中小型化肥厂余热资源分析与利用

2013-08-20王煜东师文龙沈培玉

节能技术 2013年5期

王煜东，师文龙，沈培玉，李立

(1.河北省邯郸市热力公司，河北邯郸 056000;2.哈尔滨工大金涛科技股份有限公司，黑龙江哈尔滨 150001)

0 引言

我国中小化肥厂有900余家，多数厂仍采用固定床间歇式气化炉，以块状无烟煤或焦炭为原料，以空气和水蒸气为气化剂，在常压下生产合成原料气或燃料气，其中，主要是半水煤气。

利用半水煤气合成氨或制造氮肥的技术，是上个世纪30年代开发成功的，投资少，容易操作。但是，该技术气化率低、原料单一、能耗高，目前已属落后的技术。在半水煤气合成氨的间歇制气过程中，大量吹风气排空，每吨合成氨吹风气放空多达5 000 m3，放空气体中含 CO、CO2、H2、H2S、SO2、NOx及粉灰;煤气冷却洗涤塔排出的污水含有焦油、酚类及氰化物，造成环境污染。随着能源政策和环境的要求越来越高，不久的将来，半水煤气合成氨势必会逐步为新的煤气化技术所取代［1－5］。

对于现有的还不能关停的这些高能耗的中小化肥厂，如何降低能耗，减少碳排放，同时提高企业经济效益，成为关系到企业生死存亡的亟待解决的大问题。

1 半水煤气合成氨的工艺

首先，用无烟煤或焦炭为原料，碳与水蒸气在高温中反应，制得水煤气

所得水煤气，经过喷淋塔净化后，再使它与水蒸气一起在转换器中，通过触媒，水煤气中的的CO转化成CO2

可得到含氢量在80%以上的水煤气气体。再压入水中以溶去CO2，再通过含氨蚁酸亚铜(或含氨乙酸亚铜)除去溶液中残存的CO而得较纯氢气。

再由氮气和氢气直接合成氨，这是目前工业普遍采用的直接合成法。

该反应为可逆反应，合成氨的反应条件为高温高压同时有催化剂作用。

2 中小化肥厂余热资源分析

我们选取了两个利用半水煤气合成氨的中小化肥厂，其中的小型化肥厂每小时生产2万Nm3水煤气，另一个中型化肥厂每小时生产20万Nm3水煤气。根据上述半水煤气合成氨的工艺路线，我们对两个化肥厂半水煤气合成氨的全部工艺过程的余热资源，进行了实地检测，得出了几点认识。

2.1 余热资源共同特点

尽管不同的化肥厂利用半水煤气合成氨的中小化肥厂的生产设备不完全相同，余热资源的多少也不在一个数量级上，但余热资源在半水煤气合成氨工艺路线上的分布情况、主要余热资源的携带者、以及余热资源与水煤气生产量的关系等余热资源特点，却是完全相同。所以，针对一两个化肥厂的余热资源的调查分析，得出的结论可用于其它化肥厂作参考。

2.2 主要余热资源在水煤气中

半水煤气合成氨的生产工艺可分为前后两部分:水煤气生产工艺和合成氨生产工艺。经过现场实地调查，可回收利用的余热资源主要集中在水煤气生产工艺。

如图1所表示的水煤气生产工艺中，余热资源集中在煤气发生炉生产的水煤气携带的热量，并体现在洗涤塔进出冷却水大幅升温。

图1 半水煤气生产工艺流程

利用半水煤气合成氨的中小化肥厂，每小时生产几万到几十万标准立方米的水煤气，水煤气从发生炉出来时，温度在150℃以上，依次经过2到4个洗涤塔向冷却水放热，冷却水将水煤气热量带走。这部分热量占中小化肥厂的可利用余热资源的60%左右，而且比较容易回收。

利用余热回收装置，充分回收洗涤塔冷却水的热量，就能有效地利用中小化肥厂的余热资源。

2.3 余热资源热力计算方法

考虑半水煤气中各组分的摩尔成分:CO 30%，CO28%，H238%，N224%。

半水煤气的平均摩尔质量z为

Z=(28×30+44×8+2×38+28×24)/100=19 g/mol

当半水煤气从煤气发生炉出炉时，是含有30%的水蒸气的湿煤气，湿煤气中各组分的摩尔成分为

CO 21%，CO26%，H227%，N216%，H2O(蒸汽)30%。

湿煤气的平均摩尔质量在19～18 g/mol之间，与水蒸气的摩尔质量18 g/mol非常接近。

根据湿煤气平均摩尔质量与水蒸气比对结果，对于湿煤气的部分热力性质，作出下述简化:

(1)湿煤气的密度和定压质量比热，可以按照水蒸气考虑;

(2)湿煤气中水蒸气的摩尔成分，容积成分和质量成分，三者相等。

根据上述简化，进行热量的计算结果，误差不会超过5%。

湿煤气中的水蒸气在喷淋塔中凝结放热，是余热资源的主要部分。

为计算水煤气在各级喷淋塔中的放热，结合实际情况和上述简化，再作几点具体的假定:

(1)进出喷淋塔，水煤气的压力没有变化，即忽略风机做功对余热资源的影响;

(2)喷淋塔对外不散热;

(3)不考虑喷淋水因受热蒸发，对水煤气加湿的影响;

(4)水煤气的密度为0.9 kg/Nm3，水煤气的质量比热容为 1.8 kJ/(kg·℃)。

如果水煤气发生炉每小时生产20万Nm3水煤气(水煤气的密度为 0.9 kg/Nm3，含水蒸气为30%)，基中含水蒸气的量M为

M=0.9kg/Nm3×200000Nm3×30%=54000kg=54 t

每小时有温度为150℃的水煤气20万Nm3，进入喷淋塔冷却放热，水煤气出喷淋塔时温度为50℃。湿煤气中水蒸气分压力，等于湿煤气总压力乘以水蒸气的摩尔成分。当水煤气总压力p为0.1 MPa时，水蒸气分压力 Pv为 0.03 MPa，对应 0.03 MPa的水的饱和温度为69℃。

每小时水煤气20万Nm3，降温放热热负荷q1为

q1=0.9kg/Nm3×200000Nm3×1.8kJ/(kg.℃)×(150℃ －50℃)/3600s=9 000 kW

湿煤气中水蒸气从69℃开始产生凝结放热，降到50℃，计算放热热负荷q2。(査水蒸气表得知:湿煤气69℃时，每立方米空间有水蒸气0.19 kg;湿煤气50℃时，每立方米空间有水蒸汽0.08 kg)。

q2= (0.19kg/Nm3－ 0.08kg/Nm3) ×200000Nm3×2350kJ/kg×3600s=14 361 kW

式中 2 350 kJ/kg——水蒸气平均汽化潜热。

喷淋塔的喷淋冷却水带走的总放热热负荷Q为

2.4 半水煤气合成氨工艺中的另类余热资源

半水煤气合成氨的生产工艺分为前后两部分:水煤气生产工艺和合成氨生产工艺。在合成氨生产工艺中，要对水煤气进行净化，总量减少57%，成为仅含氢气和氮气的原料气，再对原料气进行压缩，第一次压缩到0.3 MPa，120℃，然后定压放热降温到50℃，再压缩到 0.9 MPa，120℃，再定压放热降温到50℃。对前后两次放热量进行回收，这可称之为另类余热资源，它是由压缩机耗费电能转化来的。

可认为原料气的定压质量比热容与压力无关，前后两次不同压力下的放热热负荷计算方法相同。水煤气进行净化后，总量减少到原来的43%。总回收的热负荷Q为

Q=0.9kg/Nm3×200000Nm3×43% ×1.8kJ/(kg·℃)×(120℃ －50℃)×2/3600s=7 740 kW

3 中小化肥厂余热回收方法

利用半水煤气合成氨生产的中小化肥厂的余热资源有两大块:一是在喷淋塔内，对出炉水煤气进行接触式喷淋降温，得到的温度较高但较脏的喷淋水;二是压缩升温的原料气，在空冷器的水平列管内，与管外冷却水换热，得到的比较纯净但温度较低的冷却水。两种余热水很不相同，推荐采用不同的方法回收余热。

3.1 回收高温喷淋水余热

从喷淋塔内得到的喷淋水，温度超过70℃，但含有许多杂质，包括煤灰，如果采用普通的管壳式换热器或板式换热器回收余热，使用不多久，就会积垢甚至堵塞。我们采用了流道式污水专用换热器，很好的解决了这个问题。流道式污水专用换热器的结构，如图2所示。

图2 流道式污水专用换热器

流道式污水专用换热器是适用于污水和清水换热的高效间壁式换热器。它在污水侧有流畅的通道，不易积垢，不堵塞，流速高，换热好;它清水侧流道紧凑，设有若干间壁，增大传热面积。污水与清水逆流换热，二者传热温差可以小于3℃。

流道式污水专用换热器在污水流道的两端，设有前后两个清理门，打开清理门，全部污水通道暴露出来，便于定期检查和清理。

3.2 回收低温冷却水余热

压缩升温的原料气，在空冷器的水平列管内，与管外冷却水换热，得到的比较纯净但温度较低的冷却水。对合成氨原料气进行降温的空冷器的冷却水温度，大约为40℃。对于40℃左右的低温余热水，如果直接用换热器进行换热，得到的热量温度低，不能用于建筑供暖。如果想从40℃左右的低温余热水中提取热量，用于建筑供暖，必须将温度提高到50℃以上，只能用热泵进行余热回收。

喷射式热泵如图3所示，它的工作原理是以蒸汽膨胀前后的能量差为动力，高压蒸汽通过喷嘴时产生高速气流，在喷嘴出口处产生低压区，将低压低温蒸汽吸入，高压蒸汽压缩低压低温蒸汽，使后者升压升温，然后通过混合室进行混合，再通过扩压室升压后供给热用户使用。喷射式热泵适用于化工厂余热回收，它不耗费电能，用高压蒸汽作为能源。