利用熱泵式熱泵凝聚廢熱工業(yè)技術

1、利用吸收式熱泵回收凝聚廢熱工業(yè)技術一、前言吸收式熱泵（Absorption Heat pumps）簡稱AHP是一種有效的節(jié)能裝置，它可以 分為兩大類，第一類吸收式熱泵是利用高溫熱能來提升低溫熱能，雖然消耗了高溫熱量， 但卻有效地回收了低溫熱量，使總能量利用率得以提高。第二類吸收式熱泵是利用低溫 熱量（排放的廢熱，60CVTV100，C ）向環(huán)境排放的同時對外作功，并在這部分功的 作用下，把部分廢熱轉移到更高的溫位，加以重新利用。為區(qū)別起見，常把第二類吸收 式熱泵簡稱為 AHT （Absorption Heat Transformer）o我國在工業(yè)用AHT的設計開發(fā)上起步較晚，但隨著國家經(jīng)濟的迅

2、速發(fā)展，面臨著 能源供應日趨緊張和能源價格不斷上漲的形式。因此，AHT作為節(jié)能環(huán)保裝置，在國內 應用推廣的前景廣闊。為此北京燕山石化公司研究院與大連理工大學化工學院合作，在 研究院SBS中試裝置上完成了回收凝聚低溫熱源熱泵系統(tǒng)的中試研究，并于1997 年11月26日通過中石化組織的技術鑒定。為早日將此技術工業(yè)化，燕化研究院與燕化 橡膠廠共同在年產(chǎn)3萬噸SSBR工業(yè)裝置和2.5萬噸SBS工業(yè)裝置上開發(fā)了能共用的第 一套5000kW工業(yè)級吸收式熱泵技術，于1999年5月在燕化橡膠廠建成。經(jīng)過近兩年運 行證明，AHT技術可靠、操作簡單，能隨凝聚裝置平穩(wěn)生產(chǎn)，節(jié)能效果顯著。此項目已 于2001年2月2

3、8日通過中石化組織的技術鑒定。該技術在國內具有技術領先優(yōu)勢。北京燕山石油化工股份公司合成橡膠事業(yè)部是以生產(chǎn)合成橡膠，尤其以順丁橡膠 （簡稱BR）為主的大型石化企業(yè)。經(jīng)過多年努力，國內合成橡膠的生產(chǎn)技術不斷提高、 日趨完善，至今其產(chǎn)品數(shù)量、質量居國內領先地位，部分產(chǎn)品（BR、SBS）已打入國際 市場并有較高的聲譽。但與國際同類產(chǎn)品相比，能耗偏高，這不但直接影響企業(yè)經(jīng)濟效 益，同時也阻礙國產(chǎn)技術的對外出口，限制了合成橡膠事業(yè)進一步發(fā)展。另外，隨著能 源供應的日趨緊張、能源價格不斷上漲的形勢及從可持續(xù)發(fā)展的角度出發(fā)，節(jié)約生產(chǎn)過 程中的能源消耗，也將越來越重要。二、流程及技術特點凝聚工序簡述燕化合成橡

4、膠廠生產(chǎn)的BR是燕化公司自行開發(fā)的技術，經(jīng)過多年不斷的技術革新 產(chǎn)品的質量已達到國際先進水平，能耗、物耗已降到歷史最高水平。在合成橡膠、合成 熱塑性彈性體等生產(chǎn)裝置中，對膠液的凝聚過程通常采用經(jīng)典的釜式凝聚方法（流程見 圖-1），凝聚工序的任務是將聚合生成的聚合物膠液噴入既作為傳熱介質又作為輸送介 質的熱水中，通過水蒸汽提供的熱量使溶液狀的橡膠凝聚成顆粒狀，并回收溶劑和未反 應完全的單體。同時熱水又可將聚合過程中的殘余催化劑洗凈、脫除。膠液的凝聚過程 是一個傳熱和傳質偶合的過程，散入水中的膠粒從周圍液相中吸收熱量，膠粒中溶劑和 未反應完全的單體因受熱而通過膠粒疏松結構的眾多孔蒸發(fā)進入周圍液相。

5、該工藝分為 兩個過程，即水蒸汽蒸餾過程和擴散過程。評價凝聚操作的指標主要是蒸汽消耗量和膠中含油量。從流程圖可以看出，凝聚釜汽頂98C左右的汽提氣空冷器、循環(huán)水冷卻器冷至 35 r，進油水分層罐分離，回收溶劑油。由于汽提氣的熱量無法回收利用，一部分通過 空冷器排入環(huán)境大氣中，另一部分通過循環(huán)冷卻水帶走，造成巨大的浪費，同時對環(huán)境 造成熱污染。凝聚工序的蒸汽消耗占成品生產(chǎn)總耗汽量的3/5以上。凝聚所耗的蒸汽主要有三 個作用：使膠液升溫全汽提溫度；提供膠液中溶劑的汽化潛熱；把溶劑氣帶出凝 聚釜回收。這中間、兩項的耗汽量之和不足凝聚總耗汽量的1/3,大部分的蒸汽都 用于第項中。在現(xiàn)有的凝聚工藝條件下影

6、響擴散過程的因素：增加水和膠粒的溫差，有利于 傳熱、傳質過程的進行，有利于膠粒中的溶劑分子擴散到膠粒表面；膠粒的粒度越小， 越有利于擴散過程的進行。膠液液滴在凝聚釜內分散得越小，膠粒表面和熱水接觸面就 越大，通過油水界面?zhèn)鬟f過去的熱量就越多，溶劑氣汽化得就越快，從而越有利于擴散 過程的進行。濕膠和1嘿聚釜Oil丁冷卻水 苴水衿器iui r分層水圖-1順丁橡膠凝聚工段流程循環(huán)魂水順丁橡膠凝聚熱泵流程BR凝聚生產(chǎn)為雙釜操作。由于兩個釜的操作壓力不同，即1#釜氣量大，2#釜氣量 小，故只回收1#釜汽提氣余熱。與SBS相比BR凝聚汽提氣中油氣的比例較高，大部分 熱量將在共沸溫度下排放，相應合理的AHT

7、規(guī)模為：6270KW/套。AHT切入凝聚系統(tǒng)的 示意流程，如圖-2所示。過去由凝聚釜頂流出的水蒸氣和有機溶劑蒸汽的混合物(95C) 用空冷器進行冷凝，熱量全部被空冷器排入大氣。采用熱泵后，95C的廢熱被依次送入 蒸發(fā)器和再生器作為驅動熱源。從吸收器輸出的熱量用于加熱循環(huán)熱水，然后返回凝聚 釜，以節(jié)省加熱蒸汽。用AHT回收燕化公司合成橡膠事業(yè)部順丁橡膠裝置凝聚工段汽提氣余熱的流程示 意見圖-2。AHT安裝在凝聚釜頂汽提氣的出口管線上，一臺空冷器。汽提氣串聯(lián)通過熱 泵的蒸發(fā)器、再生器，冷卻冷凝后進入空冷器、水冷器將汽提氣尾氣進一步冷卻、分離 回收溶劑；來自熱水罐的循環(huán)熱水通過熱泵的吸收器被加熱變成

8、過熱水，過熱水經(jīng)膠液噴嘴進入凝聚釜；循環(huán)冷卻水作為熱泵冷凝器的冷卻水。過熱水圖-2回收BR凝聚廢熱的流程示意圖AHT的循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)流程見圖一3。汽提氣在蒸發(fā)器中冷卻冷凝提供熱量產(chǎn)生工 質水蒸氣，出蒸發(fā)器的工質水蒸氣進入吸收器被濃漠化鋰溶液吸收，吸收過程放出的熱 量用來加熱循環(huán)熱水重新返回凝聚釜繼續(xù)使用，出吸收器的稀溶液經(jīng)液一液換熱器與來 自再生器的濃漠化鋰溶液換熱，降低溫度并閃發(fā)后進入再生器，稀溶液在再生器中吸收 來自蒸發(fā)器出口汽提氣提供的熱量后，溶液被濃縮，產(chǎn)生的蒸汽進入冷凝器放出熱量冷 凝為工質水，工質水依靠液位高度返回蒸發(fā)器，再行蒸發(fā)。再生器出口濃溶液經(jīng)液一液 換熱器返回吸收器，再行吸

9、收。圖-3 熱泵的流程示意圖凝聚熱泵的技術特點結合橡膠廠凝聚生產(chǎn)的實際情況，選擇漠化鋰為吸收劑的吸收式熱泵回收合成橡 膠凝聚工段汽提氣廢熱并用于加熱循環(huán)熱水的工藝流程具有以下優(yōu)點：汽提尾氣先后串聯(lián)通過熱泵的蒸發(fā)器和再生器，熱泵分段利用汽提氣中不同組 分的熱量，最大限度地提高了廢熱的利用率；最大可能的提高凝聚尾氣在熱泵中的冷卻 效果，節(jié)約后續(xù)空冷器的耗電量和循環(huán)冷卻水用量。用AHT回收的廢熱加熱循環(huán)熱水產(chǎn)生的過熱水直接用于凝聚釜，而不采用通常 采用的過熱水生產(chǎn)蒸汽的工藝，減少相變過程的散熱損失。過熱水直接用于凝聚釜，有 利于膠粒的分散和溶劑的脫除。與SBS凝聚相比， 膠粒的分散效果十分明顯。不加

10、分 散劑的凝聚釜中膠粒大小比原流程使用分散劑后的膠粒還要小。不加分散劑不僅節(jié)約成 本，還有利于后處理雙機進料，保證成品BR膠的純度。減輕后處理的操作強度，為成 品膠的后期加工創(chuàng)造了有利條件。采用上述技術方案一方面可以增加溶劑回收，降低消 耗，另一方面還可避免如下弊病，即膠中溶劑含量高，在其后續(xù)干燥過程中將以氣體形 式逸出，這樣，不僅將造成環(huán)境污染，而且有引起爆炸著火的危險。根據(jù)順丁橡膠的特 點，細小的顆粒有利于膠中溶劑的脫除，降低十膠含油率，減少溶劑消耗。這是順丁橡 膠凝聚熱泵最明顯的特點。過熱水與膠液混合后噴入凝聚釜可以節(jié)省較多的水蒸汽，相應也就大量節(jié)省了冷 凝蒸汽的冷卻水用量。在凝聚過程中

11、，這些被冷凝的蒸汽經(jīng)油水分層罐分層后變成分層 水，飽和著溶劑的分層水返回至熱水罐。熱水罐中熱水間歇排入地溝變成污水。因此， 由于減少了水蒸汽用量將相應減少其污水生成量。工業(yè)應用效果運行中，AHT系統(tǒng)具有很強的跟隨性和自衡能力，當外部工藝參數(shù)（如汽提氣的 溫度、壓力、熱水入口溫度及流量、循環(huán)冷卻水溫等）維持不變時，系統(tǒng)可很快進入穩(wěn) 定狀態(tài)，且運行十分平穩(wěn)。一旦外部工藝參數(shù)發(fā)生變化，系統(tǒng)內部參數(shù)（如漠化鋰溶液 的濃度、蒸發(fā)壓力、冷凝壓力等）將迅速自動調整到新的平衡點而進入穩(wěn)定狀態(tài)。AHT 的運行或關閉對凝聚工序的操作沒有影響，不會造成生產(chǎn)波動。三、AHT的效益評價在3萬噸/年SBS裝置上近兩年的運

12、行表明，AHT技術可靠、操作簡單，無明顯腐 蝕現(xiàn)象。能隨凝聚裝置平穩(wěn)運行，節(jié)能效果顯著，操作性能參數(shù)COP值為0.450.48, 溫升T為2030C，每噸干膠節(jié)約1.4噸蒸汽。主要技術指標達到當代國外先進水平。 該裝置投資610萬元，基本無運行費用。兩年多即可收回全部投資。每噸SBS成本下降 近130元。2001年此項技術又在燕化合成橡膠事業(yè)部6萬噸順丁橡膠生產(chǎn)線上應用，其規(guī)模 為6270kW。該裝置投資820萬元，2002年11月該裝置一次開車成功，每小時節(jié)省蒸汽 5噸，凝聚工序不再加入分散劑。投用后可為燕化合成橡膠事業(yè)部每年節(jié)支400多萬元。采用熱泵技術可減少凝聚裝置向大氣環(huán)境的熱污染;減

13、少生產(chǎn)低壓蒸汽時燃燒燃油 所排放的燃燒廢氣量；減少CO、SO2、煙塵等有毒有害氣體排放量；減少排放的化學污 水，可節(jié)約污水凈化費。對于保護環(huán)境、保護生態(tài)平衡也有一定的社會效益。四、推廣應用前景本成果不僅可應用于合成橡膠、熱塑性彈性體等工業(yè)生產(chǎn)的凝聚裝置，而且還可廣 泛用于冶金、紡織、化工產(chǎn)品等行業(yè)有低溫廢熱排出的場合。但只有待回用的要求廢熱 溫度高于60C及可回收的熱負荷大于2000kW時才具有經(jīng)濟意義，才能達到經(jīng)濟規(guī)模。 燕化合成橡膠事業(yè)部已計劃在順丁橡膠裝置再上一套同等規(guī)模的熱泵裝置，新建成的6 萬噸SBS裝置也考慮了熱泵的安裝位置。僅就全國順丁橡膠生產(chǎn)裝置而言，如果迅速普 及推廣，每年的經(jīng)濟效益是非?？捎^的。隨著全球工業(yè)的發(fā)展能源逐漸緊缺，工業(yè)熱污染嚴重，溫室效應加劇，經(jīng)濟的可持 續(xù)發(fā)展已提到議事日程，作為環(huán)