专利名称：高温热泵技术与铜氨液精炼工艺中余热回收的耦合系统的制作方法
技术领域：
本发明属于热泵及合成氨精炼工艺的技术领域，特别涉及采用高温热泵回收利用铜氨液精炼工艺余热的系统。
背景技术：
合成氨是我国化工行业中的五大高耗能产业之一，其耗能占化工行业总量的40%。分析其生产工艺过程中可采用哪些节能技术与设备，突破技术瓶颈，开发相关技术与设备，并进行与合成氨工艺的有机耦合利用，是高资源、高能耗、高污染性型合成氨生产行业迫切需要解决的节能关键问题。合成氨的生产主要包括原料气制造、原料气净化以及氨合成三个工序。原料气净化工序是指将来自原料气制造工序的合成氨粗原料气经脱硫、变换、脱碳、精炼过程，除去原料气中的杂质以满足合成氨的要求。铜氨液吸收法是合成氨常采用的精炼工艺方法之一，主要包括铜洗和再生两个过程。铜洗的过程需在低温条件下进行，而再生工艺流程需在高温条件下进行。传统工艺为了创造适合的环境条件，利用冷却水及氨制冷将铜洗过程高温的铜氨液温度降到要求温度(65°C -70°C降至8°C -15°C );而再生过程则需使用大量的蒸汽等能源加热铜氨液，使其达到一定温度条件(70°C左右升至80°C左右)。由此看整个过程耗能量极大，表现在不仅要配备冷却塔将冷却水的热量散发到空气中，需提供电能供给冷却塔风机及氨制冷设备运转，且要消耗大量的能源以产生再生过程用蒸汽。而铜洗过程的余热竟未得到任何利用，反而成为消耗能源的过程。分析铜氨液精炼过程，存在着铜洗过程放出的低品质余热(65°C -70°C )，也存在再生过程对高品质热量(80°C左右)的需求。若能将余热品质提升，产生高位热源回用，则正可解决本工艺的需求，极大程度节约能源，又可降低因一次能源使用而带来的污染。热泵作为一种高效集热并提升热量的装置，以消耗少量的高质能(机械能、电能等)或高温位热能作为代价，通过热力循环，将热能由低品位升至高品位。不仅可以减少供热所需的煤炭等化石燃料，又可以间接提高工业流程的能源利用率。但传统热泵能产生的热量温度水平(45°C左右)较低，而本工艺再生过程需要的温度条件为80°C左右，因此利用传统热泵无法解决这个问题。本发明采用的高温热泵技术则克服了传统热泵技术提供的水温或者风温较低的缺点，采用高温制冷剂，可利用铜洗过程的余热满足合成氨工艺中再生过程的要求，既替代了高品质热源，也节省了冷却铜洗过程余热的能量投入。但是如何将高温热泵技术与铜氨液精炼工艺过程有机的结合进行系统化和装置化，仍是存在技术与工艺上的瓶颈，本发明拟提出一套高温热泵技术与铜氨液精炼工艺过程余热循环利用的耦合系统与装置，以提供解决方法。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种高温热泵技术与铜氨液精炼工艺过程中余热回收循环利用的耦合系统，解决铜洗过程放出的低品质余热浪费，再生过程对高品质热量的需求能量耗费大造成的资源浪费及一次能源使用而带来的污染的问题。本发明的技术方案如下一种高温热泵技术与铜氨液精炼工艺中余热回收的耦合系统，主要包括铜氨液和高温热泵工质两个循环系统铜氨液循环系统主要包括铜洗和再生两个过程铜洗过程是指经再生器再生后的铜液进入换热器放出部分热量，降温后的铜液650C -70°C进入蒸发器，铜液在蒸发器里温度降到8°C -15°C，出蒸发器的铜液回到高压铜泵，打入铜塔吸收合成氨粗原料气中的CO、CO2, 02、H2S等杂气；再生过程是指在铜塔中吸收了杂气的铜液经减压后流入回流塔顶部，与铜液再生气逆向接触，吸收再生气中的氨和水蒸气；铜液进入换热器回收部分热量后回到回流塔二段，在塔内一方面进一步解析铜液中的CO和CO2，另一方面吸收再生气的氨和热量；出回流塔后的铜液进入还原器，回收利用其它工艺工段的热量，铜液的温度上升，升温的铜氨液溶液再进入冷凝器，继续被加热；出冷凝器的铜液再进入再生器，维持在固定温度条件，以保证CO和CO2完全解析，从而使铜液得以再生，循环使用；高温热泵工质循环系统主要包括蒸发器、冷凝器、压缩机、膨胀阀以及高温工质；制冷剂经膨胀阀降低压力和温度，低温低压的制冷剂进入蒸发器，吸收铜氨液精炼工艺中的余热而气化；气化的低压制冷剂进入压缩机进行压缩，压缩后的高压制冷剂进入冷凝器，制冷剂液化冷凝放热加热再生过程中的铜液，液化的制冷剂再进入膨胀阀循环运行。所述高温工质为BY-3。商品名为北洋3#制冷剂，厂家是天津大学制冷剂厂。所述蒸发器采取二级或三级换热进行热量的提取是指各级高温热泵机组只有各级蒸发器(铜氨液溶液侧)以串联的方式进行连接，冷凝器(铜液侧)以并联方式连接，其它构成部件相互独立。如图所示，铜氨液溶液(65 0C-70 °C)进入第一级蒸发器7a降温后(38 °C左右)，再进入二级蒸发器7b中继续降温，使其温度降到要求温度(8 0C-15 °C)，冷凝器以并联方式进行连接，温度升至70 °C铜液一部分进入一级冷凝器4a，其余部分进入二级冷凝器4b，在冷凝器中的铜液吸收冷凝热升至80 V，进入冷凝器的铜液流量根据蒸发器侧的温度需求来调节流量，三级换热同理。所述铜氨液循环系统再生过程中出回流塔后的铜液是55°C，进入还原器，回收利用其它工艺工段的热量，铜液的温度升至70°C，升温的铜氨液溶液再进入冷凝器，继续被加热，升温至80°C，出冷凝器的铜液再进入再生器，停留时间达45分钟。此流程中，热泵机组的蒸发器取代原有冷却水和液氨二级冷却，将铜洗过程高温的铜氨液温度降到要求温度；热泵机组的冷凝器取代原有的高温蒸汽，满足再生过程对高品质热量的需求。在此系统装置中，高温热泵吸收铜洗过程铜氨液的余热较多，除了满足铜氨液再生过程对高品质热量的需求外，还富裕部分的高品质热量，这部分高品质热量可供暖、生活热水或者其它工艺流程等，可节约大量高品质能源、降低一次能源燃烧产生的大量有害气体的排放和热污染。本发明的有益效果是本发明提出的高温热泵技术与铜氨液精炼工艺过程中余热回收循环利用的耦合系统与装置，将能源品位提升技术与合成氨化工工艺进行了有机的耦合。不仅可回收铜氨液溶液在铜洗过程中产生的低品位余热，且将铜氨液加热到再生过程中的温度条件，并具有较高的能效比，至少在3. 5以上。总体看来，不但减少了传统工艺中冷却塔风机及氨制冷等设备运转引起的能耗，也减少了环境的热污染；产生的高温热又可供铜氨液再生使用，减少了煤炭等化石燃料的消耗和大量有害气体的排放。此系统不仅提高了工艺流程的能源利用率，节能、经济效果都十分显著。同时，本发明将极大的扩展低温余热的再利用范围，可替代生产过程供热、采暖系统供热等。如仅2008年我国集中采暖供热能力为蒸汽94454t/h，热水305695MW，若利用高温热泵回收大量存在的低温热，用于供热及工艺流程等，即可节约大量高品质能源、降低一次能源燃烧产生的大量有害气体的排放和热污染。
图1是本发明高温热泵与铜氨液精炼工艺余热回收利用耦合系统的工艺流程图；其中I—铜塔；2—回流塔；3—还原器；4a——一级冷凝器；4b——二级冷凝器；5—再生器；6—换热器；7a——级蒸发器；7b—二级蒸发器；8——铜泵；·9a—一级压缩机；9b—二级压缩机；10a——一级膨胀阀；10b——二级膨胀阀。
具体实施例方式将高温热泵与铜氨液精炼工艺余热回收利用的耦合系统用于甘肃某合成氨生产企业的铜氨液精炼工艺进行实例分析，结合工艺流程图1进行表述。本实例中经再生器再生后的铜液进入换热器6放出部分热量，68°C的铜液分别进入一级蒸发器7a和二级蒸发器7b，使温度降到10°C，然后铜液回到高压铜泵8进口，打入铜洗塔I吸收合成氨粗原料气中杂气。然后铜液进入回流塔2吸收热量，升温后进入还原器3，进入还原器3的铜液温度为55°C，出还原器3的70°C铜液一部分进入一级冷凝器4a，剩余部分进入二级冷凝器4b，继续被加热，铜液吸收制冷剂BY-3的冷凝热温度升至80°C。80°C的铜液进入再生器5，完全解吸铜液中的CO和CO2得以再生，循环使用。本实例采用热泵机组将铜液的余热吸收，节省了原方案中冷却塔的冷却水和液氨二级冷却的设备和运行费用；机组冷凝器端产生的高温热用以加热再生的铜氨液溶液，取代了原方案中高温蒸汽的加热。高温高压的制冷剂BY-3进入一级冷凝器4a和二级冷凝器4b，冷凝器中的制冷剂液化冷凝放热加热再生过程中的铜液，然后制冷剂BY-3进入一级膨胀阀IOa和二级膨胀阀10b，在膨胀阀中制冷剂的温度和压力都降低，低温低压的制冷剂BY-3进入一级蒸发器7a和二级蒸发器7b，吸收铜氨液精炼工艺中的余热而气化；气化的低压制冷剂进入一级压缩机9a和二级压缩机9b进行压缩，压缩后的高压制冷剂进入冷凝器循环运行。本方案中高温热泵的COP保守取值为3. 5，铜液的流量100m3/h，比热容0. 9kcal/(kg °C ) o计算可得吸收余热6058.1kW,产生的高温热8481. 3kW,用于铜氨液再生1044. 5kff,富裕热量7436. 8kW可供生活热水或者冬季供暖等需求。每年经济效益可达336多万元，除此之外，还有很好的环境效益和节能效果。经折算，每年可节省标煤6500多吨，CO2减排量14000多吨，SO2减排量440多吨，氮化物减排量为210多吨。此外，本方案中铜氨液在铜洗过程中，温降较大，一级换热不足以提取所有余热，应采取二级甚至三级换热进行热量的提取；高温热泵从铜氨液吸收的低温余热较多，热泵产生的高温热将铜氨液再生后，还富裕部分的热量，可将这部分高品质热量供暖、生活热水或者其它工艺流程等。尽管结合附图对本发明进行了上述描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式
，上述的具体实施方式
仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护范围的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之列。
权利要求
1.一种高温热泵技术与铜氨液精炼工艺中余热回收的耦合系统，其特征在于，主要包括铜氨液和高温热泵工质两个循环系统 铜氨液循环系统主要包括铜洗和再生两个过程 铜洗过程是指经再生器再生后的铜液进入换热器放出部分热量，降温后的铜液65°C-70°C进入蒸发器，铜液在蒸发器里温度降到8°C -15°C，出蒸发器的铜液回到高压铜泵，打入铜塔吸收合成氨粗原料气中的杂气； 再生过程是指在铜塔中吸收了杂气的铜液经减压后流入回流塔顶部，与铜液再生气逆向接触，吸收再生气中的氨和水蒸气；铜液进入换热器回收部分热量后回到回流塔二段，在塔内一方面进一步解析铜液中的CO和CO2，另一方面吸收再生气的氨和热量；出回流塔后的铜液进入还原器，回收利用其它工艺工段的热量，铜液的温度上升，升温的铜氨液溶液再进入冷凝器，继续被加热；出冷凝器的铜液再进入再生器，维持在固定温度条件，以保证CO和CO2完全解析，从而使铜液得以再生，循环使用； 高温热泵工质循环系统主要包括蒸发器、冷凝器、压缩机、膨胀阀以及高温工质；制冷剂经膨胀阀降低压力和温度，低温低压的制冷剂进入蒸发器，吸收铜氨液精炼工艺中的余热而气化；气化的低压制冷剂进入压缩机进行压缩，压缩后的高压制冷剂进入冷凝器，制冷剂液化冷凝放热加热再生过程中的铜液，液化的制冷剂再进入膨胀阀循环运行。
2.根据权利要求1所述高温热泵技术与铜氨液精炼工艺中余热回收的耦合系统，其特征在于，所述高温工质为BY-3。
3.根据权利要求1所述高温热泵技术与铜氨液精炼工艺中余热回收的耦合系统，其特征在于，所述蒸发器采取2级或3级换热进行热量的提取，各级高温热泵机组只有各级蒸发器以串联的方式进行连接，冷凝器以并联方式连接，其它构成部件相互独立。
4.根据权利要求1所述高温热泵技术与铜氨液精炼工艺中余热回收的耦合系统，其特征在于，所述铜氨液循环系统再生过程中出回流塔后的铜液是55°C，进入还原器，回收利用其它工艺工段的热量，铜液的温度升至70°C，升温的铜氨液溶液再进入冷凝器，继续被加热，升温至80°C，出冷凝器的铜液再进入再生器，停留时间达45分钟。
全文摘要
本发明公开了一种高温热泵技术与铜氨液精炼工艺中余热回收的耦合系统，主要包括铜氨液和高温热泵工质两个循环系统，热泵机组的蒸发器取代原有冷却水和液氨二级冷却，将铜洗过程高温的铜氨液温度降到要求温度；热泵机组的冷凝器取代原有的高温蒸汽，满足再生过程对高品质热量的需求。本发明的系统，将能源品位提升技术与合成氨化工工艺进行了有机的耦合，不仅可回收铜氨液溶液在铜洗过程中产生的低品位余热，且将铜氨液加热到再生过程中的温度条件，并具有较高的能效比。不但减少了传统工艺中冷却塔风机及氨制冷等设备运转引起的能耗，也减少了环境的热污染；产生的高温热又可供铜氨液再生使用，减少了煤炭等化石燃料的消耗和大量有害气体的排放。
文档编号B01D53/18GK102989264SQ20121036176
公开日2013年3月27日 申请日期2012年9月24日 优先权日2012年9月24日
发明者邓娜, 张于峰, 于晓慧, 张彦, 董胜明 申请人:天津大学