聯堿裝置低溫余熱制冷技術的研究

趙 賽

(天津渤化永利化工股份有限公司，天津 300452)

1 聯堿冰機運行現狀

我公司氯化銨生產裝置需要大量的冷量，目前是利用液氨與制堿母液換熱后，氣氨經螺桿壓縮機壓縮冷凝成液氨后循環使用。現有3臺電機功率為1 700 kW的WBII1080E螺桿壓縮機，制冷量為6 000 kW/臺，制冷劑為R717，吸入壓力0.45 MPa，排出壓力1.55 MPa。根據季節氣候變化，螺桿壓縮機開機臺數為冬季1臺、夏季2至3臺，在夏季生產時，受蒸發冷能力影響，冷量不能滿足高負荷生產需求，導致能耗增高。冰機設計用電為壓縮每噸氨耗電量84.41 kW·h，2017年12月26日～2018年12月25日一年間產量為63.2萬雙噸，冰機耗電25.4×106kW·h，按計算每噸產品壓縮氨量 0.4292 t，壓縮每噸氨耗電量93.85 kW·h，可見螺桿壓縮機運行過程中耗電量很大。

低溫余熱制冷技術的應用不需要新增氨用量，是對原有螺桿壓縮機的改造提升，并將動設備改為靜設備，提高了裝置運行的穩定性和安全性。

2 低位熱能情況

在熱源方面，公司有大量的低位熱能(如蒸汽凝液、乏汽等)，溫度高，需要循環水進行冷卻后才能利用，造成資源的浪費。

聯堿裝置煅燒爐可提供溫度160 ℃、流量157 t/h的冷凝液，余熱制冷出口熱源最低利用溫度90 ℃，160 ℃熱水焓值為675.4 kJ/kg，90 ℃熱水焓值376.8 kJ/kg，則可利用熱量Q1為：

Q1=(675.4-376.8)×157 000/3 600=13 022 kW

通過使用吸收式制冷技術，轉化效率按照0.52計算，可以生產出的冷量(5 ℃)為：

Q冷1=13 022×0.52=6 771 kW，可制液氨22 t/h。

另外，丁辛醇裝置可提供壓力0.35 MPa、溫度139 ℃、流量136. t/h低壓凝水。139 ℃熱水焓值為589.32 kJ/kg，90 ℃熱水焓值376.8 kJ/kg，則可利用熱量Q2為：

Q2=(589.3-376.8)×136 000/3 600=8 027 kW

通過使用吸收式制冷技術，轉化效率按照0.52計算，可以生產出的冷量(5 ℃)為：

Q冷2=8 027×0.52=4 174 kW，可制液氨14 t/h。

綜上，聯堿裝置和丁辛醇裝置的蒸汽凝液的熱量均可作為吸收式制冷的熱力驅動，替代傳統螺桿壓縮機，不但充分利用多余廢熱，避免了資源的浪費，而且節約了用電成本。

3 TC工質吸收式制冷

3.1 吸收式制冷簡介

吸收式制冷是在低溫低壓的條件下，利用液態制冷劑汽化來達到制冷的最終目的。蒸汽壓縮式制冷靠消耗機械功或者電能實現熱量從低溫向高溫轉移；而吸收式制冷是靠消耗熱能完成這種過程的。

3.2 與溴化鋰吸收式制冷的不同

現在常有的很少一部分的低溫余熱是利用溴化鋰吸收式制冷解決的。溴化鋰系統可以利用低位熱能,制取7 ℃以上冷量，可廣泛應用于民用空調等領域，但是無法應用于大量存在的零度以下制冷需求的工業領域。很大部分低溫余熱無法利用，而且這其中的大多還需要專門的能源來給這部分余熱冷卻，以滿足后續工藝的使用要求。

TC多元工質熱驅動冷凍機組從根本上解決了溴化鋰系統的不足，同時在相同熱源溫度的情況下，將制冷深度由 7 ℃拓展至-40 ℃，大大增加了制冷的效果，實現吸收式制冷行業的工藝技術的創新和進步。TC多元工質具有穩定性強、無水無油無需分離、長期運行無衰減的特點，可廣泛應用于化工、材料、冶煉、醫藥等具有零度以下制冷需求的領域，比壓縮式制冰機節約 90%以上的電耗。

3.3 工藝原理和特點

TC多元工質選用NH3作為制冷劑，具有蒸發潛熱大、制冷效果好、廉價易得、純天然工質、綠色環保的優勢，因此可以作為一種性能良好的制冷劑應用于當代的化工生產中。

選用多元氨鹽溶液的氣相可以認為是純氨氣，提高了系統的效率，同時在熱力學性質方面也存在其他優勢。

TC多元工質吸收式制冷可分為兩個子循環來研究：一個是多元溶液循環；另一個是氨氣循環。

1)多元溶液循環

富氨溶液從吸收器出來進入發生器中，然后逐步加熱使溶液沸騰，此時會分離出大量的氨氣，氨氣被送入到冷凝器中，低溫冷凝成液氨，液氨最后再進入到蒸發器中蒸發制冷達到目的。而發生器中的富氨溶液蒸發掉部分氨后變為貧氨溶液，換熱之后會回到吸收器， 從蒸發器過來的氨氣會與吸收器頂部噴淋的貧氨溶液接觸，并且溶于貧氨溶液中，此過程會增加貧氨溶液的濃度，使貧氨溶液重新變為富氨溶液，重新進入發生器，形成多元溶液循環的整個過程。

2) 氨氣循環

由發生器出來的氨蒸汽進入冷凝器，通過水冷方式冷凝，然后凝結成液氨進入蒸發器，在蒸發器內蒸發后體積膨脹，然后經過蒸發器和吸收器之間的管道進入吸收器，與吸收器頂部噴淋的貧氨溶液接觸，并不斷被貧氨溶液吸收，然后形成富氨溶液進入發生器再加熱沸騰至產生氨蒸汽，由此形成整個氨氣循環。

3.4 工藝流程

吸收式制冷系統的基本組成部件包括發生器、蒸發器、吸收器、冷凝器和溶液熱交換器以及溶液循環泵等。

富氨溶液從吸收器底部出來，然后和發生器出來的貧氨溶液進行換，再循環進入發生器，被加熱至沸騰狀態，此時分離出大量氨氣，形成了發生器底部的貧氨溶液，然后通過與溶液熱交換器和吸收器過來的富氨溶液進行換熱，再回到吸收器頂部。

從發生器中蒸發出來的純氨氣進入到冷凝器，冷凝成液氨，然后進入蒸發器擴散蒸發產生制冷效果；氨氣再回到吸收器中被貧氨溶液吸收成為富氨溶液循環使用。

如圖1所示為吸收式制冷系統工作原理。

圖1 吸收式制冷系統工作原理圖

4 經濟效益分析

4.1 裝置自耗電

余熱制冷裝置自耗電255.5 kW/h，全年運行8 000 h，在相同制冷量前提下，余熱制冷機組為氨壓縮配套的蒸發式冷凝器與電驅式冰機配套的蒸發式冷凝器耗電相同，此處能耗的計算相互抵消。

余熱裝置增加全年電耗費用為：

255.5×8 000×0.62 =126.7萬元(不含稅電價0.62元/kW·h)

4.2 循環冷卻水耗電

循環水系統的用水總量約為1 150 m3/h，按1%計算蒸發量，補充水量約為11.5 m3/h。

余熱制冷機組與電驅式冰機配套的蒸發式冷凝器相同，其補充水量也相同，此處相互抵消。

機組每年消耗水的水費為(水費按照7.0元/t計)：

11.5×8 000×7.0 = 64.4萬元

4.3 螺桿冰機電耗費用

雙噸產品冰機電耗為39.59 kW·h/雙噸；每100雙噸產品，共需要氨75.92 t，外供氨33 t，冰機外冷間循環氨共75.92-33=42.92 t。

則得出制每噸液氨電量為39.59/42.92×100=92.24 kW。若以每小時生產液氨22 t，每年運行8 000 h計算，總年耗電量為8 000×22×92.24=16 234 240 kW。電價0.62元/kWh，則螺桿冰機年耗電費為1 006.5萬元。

4.4 年節約費用

C年節約量=C原冰機耗電費-C新建機組增加電費-C新建機組補水=1 006.5-126.7-64.4=815.4萬元

綜上所述，采用余熱制冷機組取代原有機組后，年節約電量1 419萬kW·h，減少碳排放14 147 t，每年可節約各項費用總計815.4萬元，以余熱制冷機組設計使用年限15年計，節能收益可達12 231萬元。

5 結 語

近幾年國家對環保越來越重視，以政策為準繩，不斷完善工藝技術，成為每個化工企業亟需解決的問題。余熱制冷技術替代聯堿冰機，充分利用低溫蒸汽等低溫余熱資源，提高了系統的效率，并且大大減少了整體用電量，減少溫室氣體的排放，實現了綠色能源的全新理念，具有較好的經濟效益和社會效益。