利用氨实现工业低品位热能回收利用探究

左艳玲

(云南解化清洁能源开发有限公司解化化工分公司，云南 开远 661699)

低品位余热能量品质低或能源密度低，一般不被人们重视，是较难回收的废弃能源。但从节能减排和碳减排的格局划分，低品位余热利用将成为节能减排和碳减排的重要组成部分，将成为产能端和用能端节能的关键环节[1]。对低品位余热利用的研发与应用技术具有巨大的现实意义。

1 工业热能回收方式

在化学工业中，生产热能以及使用热能量非常大，随之消耗的热能也非常大，虽然企业在这一环节有采取节能措施，但是一般都是针对高品位热能的回收与利用，而温度小于 100 ℃ 的低品位热能往往被浪费掉了。在工业生产过程中，对于高品位热能，比较好回收。以现代煤化工行业为例，工业流程中高品位热能主要通过废热锅炉的形式，将水转化为不同压力等级的蒸汽回收利用于原料蒸汽或动力蒸汽。一般能做到热工艺介质回收热量副产 0.5 Mpa 等级低压蒸汽，再向下热能较难有效回收。工业生产过程中拥有大量的低位热能，除了少量有脱盐水装置的企业利用工艺介质加热脱盐水回收热量等方式，大部分剩余热量借助循环冷却水装置或空气冷却装置将热量移走，最终转移到大气中。

据统计，我国所有热量中低品位热能占有四分之一的比重，因此如何对低品位热能进行回收和利用是非常值得探讨的问题[2]。

目前在国内外技术发展的推动下，对于低品位能源回收取得了较大的进展，归纳下来可分为：热泵技术、热管技术、吸附制冷技术、溴化锂吸收制冷技术和有机郎肯循环低温余热发电技术。各类技术并在实践的检验中取得了广泛的认可。许多先进技术和设备的开发利用，为低品位热能被更好的利用创造了条件[4]。做为合成氨生产老牌企业，对于节能减排、绿色低碳的要求，笔者积极思考提出了一种以氨为载体进行工业余热回收并转化为机械能，实现低品位热能再利用的一种新工艺、新流程。具体工设计原理、流程、效果分析如下。

2 利用氨实现低品位热能回收的原理分析

目前大型火力发电、大型压缩机组的动力拖动都采用蒸汽为载热介质，其核心是通过煤炭等化石燃料燃烧对水进行加热，提升蒸汽压力和蒸汽温度，利用蒸汽在不同压力和温度下通过膨胀做功输出，作为各类大型机组动力来源或用于发电。该种方式适合高品位热量的使用，对于低品位热量来说，因水的理化特性，不再适用。

本文采用氨作为做功载体，其原理和蒸汽轮机相同，通过液氨汽化过热形成气态氨，气态氨膨胀过程就是压降过程，由热能转化为动能，因为流体在控制体的进出口两端存在压差，所以才有流动。在汽轮机里流体是经过喷嘴实现膨胀的，因为喷嘴两端有压差，所以气态氨逐级流动，压力不断降低；气态氨在膨胀的过程中实现加速，冲击到汽轮机叶片而产生动力。叶片产生的是转动扭矩，带动转子旋转，转子将转矩传递到发电机或其他用能装置。因氨的物化特性是在较高压力下汽化温度较低，以此可吸收低品位热能，实现低品位热能的回收利用。

3 利用氨实现低品位热能回收的工艺

液氨与水相比，具有类似的特性，但在相同压力条件下，液氨气化需要的温度远低于水，在较低温度下就可以实现热量气化，即可实现低位热能的回收。液氨和水在不同压力下的气化温度对比如表1。利用氨实现低品位热能回收正是利用液氨在较高压力下气化温度低，可以有效利用气体高压膨胀做功的原理实现机械能的回收。

表1 液氨及水饱和蒸汽压与温度对照表

表2 液氨与水不同压力下气化潜热对照表

4 利用氨实现低品位热能回收的工艺设计

本文热能回收工艺设置利用6～10 MPa 的液氨，通过加热气化为气氨，并适当过热，气氨通过减压膨胀进行机械能回收利用。

4.1 工艺流程

流程图如图1。流程包括第一加热器、第二加热器、膨胀机、冷却器，通过管道顺序连接设备。液氨通过第一加热器加热为饱和气氨，回收低位热量，气氨进入第二加热器进行二次加热，实现一定的过热度，即补充少部分高品质热提升热能利用效率。气氨通过膨胀机膨胀做功，再经过冷却器冷却成液氨。液氨送去储罐也可通过机泵提压重新回到第一加热器，循环使用。

图1 低品位热能回收利用工艺流程示意图

4.2 工艺计算

对氨为载体实现低品味位热能回收工艺，计算采用Aspen HYSYS物性包中Antoine、NBS Steam及Peng-Robinson进行评估，根据工艺流程建立仿真模型如下图2。

图2 低品位热能回收利用工艺HYSYS流程模拟

计算过程液氨工况为 40 ℃、8.0 MPa，采用两级换热器对液氨进行加热，总热负荷 131.3 GJ，氨膨胀后工况为 46.5 ℃、1.6 MPa，膨胀机等熵效率设定为75%、多变压缩效率73%，实现输出机械能 17.6 GJ，低品位热能转化为机械能效率为13.4%。相对于热泵、布朗循环热回收效率5-25%，该工艺热转化效率处于中等偏上，是一种较好的低位热回收利用工艺技术。

5 利用氨实现低品位热能回收的工艺效果分析

化工生产过程介质温度在110～130 ℃，热量不能有效回收时将产生低位热的浪费，若回收低品位蒸汽，回收的蒸汽压力约在0.15～0.25 MPa(a)。同样 1 t 蒸汽压力在 10.0 MPa(a)、温度在 500 ℃ 条件下时，通过膨胀至常压做功可产生205千瓦时轴功率。一吨蒸汽压力在 0.23 MPa(a)、温度在 125 ℃，通过本工艺流程，可产生 125 kW·h 轴功率。

液氨与水在相同压力下气化潜热更低，承载相同的热量时需要液氨质量更多，产生的气氨量更多，获得的机械能更高。

6 利用氨实现低品位热能回收工艺的优势和不足

本工艺流程回收利用低位热能，适合回收利用低位热介质温度在80～130 ℃，工业过程中该温度范围的低位热多被循环水带走，最终热量排入大气。该温度范围能够较好的把8～10 MPa 液氨汽化，通过该工艺技术进行气态氨膨胀做功，将低位热能转化为机械能，提高低位热能利用效能，使低位能向机械转化。

该工艺技术的优势是所需要的液氨易得、工艺流程简单、是一种较好的低品位热能的回收利用技术。

该工艺技术的优势不足是采用液氨介质作为热载体，由于液氨具有一定的危害性，属于危化品，工业过程要求管道及机械设备的密封要求更为严格，防止氨泄漏。合成氨工艺技术已非常成熟，从目前的压力管道及设备密封水平

7 利用氨实现低品位热能回收的前景分析

利用氨实现低品位热能回收工艺适合的应用场景如：合成氨生产企业，液氨进入储罐前进行势能及低品位热能的回收。也可用采取本工艺串联在电厂蒸汽末端提高整体发电效能。可以有效的利用工厂的低品位能量，通过膨胀机带动发电机发电，发电效率高、节能环保，应用前景广阔。