文娟. 丙烯腈裝置應(yīng)急控制技術(shù)研究與應(yīng)用［D］. 青島：中國(guó)石油大學(xué)（華東） ，2009.

［12］伊恩C. 肯普. 能量的有效利用：夾點(diǎn)分析與過(guò)程集成［M］.項(xiàng)曙光，賈小平，夏力，譯. 2版. 北京：化學(xué)化工出版社，2010：40 - 41.

［13］Hong Daliang，Tang Limin，He Yijian，et al. A novel absorption refrigeration cycle［J］. Appl Therm Eng，2010，30（14/15）：2045 - 2050.

［14］Fontalvo A，Pinzon H，Duarte J，et al. Exergy analysis of a combined power and cooling cycle［J］. Appl Therm Eng，2013，60：164 - 171.

［15］Pouraghaie M，Atashkari K，Besarati S M，et al. Thermodynamic performance optimization of a combined power/cooling cycle［J］. Energy Convers Manag，2010，51：204 - 211.

［16］Chua H T，Toh H K，Ng K C. Thermodynamic modeling of an ammonia-water absorption chille［J］. Int J Refrig，2002，25 （7）：896 - 906.

［17］Viswanathan V K，Rattner A S，Determan M D，et al. Dynamic model for a small-capacity ammonia-water absorption chiller［J］. HVAC&R Res，2013，19（7）：865 - 881.

［18］Darwish N A，Al-Hashimi S H，Al-Mansoori A S. Performance analysis and evaluation of a commercial absorptionrefrigeration water-ammonia （ARWA） system［J］. Int J Refrig，2008，31（7）：1214 - 1223.

［19］程昕. 大溫差冷卻水對(duì)冷水機(jī)組性能的影響研究［D］. 衡陽(yáng)：南華大學(xué)，2015.

［20］Du S，Wang R Z，Xia Z Z. Optimal ammonia water absorption refrigeration cycle with maximum internal heat recovery derived from pinch technology［J］. Energy，2014，68（15）：862 - 869.

（編輯 王 馨）

Recovery and utilization of waste heat in flue gas from absorber off gas incinerator in acrylonitrile production

Liu Jinyang，Lu Wei，Liu Jiyun，Xu Kun，Chen Han，Xu Hao
（School of Chemistry and Chemical Engineering，Guangxi University，Nanning Guangxi 530004，China）

A multiple ammonia-water absorption refrigeration system was designed to recover and utilize waste heat in fue gas from Absorber Of Gas Incinerator(AOGI) in a 200 kt acrylonitrile production unit. The designed system could get -10 ℃ inorganic salt water solution to replace the former screw glycol refrigerating machine in the unit. It could meet the production requirement for the acrylonitrile unit and the system could product -5 ℃ ice at the same time And the ice may be applied in food industry to preserve food，etc. The designed system was simulated by means of the MATLAB software and was calculated by pinch technology. It could be concluded that this system could recover the AOGI fue gas volume of 1.67×105Nm3/h，gain the cooling capacity of 621 kW，save electric power of 187.11 kW and economize about ￥950，000 per year.

acrylonitrile；absorber off gas incinerator；flue gas；waste heat；ammonia-water absorption refrigeration system；pinch technology

1000 - 8144（2016）08 - 0972 - 04

TQ 226.6

A

10.3969/j.issn.1000-8144.2016.08.014

2016 - 01 - 18；［修改稿日期］2016 - 04 - 19。

劉進(jìn)陽(yáng)（1988—），男，河南省襄城縣人，碩士生，電話 15296557986，電郵 ljygxu@sina.com。聯(lián)系人：盧葦，電話15078819474，電郵 luwei@gxu.edu.cn。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51366001）；廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2013GXNSFAA019292）。