硝酸生產(chǎn)中液氨冷量利用技術(shù)方案探討

趙金珍

中化二建集團(tuán)有限公司 山西太原 030021

氨氧化制硝酸工藝技術(shù)有近百年的發(fā)展歷史，隨著生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，生產(chǎn)過程中合理利用能源、節(jié)能降耗已成為衡量硝酸工業(yè)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。硝酸生產(chǎn)過程中，蒸氨器需以蒸汽等作為熱源，先把液氨加熱氣化成一定溫度和壓力的氣氨，再進(jìn)入后續(xù)的硝酸生產(chǎn)工序。而液氨轉(zhuǎn)化為氣氨過程中釋放大量的冷量，為保證連續(xù)獲得氣氨，這部分冷量需要及時吸收。通常情況下，現(xiàn)有工藝技術(shù)一般設(shè)置2—3 臺氨蒸發(fā)器。

理論上，回收硝酸過程中氣態(tài)氨與氧化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的化學(xué)熱，用以副產(chǎn)蒸汽，產(chǎn)出的蒸汽完全能夠保障整個工藝系統(tǒng)利用。但由于在液氨蒸發(fā)過程中，液氨的冷量被白白浪費掉，造成能源的浪費。如何減少不必要的蒸汽用量，降低工藝系統(tǒng)的蒸汽消耗，以及提高系統(tǒng)的能量利用效率，是當(dāng)下氨氧化制硝酸工藝系統(tǒng)節(jié)能降耗的課題之一。

1 氨氧化法硝酸生產(chǎn)工藝簡介

硝酸的生產(chǎn)過程按照氧化壓力和吸收壓力設(shè)置的不同，可以形成5 種基型，如常壓氧化與常壓吸收、常壓氧化與中壓吸收、中壓氧化與中壓吸收、中壓氧化與高壓吸收、高壓氧化與高壓吸收。此5 種基型的流程均屬于氨接觸氧化法制硝酸原理，遵循氨- 空氣混合氣制備、氨氧化物制NO、NOx 吸收制酸、氮氧化物的脫除、尾氣能量回收等5個步驟[1]。

目前常用的技術(shù)方案是利用廢熱鍋爐回收化學(xué)反應(yīng)放出的熱量并轉(zhuǎn)化為蒸汽，再由蒸汽驅(qū)動空氣壓縮機(jī)（透平）和氧化氮壓縮機(jī)（透平）為系統(tǒng)提供能量。但在實際運行過程中，由于受流程設(shè)計、設(shè)備布置、換熱器數(shù)量及氧化爐- 廢熱鍋爐選型等因素影響，系統(tǒng)自產(chǎn)的中壓蒸汽產(chǎn)量不足，多數(shù)裝置蒸汽系統(tǒng)不能達(dá)到自平衡，從而導(dǎo)致裝置達(dá)不到滿負(fù)荷運行；又使系統(tǒng)壓力低，從而導(dǎo)致尾氣排放濃度高等一系列問題。

而液氨蒸發(fā)氣化生產(chǎn)氣氨過程中，會吸收熱源的熱量，使周圍環(huán)境“變冷”，從而產(chǎn)生大量冷量。若能將此冷量利用起來，可達(dá)到副產(chǎn)蒸汽自給有余，降低蒸汽系統(tǒng)對制酸系統(tǒng)穩(wěn)定運行的影響，使氨氧化制硝酸系統(tǒng)中的能量利用更趨于合理，進(jìn)一步降低系統(tǒng)能耗、投資及運行費用。

以山西省某化工企業(yè)液氨(17 萬t/ a)制硝酸項目為研究對象，通過測算其原有技術(shù)方案液氨蒸發(fā)過程的冷量及蒸汽量，并結(jié)合項目原有技術(shù)方案特征，提出以循環(huán)水回水、透平乏氣替代蒸汽作液氨蒸發(fā)器熱源，以此改變吸收液氨冷量的方式，達(dá)到節(jié)能降耗、系統(tǒng)優(yōu)化的目的。

2 液氨蒸發(fā)冷量核算

2.1 硝酸產(chǎn)能測算

項目年消耗液氨17 萬t（100%計），年設(shè)計操作7200h 計，氨氣氧化轉(zhuǎn)化率為96%，NOX的吸收率為99%，氨的總利用率為95.04%，不考慮副反應(yīng)。反應(yīng)方程如下：

各 物 質(zhì) 的 摩 爾 量：NH3，17g/ mol；HNO3，63g/ mol；NO，30g/ mol；NO2，46g/ mol。

當(dāng)液氨量為17 萬t 時，對應(yīng)的摩爾量為：17×10000×1000÷17=1×107kmol

則對應(yīng)硝酸的理論產(chǎn)量為（以每噸100%硝酸計）：1×107×63=63×107kg=63 萬t

考慮95.04%氨的利用率，則硝酸的實際產(chǎn)量為：63×95.04%=59.88 萬t則硝酸每小時產(chǎn)量為：59.88÷7200=83.16t/ h液氨每小時消耗量為：17÷7200=23.61t/ h

2.2 液氨冷量及蒸汽量測算

氨- 蒸汽方案中的冷流體為液氨，其進(jìn)口溫度40℃、出口溫度40℃，壓力1.6MPa，質(zhì)量23610kg/ h；熱流體為飽和蒸汽，其溫度151℃，壓力0.5MPa，汽化熱2104kJ/ kg。

冷流體吸熱量（Qc）計算公式見式（1）。

式中：Qc——冷流體吸熱量，kJ/ h；

mc——冷流體流量，kg/ h；

Hc——冷流體汽化潛熱，kJ/ kg。

由40℃液氨的飽和蒸汽壓1.55MPa[2]可知，40℃、1.6MPa 條件下液氨蒸發(fā)氣化為40℃、1.6MPa 條件下氣氨的過程，吸熱量僅涉及液相和氣相的焓變(即汽化潛熱)，不涉及流體變溫過程的焓變。熱流體放熱量（Qh）計算公式見式（2）。

式中：Qh——熱流體放熱量，kJ/ h；

mh——熱流體流量，kg/ h；

Hh——熱流體汽化潛熱，kJ/ kg。

假設(shè)冷熱兩流體換熱過程均無化學(xué)變化，冷熱兩流體換熱過程均為單一相流體（不考慮氣液平衡），不考慮冷熱兩流體換熱過程的熱損失和物質(zhì)損失。圖1 為氨- 蒸汽方案反應(yīng)流程簡圖。

圖1 氨- 蒸汽方案反應(yīng)流程簡圖

液氨40℃汽化潛熱為263kcal/ kg[3]，0.5MPa 飽和蒸汽汽化潛熱Hh=2104kJ/ kg[2]，當(dāng)Qh=Qc即可得到所需飽和蒸汽量。

本項目液氨氣化冷量：Qc=mc×Hc=23610×263×4.1868=25997641.52kJ/ h

由Qh=Qc可知，飽和蒸汽量：

由上述計算可知，本項目23.61t/ h 液氨蒸發(fā)氣化過程中的冷量為25997641.52kJ/ h，原技術(shù)方案吸收這部分冷量需要消耗12.4t/ h 飽和蒸汽，年消耗蒸汽約9 萬t。

3 新技術(shù)方案分析

以降低項目蒸汽消耗、優(yōu)化系統(tǒng)用能為目的，提出以工藝過程中的循環(huán)水回水、透平乏氣替代蒸汽作吸收液氨冷量的兩種技術(shù)方案，并通過計算分析兩種方案的效果。

3.1 液氨冷量用于循環(huán)水冷卻方案

液氨冷量用于循環(huán)水冷卻方案中冷流體為液氨，其進(jìn)口溫度40℃、出口溫度40℃，壓力1.6MPa，質(zhì)量23610kg/ h；熱流體為循環(huán)水，其進(jìn)水溫度42℃、出水溫度32℃，壓力0.5MPa。

熱流體放熱量計算式見式（3）。

式中：Qh——熱流體放熱量，kJ/ h；

mh——熱流體流量，kg/ h；

Cp——熱流體定壓比熱容，kJ/（kg·K）；

t1——熱流體進(jìn)口溫度，℃；

t2——熱流體出口溫度，℃。

假設(shè)冷熱兩流體換熱過程均無化學(xué)變化，冷熱兩流體換熱過程均為單一相流體（不考慮氣液平衡），不考慮冷熱兩流體換熱過程的熱損失和物質(zhì)損失。圖2 為液氨冷量用于循環(huán)水冷卻方案反應(yīng)流程簡圖。

圖2 液氨冷量用于循環(huán)水冷卻方案反應(yīng)流程簡圖

液氨40℃汽化潛熱為263kcal/ kg[3]，循環(huán)水回水溫度t1=42℃、t2=32℃，平均溫度37℃。此條件下水的定壓比熱容Cp=4.18kJ/ (kg·K)[2]，當(dāng)Qh=Qc時即可得到循環(huán)水的量。

液 氨 氣 化 吸 熱 量：Qc=mc×Hc=23610 ×263 ×4.1868=25997641.52kJ/ h

由Qh=Qc可知，循環(huán)水量：mh=Qc÷[Cp×（t1-t2）]=25997641.52÷[4.18×（42- 32）]=622t/ h

由上述計算可知，吸收23.61t/ h 液氨蒸發(fā)氣化的冷量需要622t/ h 循環(huán)水。

通過該方案，對工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的積極效果在于：

（1）通過液氨蒸發(fā)氣化吸熱原理，可提供穩(wěn)定且可控的冷量來源，受季節(jié)因素影響較小，避免因季節(jié)因素導(dǎo)致的循環(huán)水水耗升高的情況；

（2）通過與氨- 蒸汽方案對比，可節(jié)省12.4t/ h 的蒸汽量，全年節(jié)省蒸汽量達(dá)9 萬t；

（3）可降低循環(huán)水系統(tǒng)冷卻塔負(fù)荷和投資。

3.2 液氨冷量用于透平乏氣方案

液氨冷量用于透平乏氣方案中，冷流體為液氨，其進(jìn)口溫度40℃、出口溫度40℃，壓力1.6MPa，質(zhì)量23610kg/ h。熱流體為透平乏氣，其溫度90℃，壓力70kPa，汽化潛熱2283KkJ/ kg。

冷流體吸熱和熱流體放熱的計算公式同式（1）和式（2）。液氨冷量用于透平乏氣方案反應(yīng)流程簡圖見圖3。

圖3 液氨冷量用于透平乏氣方案反應(yīng)流程簡圖

液氨40℃汽化潛熱為263kcal/ kg[3]，透平乏氣70kPa 條件下飽和蒸汽的汽化潛熱Hh=2283kJ/ kg，密度ρ=0.422kg/ m3[4]，當(dāng)Qh=Qc時即可得到乏氣冷卻量。

液 氨 氣 化 吸 熱 量：Qc=mc×Hc=23610 ×263 ×4.1868=25997641.52kJ/ h

由Qh=Qc可知，冷卻的透平乏氣量：

折合乏氣體積：

V=mh/ρ=11.4×1000÷0.422=27014.2m3/ h

冷卻循環(huán)水的進(jìn)水溫度t3=20℃，出水溫度t4=33℃，平均溫度26.5℃，壓力0.25MPa。該條件下定壓比熱容Cp=4.18kJ/ (kg·K)[2]。

冷卻循環(huán)水量：ml=Qc÷[Cp×(t4-t3)]=25997641.52÷[4.18×(33- 20)]=478425.5kg/ h=478.4t/ h

由上述計算可知，吸收23.61t/ h 液氨蒸發(fā)氣化的冷量需要11.4t/ h（折合27014.m3/ h）透平乏氣量，由此可節(jié)省478.4t/ h 冷卻循環(huán)水量。

通過該方案，對蒸汽透平（汽輪機(jī)）系統(tǒng)的積極效果在于：

（1）減少汽輪機(jī)凝氣系統(tǒng)的冷卻水負(fù)荷，進(jìn)而降低循環(huán)水系統(tǒng)的循環(huán)動力負(fù)荷，降低系統(tǒng)能耗和運行成本；

（2）減少汽輪機(jī)系統(tǒng)凝汽器的冷卻面積，降低設(shè)備投資；

（3）有利于穩(wěn)定乏氣凝結(jié)水的過冷度，維持系統(tǒng)穩(wěn)定運行；

（4）因液氨氣化過程吸熱速度較循環(huán)水吸熱速度快，使熱交換過程的速率及推動力加大，換熱效率提高。

4 應(yīng)用效果分析

原有以蒸汽為熱源技術(shù)方案中，年消耗蒸汽量近9萬t，硝酸生產(chǎn)過程回收余熱年產(chǎn)蒸汽約58 萬t。而系統(tǒng)透平機(jī)組蒸汽年用量近58 萬t，裝置在建成投產(chǎn)運行過程中系統(tǒng)熱量不平衡，蒸汽不能自給，需外供9 萬t/ a 蒸汽維持裝置運行。通過技術(shù)方案改進(jìn),液氨冷量用于循環(huán)水回水或透平乏氣，將其替代蒸汽作為液氨蒸發(fā)器熱源，可節(jié)省外購蒸汽量約9 萬t。按1t 蒸汽折0.1t 標(biāo)煤測算，節(jié)省這部分蒸汽每年將節(jié)省約0.9 萬t 標(biāo)煤；按100 元/ t蒸汽價格，每年節(jié)省蒸汽費用900 余萬元。

原方案中噸硝酸（100%硝酸計）設(shè)計循環(huán)水用量約160m3，按照83.16t/ h 硝酸差能計算，循環(huán)水量為13305.6m3/ h。液氨冷量用于透平乏氣，將其替代蒸汽作為液氨蒸發(fā)器熱源，可節(jié)省478.4t/ h 冷卻循環(huán)水量，占原有循環(huán)水量的3.6%，按照1t 循環(huán)水折0.143kg 標(biāo)煤測算，每年可節(jié)省約500t 標(biāo)煤的能量消耗；液氨冷量用于循環(huán)水，可節(jié)省622t/ h 冷卻循環(huán)水量，占原有循環(huán)水量的4.7%，每年可節(jié)省標(biāo)煤約640t。

5 結(jié)語

（1）液氨冷量用于循環(huán)水回水技術(shù)方案，年節(jié)省蒸汽量近9 萬t，可減少蒸汽費用900 余萬元，每噸硝酸生產(chǎn)成本減少15 余元，年節(jié)省標(biāo)煤約0.9 萬噸。同時，有利于穩(wěn)定硝酸生產(chǎn)系統(tǒng)熱源裝置循環(huán)水的進(jìn)水溫度，保障循環(huán)水系統(tǒng)的冷卻效果，并減少循環(huán)水系統(tǒng)的冷卻裝置投資。

（2）液氨冷量用于透平乏氣的技術(shù)方案，可減少硝酸系統(tǒng)478.4t/ h 冷卻循環(huán)水量，年節(jié)省標(biāo)煤約500t。

除上述技術(shù)方案外，液氨制硝酸過程中液氨蒸發(fā)制氣氨過程中的冷量應(yīng)用途徑還有很多。因該液氨制硝酸工程項目上下游均有配套工程系統(tǒng)，可以通過與上下游的焦化工程系統(tǒng)、干熄焦工程系統(tǒng)、制氨工程系統(tǒng)、自備電廠、化肥工程系統(tǒng)等進(jìn)行能量匹配，實現(xiàn)項目工程系統(tǒng)能量的梯級利用和節(jié)能減排。