聯(lián)堿裝置低溫余熱制冷技術(shù)的研究

趙 賽

(天津渤化永利化工股份有限公司，天津 300452)

1 聯(lián)堿冰機(jī)運(yùn)行現(xiàn)狀

我公司氯化銨生產(chǎn)裝置需要大量的冷量，目前是利用液氨與制堿母液換熱后，氣氨經(jīng)螺桿壓縮機(jī)壓縮冷凝成液氨后循環(huán)使用。現(xiàn)有3臺(tái)電機(jī)功率為1 700 kW的WBII1080E螺桿壓縮機(jī)，制冷量為6 000 kW/臺(tái)，制冷劑為R717，吸入壓力0.45 MPa，排出壓力1.55 MPa。根據(jù)季節(jié)氣候變化，螺桿壓縮機(jī)開機(jī)臺(tái)數(shù)為冬季1臺(tái)、夏季2至3臺(tái)，在夏季生產(chǎn)時(shí)，受蒸發(fā)冷能力影響，冷量不能滿足高負(fù)荷生產(chǎn)需求，導(dǎo)致能耗增高。冰機(jī)設(shè)計(jì)用電為壓縮每噸氨耗電量84.41 kW·h，2017年12月26日～2018年12月25日一年間產(chǎn)量為63.2萬雙噸，冰機(jī)耗電25.4×106kW·h，按計(jì)算每噸產(chǎn)品壓縮氨量 0.4292 t，壓縮每噸氨耗電量93.85 kW·h，可見螺桿壓縮機(jī)運(yùn)行過程中耗電量很大。

低溫余熱制冷技術(shù)的應(yīng)用不需要新增氨用量，是對(duì)原有螺桿壓縮機(jī)的改造提升，并將動(dòng)設(shè)備改為靜設(shè)備，提高了裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。

2 低位熱能情況

在熱源方面，公司有大量的低位熱能(如蒸汽凝液、乏汽等)，溫度高，需要循環(huán)水進(jìn)行冷卻后才能利用，造成資源的浪費(fèi)。

聯(lián)堿裝置煅燒爐可提供溫度160 ℃、流量157 t/h的冷凝液，余熱制冷出口熱源最低利用溫度90 ℃，160 ℃熱水焓值為675.4 kJ/kg，90 ℃熱水焓值376.8 kJ/kg，則可利用熱量Q1為：

Q1=(675.4-376.8)×157 000/3 600=13 022 kW

通過使用吸收式制冷技術(shù)，轉(zhuǎn)化效率按照0.52計(jì)算，可以生產(chǎn)出的冷量(5 ℃)為：

Q冷1=13 022×0.52=6 771 kW，可制液氨22 t/h。

另外，丁辛醇裝置可提供壓力0.35 MPa、溫度139 ℃、流量136. t/h低壓凝水。139 ℃熱水焓值為589.32 kJ/kg，90 ℃熱水焓值376.8 kJ/kg，則可利用熱量Q2為：

Q2=(589.3-376.8)×136 000/3 600=8 027 kW

通過使用吸收式制冷技術(shù)，轉(zhuǎn)化效率按照0.52計(jì)算，可以生產(chǎn)出的冷量(5 ℃)為：

Q冷2=8 027×0.52=4 174 kW，可制液氨14 t/h。

綜上，聯(lián)堿裝置和丁辛醇裝置的蒸汽凝液的熱量均可作為吸收式制冷的熱力驅(qū)動(dòng)，替代傳統(tǒng)螺桿壓縮機(jī)，不但充分利用多余廢熱，避免了資源的浪費(fèi)，而且節(jié)約了用電成本。

3 TC工質(zhì)吸收式制冷

3.1 吸收式制冷簡(jiǎn)介

吸收式制冷是在低溫低壓的條件下，利用液態(tài)制冷劑汽化來達(dá)到制冷的最終目的。蒸汽壓縮式制冷靠消耗機(jī)械功或者電能實(shí)現(xiàn)熱量從低溫向高溫轉(zhuǎn)移；而吸收式制冷是靠消耗熱能完成這種過程的。

3.2 與溴化鋰吸收式制冷的不同

現(xiàn)在常有的很少一部分的低溫余熱是利用溴化鋰吸收式制冷解決的。溴化鋰系統(tǒng)可以利用低位熱能,制取7 ℃以上冷量，可廣泛應(yīng)用于民用空調(diào)等領(lǐng)域，但是無法應(yīng)用于大量存在的零度以下制冷需求的工業(yè)領(lǐng)域。很大部分低溫余熱無法利用，而且這其中的大多還需要專門的能源來給這部分余熱冷卻，以滿足后續(xù)工藝的使用要求。

TC多元工質(zhì)熱驅(qū)動(dòng)冷凍機(jī)組從根本上解決了溴化鋰系統(tǒng)的不足，同時(shí)在相同熱源溫度的情況下，將制冷深度由 7 ℃拓展至-40 ℃，大大增加了制冷的效果，實(shí)現(xiàn)吸收式制冷行業(yè)的工藝技術(shù)的創(chuàng)新和進(jìn)步。TC多元工質(zhì)具有穩(wěn)定性強(qiáng)、無水無油無需分離、長(zhǎng)期運(yùn)行無衰減的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于化工、材料、冶煉、醫(yī)藥等具有零度以下制冷需求的領(lǐng)域，比壓縮式制冰機(jī)節(jié)約 90%以上的電耗。

3.3 工藝原理和特點(diǎn)

TC多元工質(zhì)選用NH3作為制冷劑，具有蒸發(fā)潛熱大、制冷效果好、廉價(jià)易得、純天然工質(zhì)、綠色環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，因此可以作為一種性能良好的制冷劑應(yīng)用于當(dāng)代的化工生產(chǎn)中。

選用多元氨鹽溶液的氣相可以認(rèn)為是純氨氣，提高了系統(tǒng)的效率，同時(shí)在熱力學(xué)性質(zhì)方面也存在其他優(yōu)勢(shì)。

TC多元工質(zhì)吸收式制冷可分為兩個(gè)子循環(huán)來研究：一個(gè)是多元溶液循環(huán)；另一個(gè)是氨氣循環(huán)。

1)多元溶液循環(huán)

富氨溶液從吸收器出來進(jìn)入發(fā)生器中，然后逐步加熱使溶液沸騰，此時(shí)會(huì)分離出大量的氨氣，氨氣被送入到冷凝器中，低溫冷凝成液氨，液氨最后再進(jìn)入到蒸發(fā)器中蒸發(fā)制冷達(dá)到目的。而發(fā)生器中的富氨溶液蒸發(fā)掉部分氨后變?yōu)樨毎比芤?，換熱之后會(huì)回到吸收器， 從蒸發(fā)器過來的氨氣會(huì)與吸收器頂部噴淋的貧氨溶液接觸，并且溶于貧氨溶液中，此過程會(huì)增加貧氨溶液的濃度，使貧氨溶液重新變?yōu)楦话比芤?，重新進(jìn)入發(fā)生器，形成多元溶液循環(huán)的整個(gè)過程。

2) 氨氣循環(huán)

由發(fā)生器出來的氨蒸汽進(jìn)入冷凝器，通過水冷方式冷凝，然后凝結(jié)成液氨進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)后體積膨脹，然后經(jīng)過蒸發(fā)器和吸收器之間的管道進(jìn)入吸收器，與吸收器頂部噴淋的貧氨溶液接觸，并不斷被貧氨溶液吸收，然后形成富氨溶液進(jìn)入發(fā)生器再加熱沸騰至產(chǎn)生氨蒸汽，由此形成整個(gè)氨氣循環(huán)。

3.4 工藝流程

吸收式制冷系統(tǒng)的基本組成部件包括發(fā)生器、蒸發(fā)器、吸收器、冷凝器和溶液熱交換器以及溶液循環(huán)泵等。

富氨溶液從吸收器底部出來，然后和發(fā)生器出來的貧氨溶液進(jìn)行換，再循環(huán)進(jìn)入發(fā)生器，被加熱至沸騰狀態(tài)，此時(shí)分離出大量氨氣，形成了發(fā)生器底部的貧氨溶液，然后通過與溶液熱交換器和吸收器過來的富氨溶液進(jìn)行換熱，再回到吸收器頂部。

從發(fā)生器中蒸發(fā)出來的純氨氣進(jìn)入到冷凝器，冷凝成液氨，然后進(jìn)入蒸發(fā)器擴(kuò)散蒸發(fā)產(chǎn)生制冷效果；氨氣再回到吸收器中被貧氨溶液吸收成為富氨溶液循環(huán)使用。

如圖1所示為吸收式制冷系統(tǒng)工作原理。

圖1 吸收式制冷系統(tǒng)工作原理圖

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

4.1 裝置自耗電

余熱制冷裝置自耗電255.5 kW/h，全年運(yùn)行8 000 h，在相同制冷量前提下，余熱制冷機(jī)組為氨壓縮配套的蒸發(fā)式冷凝器與電驅(qū)式冰機(jī)配套的蒸發(fā)式冷凝器耗電相同，此處能耗的計(jì)算相互抵消。

余熱裝置增加全年電耗費(fèi)用為：

255.5×8 000×0.62 =126.7萬元(不含稅電價(jià)0.62元/kW·h)

4.2 循環(huán)冷卻水耗電

循環(huán)水系統(tǒng)的用水總量約為1 150 m3/h，按1%計(jì)算蒸發(fā)量，補(bǔ)充水量約為11.5 m3/h。

余熱制冷機(jī)組與電驅(qū)式冰機(jī)配套的蒸發(fā)式冷凝器相同，其補(bǔ)充水量也相同，此處相互抵消。

機(jī)組每年消耗水的水費(fèi)為(水費(fèi)按照7.0元/t計(jì))：

11.5×8 000×7.0 = 64.4萬元

4.3 螺桿冰機(jī)電耗費(fèi)用

雙噸產(chǎn)品冰機(jī)電耗為39.59 kW·h/雙噸；每100雙噸產(chǎn)品，共需要氨75.92 t，外供氨33 t，冰機(jī)外冷間循環(huán)氨共75.92-33=42.92 t。

則得出制每噸液氨電量為39.59/42.92×100=92.24 kW。若以每小時(shí)生產(chǎn)液氨22 t，每年運(yùn)行8 000 h計(jì)算，總年耗電量為8 000×22×92.24=16 234 240 kW。電價(jià)0.62元/kWh，則螺桿冰機(jī)年耗電費(fèi)為1 006.5萬元。

4.4 年節(jié)約費(fèi)用

C年節(jié)約量=C原冰機(jī)耗電費(fèi)-C新建機(jī)組增加電費(fèi)-C新建機(jī)組補(bǔ)水=1 006.5-126.7-64.4=815.4萬元

綜上所述，采用余熱制冷機(jī)組取代原有機(jī)組后，年節(jié)約電量1 419萬kW·h，減少碳排放14 147 t，每年可節(jié)約各項(xiàng)費(fèi)用總計(jì)815.4萬元，以余熱制冷機(jī)組設(shè)計(jì)使用年限15年計(jì)，節(jié)能收益可達(dá)12 231萬元。

5 結(jié) 語

近幾年國家對(duì)環(huán)保越來越重視，以政策為準(zhǔn)繩，不斷完善工藝技術(shù)，成為每個(gè)化工企業(yè)亟需解決的問題。余熱制冷技術(shù)替代聯(lián)堿冰機(jī)，充分利用低溫蒸汽等低溫余熱資源，提高了系統(tǒng)的效率，并且大大減少了整體用電量，減少溫室氣體的排放，實(shí)現(xiàn)了綠色能源的全新理念，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。