合成氨能量平衡分析(造氣部分)

孫南屏,李 林,朱中華

(1.杭州龍山化工有限公司,浙江 杭州 31005;2.黃山市龍勝化工有限公司,安徽 黃山 245900)

合成氨能量平衡分析(造氣部分)

孫南屏1,李 林1,朱中華2

(1.杭州龍山化工有限公司,浙江 杭州 31005;2.黃山市龍勝化工有限公司,安徽 黃山 245900)

合成氨;造氣工序;能量平衡

熱力學第一定律是把不同形式的能量在數量上進行統一,但還不能說明在質量上的差別,這是能量利用和能量衡算中的不足之處。如1kW·h電可供熱3 600 kJ。但3 600 kJ的熱量卻不能轉化為1 kW·h電。實際上是不同形式的能量在轉換時,有些是可能的,有些卻是不可能的,能量轉換的方向性是由熱力學第二定律決定的。第二定律不是削弱第一定律的權威性,相反是擴充和完善熱力學的使用范圍。對于設計一個化工生產裝置,首先是從節能的角度去考慮,也就是不但要考慮能量的數量,更重要的是設計和計算好能量的質量。本文正是基于這觀點對合成氨生產裝置進行熱力學分析,使工藝設計方案達最優化。

1 造氣工序

PSA空分配型煤富氧連續氣化是一個立足于國內現有原料,具有自主知識產權、環保、經濟的合成氨造氣氣化新工藝,是各合成氨廠擴產、節能減排的首選改造方案,本熱力學計算選用福建三明化工,晉開投資控股集團,安徽淮化集團,平頂山飛行化工集團的生產數據進行分析修正后作為計算條件。

本文將詳細討論不同流程夾套鍋爐,廢熱鍋爐的有效能損失并直接折算成經濟損失,并提出改進辦法。

物流的有效能 E=(H-H0)-T0(S-S0)

式中 H、S分別為流體在T時的焓和熵;H0、S0分別為流體在環境溫度 T0時的焓和熵。

水蒸氣的能級Ω表達為:

Ω=Ё/Q=1-T0△S/△H(有效能/熱值)

△S和△H分別為冷流體通過廢熱鍋爐后的熵增量和焓增量。

計算三種工藝狀態下的有效能損失。

計算條件:

半水煤氣進廢熱鍋爐溫度:450℃

半水煤氣流量:45 000 m3/h(晉開4臺φ2 800煤氣爐)

取環境溫度為進廢熱鍋爐的給水溫度:104℃

2 計算結果(表1、表2、表3)

表1 副產0.2 MPa蒸汽計算結果

表2 副產1.4 MPa蒸汽計算結果

表3 副產3.9 MPa 450℃蒸汽計算結果

3 工藝流程與問題討論

PSA空分配型煤富氧連續氣化工藝流程見圖1。

1)從熱力學第一定律看,無論鍋爐副產多高蒸汽壓力,熱流體給熱都被水吸收,熱量總是平衡的。但從表2和表3的有效能計算可知,能量的損失和級差相差較大。

2)由于廢熱鍋爐副產蒸汽壓力低后,使流出廢熱鍋爐的蒸汽溫度也降低,導致其出口端溫差加大,傳熱的不可逆性增加,因此有效能損失增大。

圖1 型煤4臺φ2 800富氧連續氣化煤氣爐流程圖

3)按能級變化,年產10萬t合成氨造氣夾套與廢鍋(二廢鍋爐副產低壓汽不計)產3.9 MPa、450℃蒸汽與0.2 MPa蒸汽比較,電價按0.56元/kW·h計,蒸汽能級的變化年效益為:9.8 t/h×100.3 kW·h/t×0.56元=550元/h,年效益:440萬元。

4)由江西昌昱實業有限公司設計的,在晉開投資控股集團應用的流程比較合理,二廢鍋的設計若變更為軟水加則能量平衡更加合理,這與整個化工裝備的熱電配套要相呼應,故副產蒸汽的壓力希望能進一步提高。

5)設備的設計要考慮水蒸氣是由水溫逐步升高,由液態變成氣態及過熱區體積急劇膨脹,阻力隨流速的平方數量級增加,故設備設計上要設法減輕過熱區的阻力,以提高能量品位。

6)化工過程普遍存在著不可逆性,基本上可歸納為傳熱的不可逆性,化學反應的不可逆性,流體流動的不可逆性,傳質的不可逆性的。故化工生產的各環節不僅伴隨能量的轉換,同時也發生能量降質過程,因此對裝置進行有效能分析,可找出薄弱環節,挖掘節能潛力。

TQ 113.2;TQ 113.26

C

1005-8370(2010)04—05—02

2010-04-01