利用氨實現工業低品位熱能回收利用探究

左艷玲

(云南解化清潔能源開發有限公司解化化工分公司，云南 開遠 661699)

低品位余熱能量品質低或能源密度低，一般不被人們重視，是較難回收的廢棄能源。但從節能減排和碳減排的格局劃分，低品位余熱利用將成為節能減排和碳減排的重要組成部分，將成為產能端和用能端節能的關鍵環節[1]。對低品位余熱利用的研發與應用技術具有巨大的現實意義。

1 工業熱能回收方式

在化學工業中，生產熱能以及使用熱能量非常大，隨之消耗的熱能也非常大，雖然企業在這一環節有采取節能措施，但是一般都是針對高品位熱能的回收與利用，而溫度小于 100 ℃ 的低品位熱能往往被浪費掉了。在工業生產過程中，對于高品位熱能，比較好回收。以現代煤化工行業為例，工業流程中高品位熱能主要通過廢熱鍋爐的形式，將水轉化為不同壓力等級的蒸汽回收利用于原料蒸汽或動力蒸汽。一般能做到熱工藝介質回收熱量副產 0.5 Mpa 等級低壓蒸汽，再向下熱能較難有效回收。工業生產過程中擁有大量的低位熱能，除了少量有脫鹽水裝置的企業利用工藝介質加熱脫鹽水回收熱量等方式，大部分剩余熱量借助循環冷卻水裝置或空氣冷卻裝置將熱量移走，最終轉移到大氣中。

據統計，我國所有熱量中低品位熱能占有四分之一的比重，因此如何對低品位熱能進行回收和利用是非常值得探討的問題[2]。

目前在國內外技術發展的推動下，對于低品位能源回收取得了較大的進展，歸納下來可分為：熱泵技術、熱管技術、吸附制冷技術、溴化鋰吸收制冷技術和有機郎肯循環低溫余熱發電技術。各類技術并在實踐的檢驗中取得了廣泛的認可。許多先進技術和設備的開發利用，為低品位熱能被更好的利用創造了條件[4]。做為合成氨生產老牌企業，對于節能減排、綠色低碳的要求，筆者積極思考提出了一種以氨為載體進行工業余熱回收并轉化為機械能，實現低品位熱能再利用的一種新工藝、新流程。具體工設計原理、流程、效果分析如下。

2 利用氨實現低品位熱能回收的原理分析

目前大型火力發電、大型壓縮機組的動力拖動都采用蒸汽為載熱介質，其核心是通過煤炭等化石燃料燃燒對水進行加熱，提升蒸汽壓力和蒸汽溫度，利用蒸汽在不同壓力和溫度下通過膨脹做功輸出，作為各類大型機組動力來源或用于發電。該種方式適合高品位熱量的使用，對于低品位熱量來說，因水的理化特性，不再適用。

本文采用氨作為做功載體，其原理和蒸汽輪機相同，通過液氨汽化過熱形成氣態氨，氣態氨膨脹過程就是壓降過程，由熱能轉化為動能，因為流體在控制體的進出口兩端存在壓差，所以才有流動。在汽輪機里流體是經過噴嘴實現膨脹的，因為噴嘴兩端有壓差，所以氣態氨逐級流動，壓力不斷降低；氣態氨在膨脹的過程中實現加速，沖擊到汽輪機葉片而產生動力。葉片產生的是轉動扭矩，帶動轉子旋轉，轉子將轉矩傳遞到發電機或其他用能裝置。因氨的物化特性是在較高壓力下汽化溫度較低，以此可吸收低品位熱能，實現低品位熱能的回收利用。

3 利用氨實現低品位熱能回收的工藝

液氨與水相比，具有類似的特性，但在相同壓力條件下，液氨氣化需要的溫度遠低于水，在較低溫度下就可以實現熱量氣化，即可實現低位熱能的回收。液氨和水在不同壓力下的氣化溫度對比如表1。利用氨實現低品位熱能回收正是利用液氨在較高壓力下氣化溫度低，可以有效利用氣體高壓膨脹做功的原理實現機械能的回收。

表1 液氨及水飽和蒸汽壓與溫度對照表

表2 液氨與水不同壓力下氣化潛熱對照表

4 利用氨實現低品位熱能回收的工藝設計

本文熱能回收工藝設置利用6～10 MPa 的液氨，通過加熱氣化為氣氨，并適當過熱，氣氨通過減壓膨脹進行機械能回收利用。

4.1 工藝流程

流程圖如圖1。流程包括第一加熱器、第二加熱器、膨脹機、冷卻器，通過管道順序連接設備。液氨通過第一加熱器加熱為飽和氣氨，回收低位熱量，氣氨進入第二加熱器進行二次加熱，實現一定的過熱度，即補充少部分高品質熱提升熱能利用效率。氣氨通過膨脹機膨脹做功，再經過冷卻器冷卻成液氨。液氨送去儲罐也可通過機泵提壓重新回到第一加熱器，循環使用。

圖1 低品位熱能回收利用工藝流程示意圖

4.2 工藝計算

對氨為載體實現低品味位熱能回收工藝，計算采用Aspen HYSYS物性包中Antoine、NBS Steam及Peng-Robinson進行評估，根據工藝流程建立仿真模型如下圖2。

圖2 低品位熱能回收利用工藝HYSYS流程模擬

計算過程液氨工況為 40 ℃、8.0 MPa，采用兩級換熱器對液氨進行加熱，總熱負荷 131.3 GJ，氨膨脹后工況為 46.5 ℃、1.6 MPa，膨脹機等熵效率設定為75%、多變壓縮效率73%，實現輸出機械能 17.6 GJ，低品位熱能轉化為機械能效率為13.4%。相對于熱泵、布朗循環熱回收效率5-25%，該工藝熱轉化效率處于中等偏上，是一種較好的低位熱回收利用工藝技術。

5 利用氨實現低品位熱能回收的工藝效果分析

化工生產過程介質溫度在110～130 ℃，熱量不能有效回收時將產生低位熱的浪費，若回收低品位蒸汽，回收的蒸汽壓力約在0.15～0.25 MPa(a)。同樣 1 t 蒸汽壓力在 10.0 MPa(a)、溫度在 500 ℃ 條件下時，通過膨脹至常壓做功可產生205千瓦時軸功率。一噸蒸汽壓力在 0.23 MPa(a)、溫度在 125 ℃，通過本工藝流程，可產生 125 kW·h 軸功率。

液氨與水在相同壓力下氣化潛熱更低，承載相同的熱量時需要液氨質量更多，產生的氣氨量更多，獲得的機械能更高。

6 利用氨實現低品位熱能回收工藝的優勢和不足

本工藝流程回收利用低位熱能，適合回收利用低位熱介質溫度在80～130 ℃，工業過程中該溫度范圍的低位熱多被循環水帶走，最終熱量排入大氣。該溫度范圍能夠較好的把8～10 MPa 液氨汽化，通過該工藝技術進行氣態氨膨脹做功，將低位熱能轉化為機械能，提高低位熱能利用效能，使低位能向機械轉化。

該工藝技術的優勢是所需要的液氨易得、工藝流程簡單、是一種較好的低品位熱能的回收利用技術。

該工藝技術的優勢不足是采用液氨介質作為熱載體，由于液氨具有一定的危害性，屬于危化品，工業過程要求管道及機械設備的密封要求更為嚴格，防止氨泄漏。合成氨工藝技術已非常成熟，從目前的壓力管道及設備密封水平

7 利用氨實現低品位熱能回收的前景分析

利用氨實現低品位熱能回收工藝適合的應用場景如：合成氨生產企業，液氨進入儲罐前進行勢能及低品位熱能的回收。也可用采取本工藝串聯在電廠蒸汽末端提高整體發電效能。可以有效的利用工廠的低品位能量，通過膨脹機帶動發電機發電，發電效率高、節能環保，應用前景廣闊。