利用氨實現(xiàn)工業(yè)低品位熱能回收利用探究

左艷玲

(云南解化清潔能源開發(fā)有限公司解化化工分公司，云南 開遠 661699)

低品位余熱能量品質(zhì)低或能源密度低，一般不被人們重視，是較難回收的廢棄能源。但從節(jié)能減排和碳減排的格局劃分，低品位余熱利用將成為節(jié)能減排和碳減排的重要組成部分，將成為產(chǎn)能端和用能端節(jié)能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。對低品位余熱利用的研發(fā)與應(yīng)用技術(shù)具有巨大的現(xiàn)實意義。

1 工業(yè)熱能回收方式

在化學(xué)工業(yè)中，生產(chǎn)熱能以及使用熱能量非常大，隨之消耗的熱能也非常大，雖然企業(yè)在這一環(huán)節(jié)有采取節(jié)能措施，但是一般都是針對高品位熱能的回收與利用，而溫度小于 100 ℃ 的低品位熱能往往被浪費掉了。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，對于高品位熱能，比較好回收。以現(xiàn)代煤化工行業(yè)為例，工業(yè)流程中高品位熱能主要通過廢熱鍋爐的形式，將水轉(zhuǎn)化為不同壓力等級的蒸汽回收利用于原料蒸汽或動力蒸汽。一般能做到熱工藝介質(zhì)回收熱量副產(chǎn) 0.5 Mpa 等級低壓蒸汽，再向下熱能較難有效回收。工業(yè)生產(chǎn)過程中擁有大量的低位熱能，除了少量有脫鹽水裝置的企業(yè)利用工藝介質(zhì)加熱脫鹽水回收熱量等方式，大部分剩余熱量借助循環(huán)冷卻水裝置或空氣冷卻裝置將熱量移走，最終轉(zhuǎn)移到大氣中。

據(jù)統(tǒng)計，我國所有熱量中低品位熱能占有四分之一的比重，因此如何對低品位熱能進行回收和利用是非常值得探討的問題[2]。

目前在國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展的推動下，對于低品位能源回收取得了較大的進展，歸納下來可分為：熱泵技術(shù)、熱管技術(shù)、吸附制冷技術(shù)、溴化鋰吸收制冷技術(shù)和有機郎肯循環(huán)低溫余熱發(fā)電技術(shù)。各類技術(shù)并在實踐的檢驗中取得了廣泛的認可。許多先進技術(shù)和設(shè)備的開發(fā)利用，為低品位熱能被更好的利用創(chuàng)造了條件[4]。做為合成氨生產(chǎn)老牌企業(yè)，對于節(jié)能減排、綠色低碳的要求，筆者積極思考提出了一種以氨為載體進行工業(yè)余熱回收并轉(zhuǎn)化為機械能，實現(xiàn)低品位熱能再利用的一種新工藝、新流程。具體工設(shè)計原理、流程、效果分析如下。

2 利用氨實現(xiàn)低品位熱能回收的原理分析

目前大型火力發(fā)電、大型壓縮機組的動力拖動都采用蒸汽為載熱介質(zhì)，其核心是通過煤炭等化石燃料燃燒對水進行加熱，提升蒸汽壓力和蒸汽溫度，利用蒸汽在不同壓力和溫度下通過膨脹做功輸出，作為各類大型機組動力來源或用于發(fā)電。該種方式適合高品位熱量的使用，對于低品位熱量來說，因水的理化特性，不再適用。

本文采用氨作為做功載體，其原理和蒸汽輪機相同，通過液氨汽化過熱形成氣態(tài)氨，氣態(tài)氨膨脹過程就是壓降過程，由熱能轉(zhuǎn)化為動能，因為流體在控制體的進出口兩端存在壓差，所以才有流動。在汽輪機里流體是經(jīng)過噴嘴實現(xiàn)膨脹的，因為噴嘴兩端有壓差，所以氣態(tài)氨逐級流動，壓力不斷降低；氣態(tài)氨在膨脹的過程中實現(xiàn)加速，沖擊到汽輪機葉片而產(chǎn)生動力。葉片產(chǎn)生的是轉(zhuǎn)動扭矩，帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)矩傳遞到發(fā)電機或其他用能裝置。因氨的物化特性是在較高壓力下汽化溫度較低，以此可吸收低品位熱能，實現(xiàn)低品位熱能的回收利用。

3 利用氨實現(xiàn)低品位熱能回收的工藝

液氨與水相比，具有類似的特性，但在相同壓力條件下，液氨氣化需要的溫度遠低于水，在較低溫度下就可以實現(xiàn)熱量氣化，即可實現(xiàn)低位熱能的回收。液氨和水在不同壓力下的氣化溫度對比如表1。利用氨實現(xiàn)低品位熱能回收正是利用液氨在較高壓力下氣化溫度低，可以有效利用氣體高壓膨脹做功的原理實現(xiàn)機械能的回收。

表1 液氨及水飽和蒸汽壓與溫度對照表

表2 液氨與水不同壓力下氣化潛熱對照表

4 利用氨實現(xiàn)低品位熱能回收的工藝設(shè)計

本文熱能回收工藝設(shè)置利用6～10 MPa 的液氨，通過加熱氣化為氣氨，并適當(dāng)過熱，氣氨通過減壓膨脹進行機械能回收利用。

4.1 工藝流程

流程圖如圖1。流程包括第一加熱器、第二加熱器、膨脹機、冷卻器，通過管道順序連接設(shè)備。液氨通過第一加熱器加熱為飽和氣氨，回收低位熱量，氣氨進入第二加熱器進行二次加熱，實現(xiàn)一定的過熱度，即補充少部分高品質(zhì)熱提升熱能利用效率。氣氨通過膨脹機膨脹做功，再經(jīng)過冷卻器冷卻成液氨。液氨送去儲罐也可通過機泵提壓重新回到第一加熱器，循環(huán)使用。

圖1 低品位熱能回收利用工藝流程示意圖

4.2 工藝計算

對氨為載體實現(xiàn)低品味位熱能回收工藝，計算采用Aspen HYSYS物性包中Antoine、NBS Steam及Peng-Robinson進行評估，根據(jù)工藝流程建立仿真模型如下圖2。

圖2 低品位熱能回收利用工藝HYSYS流程模擬

計算過程液氨工況為 40 ℃、8.0 MPa，采用兩級換熱器對液氨進行加熱，總熱負荷 131.3 GJ，氨膨脹后工況為 46.5 ℃、1.6 MPa，膨脹機等熵效率設(shè)定為75%、多變壓縮效率73%，實現(xiàn)輸出機械能 17.6 GJ，低品位熱能轉(zhuǎn)化為機械能效率為13.4%。相對于熱泵、布朗循環(huán)熱回收效率5-25%，該工藝熱轉(zhuǎn)化效率處于中等偏上，是一種較好的低位熱回收利用工藝技術(shù)。

5 利用氨實現(xiàn)低品位熱能回收的工藝效果分析

化工生產(chǎn)過程介質(zhì)溫度在110～130 ℃，熱量不能有效回收時將產(chǎn)生低位熱的浪費，若回收低品位蒸汽，回收的蒸汽壓力約在0.15～0.25 MPa(a)。同樣 1 t 蒸汽壓力在 10.0 MPa(a)、溫度在 500 ℃ 條件下時，通過膨脹至常壓做功可產(chǎn)生205千瓦時軸功率。一噸蒸汽壓力在 0.23 MPa(a)、溫度在 125 ℃，通過本工藝流程，可產(chǎn)生 125 kW·h 軸功率。

液氨與水在相同壓力下氣化潛熱更低，承載相同的熱量時需要液氨質(zhì)量更多，產(chǎn)生的氣氨量更多，獲得的機械能更高。

6 利用氨實現(xiàn)低品位熱能回收工藝的優(yōu)勢和不足

本工藝流程回收利用低位熱能，適合回收利用低位熱介質(zhì)溫度在80～130 ℃，工業(yè)過程中該溫度范圍的低位熱多被循環(huán)水帶走，最終熱量排入大氣。該溫度范圍能夠較好的把8～10 MPa 液氨汽化，通過該工藝技術(shù)進行氣態(tài)氨膨脹做功，將低位熱能轉(zhuǎn)化為機械能，提高低位熱能利用效能，使低位能向機械轉(zhuǎn)化。

該工藝技術(shù)的優(yōu)勢是所需要的液氨易得、工藝流程簡單、是一種較好的低品位熱能的回收利用技術(shù)。

該工藝技術(shù)的優(yōu)勢不足是采用液氨介質(zhì)作為熱載體，由于液氨具有一定的危害性，屬于?；?，工業(yè)過程要求管道及機械設(shè)備的密封要求更為嚴格，防止氨泄漏。合成氨工藝技術(shù)已非常成熟，從目前的壓力管道及設(shè)備密封水平

7 利用氨實現(xiàn)低品位熱能回收的前景分析

利用氨實現(xiàn)低品位熱能回收工藝適合的應(yīng)用場景如：合成氨生產(chǎn)企業(yè)，液氨進入儲罐前進行勢能及低品位熱能的回收。也可用采取本工藝串聯(lián)在電廠蒸汽末端提高整體發(fā)電效能?？梢杂行У睦霉S的低品位能量，通過膨脹機帶動發(fā)電機發(fā)電，發(fā)電效率高、節(jié)能環(huán)保，應(yīng)用前景廣闊。