專利名稱：高溫?zé)岜眉夹g(shù)與銅氨液精煉工藝中余熱回收的耦合系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于熱泵及合成氨精煉工藝的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及采用高溫?zé)岜没厥绽勉~氨液精煉工藝余熱的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
合成氨是我國(guó)化工行業(yè)中的五大高耗能產(chǎn)業(yè)之一，其耗能占化工行業(yè)總量的40%。分析其生產(chǎn)工藝過程中可采用哪些節(jié)能技術(shù)與設(shè)備，突破技術(shù)瓶頸，開發(fā)相關(guān)技術(shù)與設(shè)備，并進(jìn)行與合成氨工藝的有機(jī)耦合利用，是高資源、高能耗、高污染性型合成氨生產(chǎn)行業(yè)迫切需要解決的節(jié)能關(guān)鍵問題。合成氨的生產(chǎn)主要包括原料氣制造、原料氣凈化以及氨合成三個(gè)工序。原料氣凈化工序是指將來自原料氣制造工序的合成氨粗原料氣經(jīng)脫硫、變換、脫碳、精煉過程，除去原料氣中的雜質(zhì)以滿足合成氨的要求。銅氨液吸收法是合成氨常采用的精煉工藝方法之一，主要包括銅洗和再生兩個(gè)過程。銅洗的過程需在低溫條件下進(jìn)行，而再生工藝流程需在高溫條件下進(jìn)行。傳統(tǒng)工藝為了創(chuàng)造適合的環(huán)境條件，利用冷卻水及氨制冷將銅洗過程高溫的銅氨液溫度降到要求溫度(65°C -70°C降至8°C -15°C );而再生過程則需使用大量的蒸汽等能源加熱銅氨液，使其達(dá)到一定溫度條件(70°C左右升至80°C左右)。由此看整個(gè)過程耗能量極大，表現(xiàn)在不僅要配備冷卻塔將冷卻水的熱量散發(fā)到空氣中，需提供電能供給冷卻塔風(fēng)機(jī)及氨制冷設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，且要消耗大量的能源以產(chǎn)生再生過程用蒸汽。而銅洗過程的余熱竟未得到任何利用，反而成為消耗能源的過程。分析銅氨液精煉過程，存在著銅洗過程放出的低品質(zhì)余熱(65°C -70°C )，也存在再生過程對(duì)高品質(zhì)熱量(80°C左右)的需求。若能將余熱品質(zhì)提升，產(chǎn)生高位熱源回用，則正可解決本工藝的需求，極大程度節(jié)約能源，又可降低因一次能源使用而帶來的污染。熱泵作為一種高效集熱并提升熱量的裝置，以消耗少量的高質(zhì)能(機(jī)械能、電能等)或高溫位熱能作為代價(jià)，通過熱力循環(huán)，將熱能由低品位升至高品位。不僅可以減少供熱所需的煤炭等化石燃料，又可以間接提高工業(yè)流程的能源利用率。但傳統(tǒng)熱泵能產(chǎn)生的熱量溫度水平(45°C左右)較低，而本工藝再生過程需要的溫度條件為80°C左右，因此利用傳統(tǒng)熱泵無法解決這個(gè)問題。本發(fā)明采用的高溫?zé)岜眉夹g(shù)則克服了傳統(tǒng)熱泵技術(shù)提供的水溫或者風(fēng)溫較低的缺點(diǎn)，采用高溫制冷劑，可利用銅洗過程的余熱滿足合成氨工藝中再生過程的要求，既替代了高品質(zhì)熱源，也節(jié)省了冷卻銅洗過程余熱的能量投入。但是如何將高溫?zé)岜眉夹g(shù)與銅氨液精煉工藝過程有機(jī)的結(jié)合進(jìn)行系統(tǒng)化和裝置化，仍是存在技術(shù)與工藝上的瓶頸，本發(fā)明擬提出一套高溫?zé)岜眉夹g(shù)與銅氨液精煉工藝過程余熱循環(huán)利用的耦合系統(tǒng)與裝置，以提供解決方法。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種高溫?zé)岜眉夹g(shù)與銅氨液精煉工藝過程中余熱回收循環(huán)利用的耦合系統(tǒng)，解決銅洗過程放出的低品質(zhì)余熱浪費(fèi)，再生過程對(duì)高品質(zhì)熱量的需求能量耗費(fèi)大造成的資源浪費(fèi)及一次能源使用而帶來的污染的問題。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種高溫?zé)岜眉夹g(shù)與銅氨液精煉工藝中余熱回收的耦合系統(tǒng)，主要包括銅氨液和高溫?zé)岜霉べ|(zhì)兩個(gè)循環(huán)系統(tǒng)銅氨液循環(huán)系統(tǒng)主要包括銅洗和再生兩個(gè)過程銅洗過程是指經(jīng)再生器再生后的銅液進(jìn)入換熱器放出部分熱量，降溫后的銅液650C -70°C進(jìn)入蒸發(fā)器，銅液在蒸發(fā)器里溫度降到8°C -15°C，出蒸發(fā)器的銅液回到高壓銅泵，打入銅塔吸收合成氨粗原料氣中的CO、CO2, 02、H2S等雜氣；再生過程是指在銅塔中吸收了雜氣的銅液經(jīng)減壓后流入回流塔頂部，與銅液再生氣逆向接觸，吸收再生氣中的氨和水蒸氣；銅液進(jìn)入換熱器回收部分熱量后回到回流塔二段，在塔內(nèi)一方面進(jìn)一步解析銅液中的CO和CO2，另一方面吸收再生氣的氨和熱量；出回流塔后的銅液進(jìn)入還原器，回收利用其它工藝工段的熱量，銅液的溫度上升，升溫的銅氨液溶液再進(jìn)入冷凝器，繼續(xù)被加熱；出冷凝器的銅液再進(jìn)入再生器，維持在固定溫度條件，以保證CO和CO2完全解析，從而使銅液得以再生，循環(huán)使用；高溫?zé)岜霉べ|(zhì)循環(huán)系統(tǒng)主要包括蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)、膨脹閥以及高溫工質(zhì)；制冷劑經(jīng)膨脹閥降低壓力和溫度，低溫低壓的制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器，吸收銅氨液精煉工藝中的余熱而氣化；氣化的低壓制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮，壓縮后的高壓制冷劑進(jìn)入冷凝器，制冷劑液化冷凝放熱加熱再生過程中的銅液，液化的制冷劑再進(jìn)入膨脹閥循環(huán)運(yùn)行。所述高溫工質(zhì)為BY-3。商品名為北洋3#制冷劑，廠家是天津大學(xué)制冷劑廠。所述蒸發(fā)器采取二級(jí)或三級(jí)換熱進(jìn)行熱量的提取是指各級(jí)高溫?zé)岜脵C(jī)組只有各級(jí)蒸發(fā)器(銅氨液溶液側(cè))以串聯(lián)的方式進(jìn)行連接，冷凝器(銅液側(cè))以并聯(lián)方式連接，其它構(gòu)成部件相互獨(dú)立。如圖所示，銅氨液溶液(65 0C-70 °C)進(jìn)入第一級(jí)蒸發(fā)器7a降溫后(38 °C左右)，再進(jìn)入二級(jí)蒸發(fā)器7b中繼續(xù)降溫，使其溫度降到要求溫度(8 0C-15 °C)，冷凝器以并聯(lián)方式進(jìn)行連接，溫度升至70 °C銅液一部分進(jìn)入一級(jí)冷凝器4a，其余部分進(jìn)入二級(jí)冷凝器4b，在冷凝器中的銅液吸收冷凝熱升至80 V，進(jìn)入冷凝器的銅液流量根據(jù)蒸發(fā)器側(cè)的溫度需求來調(diào)節(jié)流量，三級(jí)換熱同理。所述銅氨液循環(huán)系統(tǒng)再生過程中出回流塔后的銅液是55°C，進(jìn)入還原器，回收利用其它工藝工段的熱量，銅液的溫度升至70°C，升溫的銅氨液溶液再進(jìn)入冷凝器，繼續(xù)被加熱，升溫至80°C，出冷凝器的銅液再進(jìn)入再生器，停留時(shí)間達(dá)45分鐘。此流程中，熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器取代原有冷卻水和液氨二級(jí)冷卻，將銅洗過程高溫的銅氨液溫度降到要求溫度；熱泵機(jī)組的冷凝器取代原有的高溫蒸汽，滿足再生過程對(duì)高品質(zhì)熱量的需求。在此系統(tǒng)裝置中，高溫?zé)岜梦浙~洗過程銅氨液的余熱較多，除了滿足銅氨液再生過程對(duì)高品質(zhì)熱量的需求外，還富裕部分的高品質(zhì)熱量，這部分高品質(zhì)熱量可供暖、生活熱水或者其它工藝流程等，可節(jié)約大量高品質(zhì)能源、降低一次能源燃燒產(chǎn)生的大量有害氣體的排放和熱污染。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明提出的高溫?zé)岜眉夹g(shù)與銅氨液精煉工藝過程中余熱回收循環(huán)利用的耦合系統(tǒng)與裝置，將能源品位提升技術(shù)與合成氨化工工藝進(jìn)行了有機(jī)的耦合。不僅可回收銅氨液溶液在銅洗過程中產(chǎn)生的低品位余熱，且將銅氨液加熱到再生過程中的溫度條件，并具有較高的能效比，至少在3. 5以上。總體看來，不但減少了傳統(tǒng)工藝中冷卻塔風(fēng)機(jī)及氨制冷等設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)引起的能耗，也減少了環(huán)境的熱污染；產(chǎn)生的高溫?zé)嵊挚晒┿~氨液再生使用，減少了煤炭等化石燃料的消耗和大量有害氣體的排放。此系統(tǒng)不僅提高了工藝流程的能源利用率，節(jié)能、經(jīng)濟(jì)效果都十分顯著。同時(shí)，本發(fā)明將極大的擴(kuò)展低溫余熱的再利用范圍，可替代生產(chǎn)過程供熱、采暖系統(tǒng)供熱等。如僅2008年我國(guó)集中采暖供熱能力為蒸汽94454t/h，熱水305695MW，若利用高溫?zé)岜没厥沾罅看嬖诘牡蜏責(zé)?，用于供熱及工藝流程等，即可?jié)約大量高品質(zhì)能源、降低一次能源燃燒產(chǎn)生的大量有害氣體的排放和熱污染。


圖1是本發(fā)明高溫?zé)岜门c銅氨液精煉工藝余熱回收利用耦合系統(tǒng)的工藝流程圖；其中I—銅塔；2—回流塔；3—還原器；4a——一級(jí)冷凝器；4b——二級(jí)冷凝器；5—再生器；6—換熱器；7a——級(jí)蒸發(fā)器；7b—二級(jí)蒸發(fā)器；8——銅泵；·9a—一級(jí)壓縮機(jī)；9b—二級(jí)壓縮機(jī)；10a——一級(jí)膨脹閥；10b——二級(jí)膨脹閥。
具體實(shí)施例方式將高溫?zé)岜门c銅氨液精煉工藝余熱回收利用的耦合系統(tǒng)用于甘肅某合成氨生產(chǎn)企業(yè)的銅氨液精煉工藝進(jìn)行實(shí)例分析，結(jié)合工藝流程圖1進(jìn)行表述。本實(shí)例中經(jīng)再生器再生后的銅液進(jìn)入換熱器6放出部分熱量，68°C的銅液分別進(jìn)入一級(jí)蒸發(fā)器7a和二級(jí)蒸發(fā)器7b，使溫度降到10°C，然后銅液回到高壓銅泵8進(jìn)口，打入銅洗塔I吸收合成氨粗原料氣中雜氣。然后銅液進(jìn)入回流塔2吸收熱量，升溫后進(jìn)入還原器3，進(jìn)入還原器3的銅液溫度為55°C，出還原器3的70°C銅液一部分進(jìn)入一級(jí)冷凝器4a，剩余部分進(jìn)入二級(jí)冷凝器4b，繼續(xù)被加熱，銅液吸收制冷劑BY-3的冷凝熱溫度升至80°C。80°C的銅液進(jìn)入再生器5，完全解吸銅液中的CO和CO2得以再生，循環(huán)使用。本實(shí)例采用熱泵機(jī)組將銅液的余熱吸收，節(jié)省了原方案中冷卻塔的冷卻水和液氨二級(jí)冷卻的設(shè)備和運(yùn)行費(fèi)用；機(jī)組冷凝器端產(chǎn)生的高溫?zé)嵊靡约訜嵩偕你~氨液溶液，取代了原方案中高溫蒸汽的加熱。高溫高壓的制冷劑BY-3進(jìn)入一級(jí)冷凝器4a和二級(jí)冷凝器4b，冷凝器中的制冷劑液化冷凝放熱加熱再生過程中的銅液，然后制冷劑BY-3進(jìn)入一級(jí)膨脹閥IOa和二級(jí)膨脹閥10b，在膨脹閥中制冷劑的溫度和壓力都降低，低溫低壓的制冷劑BY-3進(jìn)入一級(jí)蒸發(fā)器7a和二級(jí)蒸發(fā)器7b，吸收銅氨液精煉工藝中的余熱而氣化；氣化的低壓制冷劑進(jìn)入一級(jí)壓縮機(jī)9a和二級(jí)壓縮機(jī)9b進(jìn)行壓縮，壓縮后的高壓制冷劑進(jìn)入冷凝器循環(huán)運(yùn)行。本方案中高溫?zé)岜玫腃OP保守取值為3. 5，銅液的流量100m3/h，比熱容0. 9kcal/(kg °C ) o計(jì)算可得吸收余熱6058.1kW,產(chǎn)生的高溫?zé)?481. 3kW,用于銅氨液再生1044. 5kff,富裕熱量7436. 8kW可供生活熱水或者冬季供暖等需求。每年經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)336多萬元，除此之外，還有很好的環(huán)境效益和節(jié)能效果。經(jīng)折算，每年可節(jié)省標(biāo)煤6500多噸，CO2減排量14000多噸，SO2減排量440多噸，氮化物減排量為210多噸。此外，本方案中銅氨液在銅洗過程中，溫降較大，一級(jí)換熱不足以提取所有余熱，應(yīng)采取二級(jí)甚至三級(jí)換熱進(jìn)行熱量的提??；高溫?zé)岜脧你~氨液吸收的低溫余熱較多，熱泵產(chǎn)生的高溫?zé)釋~氨液再生后，還富裕部分的熱量，可將這部分高品質(zhì)熱量供暖、生活熱水或者其它工藝流程等。盡管結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了上述描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式
，上述的具體實(shí)施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)范圍的情況下，還可以做出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之列。
權(quán)利要求
1.一種高溫?zé)岜眉夹g(shù)與銅氨液精煉工藝中余熱回收的耦合系統(tǒng)，其特征在于，主要包括銅氨液和高溫?zé)岜霉べ|(zhì)兩個(gè)循環(huán)系統(tǒng) 銅氨液循環(huán)系統(tǒng)主要包括銅洗和再生兩個(gè)過程 銅洗過程是指經(jīng)再生器再生后的銅液進(jìn)入換熱器放出部分熱量，降溫后的銅液65°C-70°C進(jìn)入蒸發(fā)器，銅液在蒸發(fā)器里溫度降到8°C -15°C，出蒸發(fā)器的銅液回到高壓銅泵，打入銅塔吸收合成氨粗原料氣中的雜氣； 再生過程是指在銅塔中吸收了雜氣的銅液經(jīng)減壓后流入回流塔頂部，與銅液再生氣逆向接觸，吸收再生氣中的氨和水蒸氣；銅液進(jìn)入換熱器回收部分熱量后回到回流塔二段，在塔內(nèi)一方面進(jìn)一步解析銅液中的CO和CO2，另一方面吸收再生氣的氨和熱量；出回流塔后的銅液進(jìn)入還原器，回收利用其它工藝工段的熱量，銅液的溫度上升，升溫的銅氨液溶液再進(jìn)入冷凝器，繼續(xù)被加熱；出冷凝器的銅液再進(jìn)入再生器，維持在固定溫度條件，以保證CO和CO2完全解析，從而使銅液得以再生，循環(huán)使用； 高溫?zé)岜霉べ|(zhì)循環(huán)系統(tǒng)主要包括蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)、膨脹閥以及高溫工質(zhì)；制冷劑經(jīng)膨脹閥降低壓力和溫度，低溫低壓的制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器，吸收銅氨液精煉工藝中的余熱而氣化；氣化的低壓制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮，壓縮后的高壓制冷劑進(jìn)入冷凝器，制冷劑液化冷凝放熱加熱再生過程中的銅液，液化的制冷劑再進(jìn)入膨脹閥循環(huán)運(yùn)行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述高溫?zé)岜眉夹g(shù)與銅氨液精煉工藝中余熱回收的耦合系統(tǒng)，其特征在于，所述高溫工質(zhì)為BY-3。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述高溫?zé)岜眉夹g(shù)與銅氨液精煉工藝中余熱回收的耦合系統(tǒng)，其特征在于，所述蒸發(fā)器采取2級(jí)或3級(jí)換熱進(jìn)行熱量的提取，各級(jí)高溫?zé)岜脵C(jī)組只有各級(jí)蒸發(fā)器以串聯(lián)的方式進(jìn)行連接，冷凝器以并聯(lián)方式連接，其它構(gòu)成部件相互獨(dú)立。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述高溫?zé)岜眉夹g(shù)與銅氨液精煉工藝中余熱回收的耦合系統(tǒng)，其特征在于，所述銅氨液循環(huán)系統(tǒng)再生過程中出回流塔后的銅液是55°C，進(jìn)入還原器，回收利用其它工藝工段的熱量，銅液的溫度升至70°C，升溫的銅氨液溶液再進(jìn)入冷凝器，繼續(xù)被加熱，升溫至80°C，出冷凝器的銅液再進(jìn)入再生器，停留時(shí)間達(dá)45分鐘。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高溫?zé)岜眉夹g(shù)與銅氨液精煉工藝中余熱回收的耦合系統(tǒng)，主要包括銅氨液和高溫?zé)岜霉べ|(zhì)兩個(gè)循環(huán)系統(tǒng)，熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器取代原有冷卻水和液氨二級(jí)冷卻，將銅洗過程高溫的銅氨液溫度降到要求溫度；熱泵機(jī)組的冷凝器取代原有的高溫蒸汽，滿足再生過程對(duì)高品質(zhì)熱量的需求。本發(fā)明的系統(tǒng)，將能源品位提升技術(shù)與合成氨化工工藝進(jìn)行了有機(jī)的耦合，不僅可回收銅氨液溶液在銅洗過程中產(chǎn)生的低品位余熱，且將銅氨液加熱到再生過程中的溫度條件，并具有較高的能效比。不但減少了傳統(tǒng)工藝中冷卻塔風(fēng)機(jī)及氨制冷等設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)引起的能耗，也減少了環(huán)境的熱污染；產(chǎn)生的高溫?zé)嵊挚晒┿~氨液再生使用，減少了煤炭等化石燃料的消耗和大量有害氣體的排放。
文檔編號(hào)B01D53/18GK102989264SQ20121036176
公開日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2012年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月24日
發(fā)明者鄧娜, 張于峰, 于曉慧, 張彥, 董勝明 申請(qǐng)人:天津大學(xué)