專利名稱：高溫熱泵技術與銅氨液精煉工藝中余熱回收的耦合系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于熱泵及合成氨精煉工藝的技術領域，特別涉及采用高溫熱泵回收利用銅氨液精煉工藝余熱的系統。
背景技術：
合成氨是我國化工行業中的五大高耗能產業之一，其耗能占化工行業總量的40%。分析其生產工藝過程中可采用哪些節能技術與設備，突破技術瓶頸，開發相關技術與設備，并進行與合成氨工藝的有機耦合利用，是高資源、高能耗、高污染性型合成氨生產行業迫切需要解決的節能關鍵問題。合成氨的生產主要包括原料氣制造、原料氣凈化以及氨合成三個工序。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脫硫、變換、脫碳、精煉過程，除去原料氣中的雜質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過程。銅洗的過程需在低溫條件下進行，而再生工藝流程需在高溫條件下進行。傳統工藝為了創造適合的環境條件，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，使其達到一定溫度條件(70°C左右升至80°C左右)。由此看整個過程耗能量極大，表現在不僅要配備冷卻塔將冷卻水的熱量散發到空氣中，需提供電能供給冷卻塔風機及氨制冷設備運轉，且要消耗大量的能源以產生再生過程用蒸汽。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余熱(65°C -70°C )，也存在再生過程對高品質熱量(80°C左右)的需求。若能將余熱品質提升，產生高位熱源回用，則正可解決本工藝的需求，極大程度節約能源，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，以消耗少量的高質能(機械能、電能等)或高溫位熱能作為代價，通過熱力循環，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流程的能源利用率。但傳統熱泵能產生的熱量溫度水平(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，因此利用傳統熱泵無法解決這個問題。本發明采用的高溫熱泵技術則克服了傳統熱泵技術提供的水溫或者風溫較低的缺點，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，既替代了高品質熱源，也節省了冷卻銅洗過程余熱的能量投入。但是如何將高溫熱泵技術與銅氨液精煉工藝過程有機的結合進行系統化和裝置化，仍是存在技術與工藝上的瓶頸，本發明擬提出一套高溫熱泵技術與銅氨液精煉工藝過程余熱循環利用的耦合系統與裝置，以提供解決方法。

發明內容
為了解決現有技術中存在的問題，本發明提供一種高溫熱泵技術與銅氨液精煉工藝過程中余熱回收循環利用的耦合系統，解決銅洗過程放出的低品質余熱浪費，再生過程對高品質熱量的需求能量耗費大造成的資源浪費及一次能源使用而帶來的污染的問題。本發明的技術方案如下一種高溫熱泵技術與銅氨液精煉工藝中余熱回收的耦合系統，主要包括銅氨液和高溫熱泵工質兩個循環系統銅氨液循環系統主要包括銅洗和再生兩個過程銅洗過程是指經再生器再生后的銅液進入換熱器放出部分熱量，降溫后的銅液650C -70°C進入蒸發器，銅液在蒸發器里溫度降到8°C -15°C，出蒸發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；銅液進入換熱器回收部分熱量后回到回流塔二段，在塔內一方面進一步解析銅液中的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入冷凝器，繼續被加熱；出冷凝器的銅液再進入再生器，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，循環使用；高溫熱泵工質循環系統主要包括蒸發器、冷凝器、壓縮機、膨脹閥以及高溫工質；制冷劑經膨脹閥降低壓力和溫度，低溫低壓的制冷劑進入蒸發器，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入壓縮機進行壓縮，壓縮后的高壓制冷劑進入冷凝器，制冷劑液化冷凝放熱加熱再生過程中的銅液，液化的制冷劑再進入膨脹閥循環運行。所述高溫工質為BY-3。商品名為北洋3#制冷劑，廠家是天津大學制冷劑廠。所述蒸發器采取二級或三級換熱進行熱量的提取是指各級高溫熱泵機組只有各級蒸發器(銅氨液溶液側)以串聯的方式進行連接，冷凝器(銅液側)以并聯方式連接，其它構成部件相互獨立。如圖所示，銅氨液溶液(65 0C-70 °C)進入第一級蒸發器7a降溫后(38 °C左右)，再進入二級蒸發器7b中繼續降溫，使其溫度降到要求溫度(8 0C-15 °C)，冷凝器以并聯方式進行連接，溫度升至70 °C銅液一部分進入一級冷凝器4a，其余部分進入二級冷凝器4b，在冷凝器中的銅液吸收冷凝熱升至80 V，進入冷凝器的銅液流量根據蒸發器側的溫度需求來調節流量，三級換熱同理。所述銅氨液循環系統再生過程中出回流塔后的銅液是55°C，進入還原器，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入冷凝器，繼續被加熱，升溫至80°C，出冷凝器的銅液再進入再生器，停留時間達45分鐘。此流程中，熱泵機組的蒸發器取代原有冷卻水和液氨二級冷卻，將銅洗過程高溫的銅氨液溫度降到要求溫度；熱泵機組的冷凝器取代原有的高溫蒸汽，滿足再生過程對高品質熱量的需求。在此系統裝置中，高溫熱泵吸收銅洗過程銅氨液的余熱較多，除了滿足銅氨液再生過程對高品質熱量的需求外，還富裕部分的高品質熱量，這部分高品質熱量可供暖、生活熱水或者其它工藝流程等，可節約大量高品質能源、降低一次能源燃燒產生的大量有害氣體的排放和熱污染。本發明的有益效果是本發明提出的高溫熱泵技術與銅氨液精煉工藝過程中余熱回收循環利用的耦合系統與裝置，將能源品位提升技術與合成氨化工工藝進行了有機的耦合。不僅可回收銅氨液溶液在銅洗過程中產生的低品位余熱，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，不但減少了傳統工藝中冷卻塔風機及氨制冷等設備運轉引起的能耗，也減少了環境的熱污染；產生的高溫熱又可供銅氨液再生使用，減少了煤炭等化石燃料的消耗和大量有害氣體的排放。此系統不僅提高了工藝流程的能源利用率，節能、經濟效果都十分顯著。同時，本發明將極大的擴展低溫余熱的再利用范圍，可替代生產過程供熱、采暖系統供熱等。如僅2008年我國集中采暖供熱能力為蒸汽94454t/h，熱水305695MW，若利用高溫熱泵回收大量存在的低溫熱，用于供熱及工藝流程等，即可節約大量高品質能源、降低一次能源燃燒產生的大量有害氣體的排放和熱污染。


圖1是本發明高溫熱泵與銅氨液精煉工藝余熱回收利用耦合系統的工藝流程圖；其中I—銅塔；2—回流塔；3—還原器；4a——一級冷凝器；4b——二級冷凝器；5—再生器；6—換熱器；7a——級蒸發器；7b—二級蒸發器；8——銅泵；·9a—一級壓縮機；9b—二級壓縮機；10a——一級膨脹閥；10b——二級膨脹閥。
具體實施例方式將高溫熱泵與銅氨液精煉工藝余熱回收利用的耦合系統用于甘肅某合成氨生產企業的銅氨液精煉工藝進行實例分析，結合工藝流程圖1進行表述。本實例中經再生器再生后的銅液進入換熱器6放出部分熱量，68°C的銅液分別進入一級蒸發器7a和二級蒸發器7b，使溫度降到10°C，然后銅液回到高壓銅泵8進口，打入銅洗塔I吸收合成氨粗原料氣中雜氣。然后銅液進入回流塔2吸收熱量，升溫后進入還原器3，進入還原器3的銅液溫度為55°C，出還原器3的70°C銅液一部分進入一級冷凝器4a，剩余部分進入二級冷凝器4b，繼續被加熱，銅液吸收制冷劑BY-3的冷凝熱溫度升至80°C。80°C的銅液進入再生器5，完全解吸銅液中的CO和CO2得以再生，循環使用。本實例采用熱泵機組將銅液的余熱吸收，節省了原方案中冷卻塔的冷卻水和液氨二級冷卻的設備和運行費用；機組冷凝器端產生的高溫熱用以加熱再生的銅氨液溶液，取代了原方案中高溫蒸汽的加熱。高溫高壓的制冷劑BY-3進入一級冷凝器4a和二級冷凝器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進入一級膨脹閥IOa和二級膨脹閥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進入一級蒸發器7a和二級蒸發器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入一級壓縮機9a和二級壓縮機9b進行壓縮，壓縮后的高壓制冷劑進入冷凝器循環運行。本方案中高溫熱泵的COP保守取值為3. 5，銅液的流量100m3/h，比熱容0. 9kcal/(kg °C ) o計算可得吸收余熱6058.1kW,產生的高溫熱8481. 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。每年經濟效益可達336多萬元，除此之外，還有很好的環境效益和節能效果。經折算，每年可節省標煤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，一級換熱不足以提取所有余熱，應采取二級甚至三級換熱進行熱量的提??；高溫熱泵從銅氨液吸收的低溫余熱較多，熱泵產生的高溫熱將銅氨液再生后，還富裕部分的熱量，可將這部分高品質熱量供暖、生活熱水或者其它工藝流程等。盡管結合附圖對本發明進行了上述描述，但是本發明并不局限于上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護范圍的情況下，還可以做出很多變形，這些均屬于本發明的保護之列。
權利要求
1.一種高溫熱泵技術與銅氨液精煉工藝中余熱回收的耦合系統，其特征在于，主要包括銅氨液和高溫熱泵工質兩個循環系統 銅氨液循環系統主要包括銅洗和再生兩個過程 銅洗過程是指經再生器再生后的銅液進入換熱器放出部分熱量，降溫后的銅液65°C-70°C進入蒸發器，銅液在蒸發器里溫度降到8°C -15°C，出蒸發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；銅液進入換熱器回收部分熱量后回到回流塔二段，在塔內一方面進一步解析銅液中的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入冷凝器，繼續被加熱；出冷凝器的銅液再進入再生器，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，循環使用； 高溫熱泵工質循環系統主要包括蒸發器、冷凝器、壓縮機、膨脹閥以及高溫工質；制冷劑經膨脹閥降低壓力和溫度，低溫低壓的制冷劑進入蒸發器，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入壓縮機進行壓縮，壓縮后的高壓制冷劑進入冷凝器，制冷劑液化冷凝放熱加熱再生過程中的銅液，液化的制冷劑再進入膨脹閥循環運行。
2.根據權利要求1所述高溫熱泵技術與銅氨液精煉工藝中余熱回收的耦合系統，其特征在于，所述高溫工質為BY-3。
3.根據權利要求1所述高溫熱泵技術與銅氨液精煉工藝中余熱回收的耦合系統，其特征在于，所述蒸發器采取2級或3級換熱進行熱量的提取，各級高溫熱泵機組只有各級蒸發器以串聯的方式進行連接，冷凝器以并聯方式連接，其它構成部件相互獨立。
4.根據權利要求1所述高溫熱泵技術與銅氨液精煉工藝中余熱回收的耦合系統，其特征在于，所述銅氨液循環系統再生過程中出回流塔后的銅液是55°C，進入還原器，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入冷凝器，繼續被加熱，升溫至80°C，出冷凝器的銅液再進入再生器，停留時間達45分鐘。
全文摘要
本發明公開了一種高溫熱泵技術與銅氨液精煉工藝中余熱回收的耦合系統，主要包括銅氨液和高溫熱泵工質兩個循環系統，熱泵機組的蒸發器取代原有冷卻水和液氨二級冷卻，將銅洗過程高溫的銅氨液溫度降到要求溫度；熱泵機組的冷凝器取代原有的高溫蒸汽，滿足再生過程對高品質熱量的需求。本發明的系統，將能源品位提升技術與合成氨化工工藝進行了有機的耦合，不僅可回收銅氨液溶液在銅洗過程中產生的低品位余熱，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。不但減少了傳統工藝中冷卻塔風機及氨制冷等設備運轉引起的能耗，也減少了環境的熱污染；產生的高溫熱又可供銅氨液再生使用，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B01D53/18GK102989264SQ20121036176
公開日2013年3月27日 申請日期2012年9月24日 優先權日2012年9月24日
發明者鄧娜, 張于峰, 于曉慧, 張彥, 董勝明 申請人:天津大學