第二類溴化鋰吸收式熱泵機組在蒸氨系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要：結(jié)合第二類溴化鋰吸收式熱泵的運行特性，以及焦化行業(yè)中蒸氨的工藝特點，詳盡闡述了第二類溴化鋰吸收式熱泵原理、蒸氨系統(tǒng)工藝。研究表明，第二類溴化鋰吸收式熱泵技術(shù)在蒸氨系統(tǒng)中節(jié)能降耗效果顯著，具有廣闊的發(fā)展前景和推廣價值。

關(guān)鍵詞：第二類溴化鋰吸收式熱泵；蒸氨系統(tǒng)；節(jié)能降耗

THE APPLICATION OF THE SECOND-TYPE OF LITHIUM BROMIDE ABSORPTION HEAT PUMP UNIT IN THE AMMONIA STRIPPING SYSTEM

Han Shiqing1 Wang Songlin2 Huang Mingshuo1 Yu Hailu2

（1.Sonyo Refrigeration （Dalian） Co.， Ltd. Dalian 116600，China；2.ACRE Coking amp; Refractory Engineering Consulting Corporation （Dalian），MCC Dalian 116085，China）

Abstract：This paper combines the operating characteristics of the second-type of lithium bromide absorption heat pump with the process characteristics of ammonia distillation in the coking industry to elaborate in detail on the principle of the second type of lithium bromide absorption heat pump and the process of the ammonia distillation system. Research shows that the second-type of lithium bromide absorption heat pump technology has a remarkable effect on energy conservation and consumption reduction in the ammonia distillation system， and it has broad development prospects and popularization value.

Keywords： Second-type of lithium bromide absorption heat pump; Ammonia stripping system; Energy conservation and consumption reduction

0 引 言

目前，國內(nèi)外研究更加關(guān)注蒸氨系統(tǒng)的環(huán)保性能和可持續(xù)發(fā)展。一方面，致力于減少蒸氨過程中的廢水、廢氣排放，降低對環(huán)境的污染；另一方面，探索將蒸氨過程與其他環(huán)保技術(shù)集成，如將蒸氨產(chǎn)生的廢熱用于其他工藝或能源回收，實現(xiàn)資源的最大化利用和能源的循環(huán)利用，以提高整個生產(chǎn)過程的環(huán)境友好性和資源利用效率。

在焦化系統(tǒng)中，蒸氨是廢水處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的蒸氨工藝往往伴隨著較高的能耗和一定程度能源的浪費，尋求高效的余熱回收利用技術(shù)成為行業(yè)發(fā)展的重要方向。第二類溴化鋰吸收式熱泵以其獨特的優(yōu)勢在蒸氨系統(tǒng)中展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，它能夠有效地利用塔頂廢氣，提高系統(tǒng)的能源利用效率，減少能源消耗和環(huán)境污染。

1 第二類溴化鋰吸收式熱泵循環(huán)原理

第二類溴化鋰吸收式熱泵機組，是指以水為制冷劑，溴化鋰溶液為吸收劑，利用低品位熱源驅(qū)動，在通入冷卻水的條件下，制取高品位熱源的設(shè)備[1]。

第二類溴化鋰吸收式熱泵的特長是不使用高溫驅(qū)動熱源，僅使用中低溫熱源就可以制取溫度高于中低溫熱源溫度的熱水或蒸汽，并且耗電量非常?。ㄖ饕碾娫O(shè)備為屏蔽泵）。它利用溴化鋰溶液在不同的溫度和濃度下對水蒸氣的吸收和釋放特性來實現(xiàn)熱量的轉(zhuǎn)移。圖1是第二類溴化鋰吸收式熱泵的循環(huán)原理圖。第二類溴化鋰吸收式熱泵主要由吸收器、蒸發(fā)器、冷凝器、再生器、熱交換器、屏蔽泵、真空泵、溴化鋰溶液等部件組成。

中低溫熱源（如蒸氨系統(tǒng)塔頂蒸汽）分別通入熱泵機組蒸發(fā)器和再生器中。在蒸發(fā)器內(nèi)，冷媒水吸收中低溫熱源的熱量，由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)。冷媒蒸汽（H2O）流入吸收器后，被吸收器中的濃溴化鋰溶液吸收，放出大量的熱，加熱吸收器換熱管內(nèi)的高溫熱水。高溫熱水用于工藝熱源使用，如用于蒸氨系統(tǒng)塔底加熱。也可增加一套閃蒸系統(tǒng)，通過閃蒸系統(tǒng)制取一定壓力的飽和蒸汽。濃溴化鋰溶液吸收水蒸氣后變成稀溴化鋰溶液，吸水性變差。為保證濃溴化鋰溶液強吸水性，需要將溶液中的水蒸發(fā)。由于吸收器和再生器內(nèi)部壓力不同，稀溶液由吸收器經(jīng)熱交換器后流入再生器中。在再生器中，稀溶液被中低溫驅(qū)動熱源（如蒸氨系統(tǒng)塔頂蒸汽）加熱濃縮成濃溶液，通過吸收液泵（屏蔽泵）經(jīng)熱交換器后流入吸收器中，溶液往復循環(huán)。隨著再生器中的冷媒蒸汽不斷增多，機組內(nèi)部壓力逐漸升高。為保證機組內(nèi)部壓力恒定，將冷卻水通入冷凝器中，使冷媒蒸汽由氣態(tài)變成液態(tài)，由冷媒泵（屏蔽泵）送往蒸發(fā)器中。綜上所述：溴化鋰溶液在吸收器和再生器中往復循環(huán)。冷媒蒸汽在蒸發(fā)器、吸收器、再生器、冷凝器中往復循環(huán)。根據(jù)能量守恒，蒸發(fā)器和再生器吸收的熱量等于吸收器和冷凝器釋放的熱量。

第二類溴化鋰吸收式熱泵性能系數(shù)（COP）小于1，一般為 0.3～0.5。與傳統(tǒng)蒸汽直接蒸氨工藝相比，第二類溴化鋰吸收式熱泵不增加廢水量，節(jié)能效果顯著。同時，它具有較高的制熱溫度，輸出的熱水或蒸汽的溫度可在180 ℃以內(nèi)，能滿足蒸氨系統(tǒng)對熱源溫度的要求。

2 蒸氨系統(tǒng)概述

蒸氨工序主要是將焦化產(chǎn)生的化工分離廢水和剩余氨水進行蒸餾， 通過蒸氨處理， 降低其固定銨鹽的含量， 使廢水氨氮在250 mg/L 左右， 為下一步的生化處理進行必要的前期準備[2]。蒸氨技術(shù)可分為直接蒸氨工藝和間接蒸氨工藝。間接蒸氨工藝根據(jù)熱源的不同又可分為水蒸氣加熱、導熱油加熱和管式爐加熱三種，其工藝原理基本相同。

蒸氨系統(tǒng)主要由預熱單元、蒸氨塔、再沸器（部分系統(tǒng)有）、冷凝器、回流罐和回流泵（部分系統(tǒng)有）等組成。

蒸氨的原理是利用氨在水中的溶解度隨溫度升高而降低的特性，通過加熱使氨從氨水中揮發(fā)出來。在蒸氨過程中，氨水被加熱至沸點，氨和水蒸汽混合氣體逸出，塔頂氨汽經(jīng)過冷卻和分離等步驟得到濃氨水或氨氣，脫氨后的廢水則進一步處理。無論哪種蒸氨方式其能源消耗量都比較大，處理1 t剩余氨水需要160～200 kg蒸汽，如何節(jié)約能源是目前剩余氨水蒸餾技術(shù)的發(fā)展目標之一[3]。

3 第二類溴化鋰吸收式熱泵在蒸氨系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)流程說明

結(jié)合蒸氨系統(tǒng)的運行情況以及第二類溴化鋰吸收式熱泵的特點，在原有的蒸氨系統(tǒng)保持不變的前提下，并聯(lián)一套溴化鋰吸收式熱泵系統(tǒng)用于回收塔頂氨蒸氣。在塔頂配置一分流電動三通閥，該三通閥為起到系統(tǒng)切換作用。三通閥一條支路與原系統(tǒng)分縮器進行連接，另一條支路串聯(lián)溴化鋰吸收式二類熱泵機組連接。氨蒸氣在溴化鋰吸收式二類熱泵中釋放熱量之后的汽水混合物，在氣液分離器中進行分離，氣相氨去往飽和器制取硫銨或經(jīng)氨汽冷凝冷卻器冷凝成濃氨水產(chǎn)品，液相氨水返回蒸氨塔內(nèi)作為回流液。分縮器與吸收式熱泵系統(tǒng)并聯(lián)，當熱泵系統(tǒng)檢修維護時，切換至原系統(tǒng)冷卻氨蒸氣，以保證工藝正常穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，氨蒸氣在分縮器中釋放熱量之后的汽水混合物，氣相氨去往飽和器制取硫銨或經(jīng)氨汽冷凝冷卻器冷凝成濃氨水產(chǎn)品，液相氨水返回蒸氨塔內(nèi)作為回流液[4]。熱泵機組制取的高溫熱水用來加熱蒸氨廢水。具體運行流程如圖2所示。

系統(tǒng)中102 ℃（15 kPa.G）左右的塔頂氨蒸氣直接通入熱泵機組的蒸發(fā)器和再生器，經(jīng)熱泵機組后降溫至96 ℃（13 kPa.G）左右經(jīng)氣液分離器后液箱氨水回到蒸氨塔內(nèi)。塔頂氨蒸氣作為熱泵機組的熱源，產(chǎn)生130 ℃高溫熱水，經(jīng)熱水再沸器加熱蒸氨廢水，降溫至125 ℃后回到熱泵機組循環(huán)。此套系統(tǒng)較之目前眾多焦化企業(yè)的常規(guī)蒸氨，能夠節(jié)省約41％的低壓蒸汽消耗，降低約13％的循環(huán)水用量，運行成本降低34％[5]。

3.2 熱泵機組防腐措施

塔頂混合氣體含有硫化氫、氰化氫等強腐蝕性酸性氣體。為提高機組耐腐蝕性并防止泄露，與塔頂混合氣接觸的換熱管采用鈦管，水箱材質(zhì)采用不銹鋼，機組管板采用鈦復合板。換熱管與管板連接方式為先脹接后焊接的形式，保證換熱管與管板連接可靠性。

3.3 節(jié)能效果分析

HtHP=PtHP×copHP" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（1）

式中：HtHP為熱泵的產(chǎn)熱量，kW；PtHP為熱泵的輸入熱量，kW；CopHP為熱泵的性能系數(shù)。

以某焦化廠為例，蒸氨塔頂氨蒸氣溫度由

102 ℃降至96 ℃，回收熱量約3 790 kW，則熱泵的產(chǎn)熱量約為HtHP=3 790×0.48≈1 800 kW。

此部分熱量如折算成蒸汽，則公式如下：

L=HtHP×T÷△H" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（2）

式中：L為年節(jié)約水蒸汽量，t；T為年運行時間，h；△H為水蒸氣焓差，kcal/kg。

經(jīng)計算，年節(jié)約水蒸氣L=1 800×0.86×

8 000÷600≈20 640 t

4 結(jié) 論

第二類溴化鋰吸收式熱泵在焦化廠蒸氨系統(tǒng)中的應(yīng)用具有顯著的節(jié)能、環(huán)保效果。它通過有效回收蒸氨塔頂?shù)挠鄰U熱，減少了蒸氨過程中熱源的消耗，降低了運行成本，同時減輕了溫室氣體的排放和熱污染。實際應(yīng)用案例也證明了其運行的穩(wěn)定性、可靠性和高收益性，為焦化行業(yè)的節(jié)能減排提供了一種有效的技術(shù)途徑。

隨著技術(shù)的不斷進步，第二類溴化鋰吸收式熱泵的應(yīng)用范圍將進一步拓展。未來將進一步優(yōu)化熱泵的設(shè)計，提高其對廢熱的回收范圍和熱量輸出品質(zhì)。探索與其他工藝技術(shù)相結(jié)合的綜合應(yīng)用方案，在更多的工業(yè)領(lǐng)域推廣應(yīng)用，以應(yīng)對日益嚴格的能源和環(huán)境挑戰(zhàn)。

參考文獻

[1] 王汝金，張秀平，賈磊，等.第一、第二類溴化鋰吸收式熱泵機組標準解析[J].制冷與空調(diào)，2018，18（11）：64-68.

[2] 王興浩，尹文亮，熊英.焦化剩余氨水蒸氨工藝[J].廣州化工，2024，52（2）：33-34.

[3] 王嵩林，周志春，張素利，等.高效節(jié)能剩余氨水蒸餾技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].燃料與化工，2017，48（1）：54-55.

[4] 韓世慶，夏克盛，王鐵男，等.利用溴化鋰吸收式熱泵回收蒸氨塔塔頂氨汽余熱系統(tǒng)[P].中國：201611138615.6[P]，2022.7.5.

[5] 于海路，王嵩林，張素利，等.節(jié)能熱泵蒸氨技術(shù)的研發(fā)與生產(chǎn)實踐[J].燃料與化工，2021，52（3）：44-47.

第一作者：韓世慶，男，43歲，高級工程師