劉進陽，盧 葦，劉紀云，徐 昆，陳 漢，許 浩

（廣西大學 化學化工學院，廣西 南寧 530004）

丙烯腈生產中吸收塔尾氣焚燒爐煙氣余熱的回收利用

劉進陽，盧 葦，劉紀云，徐 昆，陳 漢，許 浩

（廣西大學 化學化工學院，廣西 南寧 530004）

結合某200 kt丙烯腈生產項目設計氨水吸收式梯級制冷系統，用以回收丙烯腈項目排出的吸收塔尾氣焚燒爐（AOGI）煙氣余熱。通過該系統既可制取-10 ℃的鹽水，替代此項目原有螺桿乙二醇制冷機達到丙烯腈單元的生產要求；又可制取-5℃的冰，可以應用于餐飲行業(yè)保存食物等。應用MATLAB軟件對設計系統進行仿真，并采用夾點技術進行分析計算。實驗結果表明，系統共回收AOGI煙氣量1.67×105Nm3/h，可制取621 kW的冷量，共節(jié)約電量187.11 kW，一年可節(jié)省人民幣約95萬元。

丙烯腈；吸收塔尾氣焚燒爐；煙氣；余熱；氨水吸收制冷系統；夾點技術

丙烯腈作為重要的化工原料［1］，應用前景廣闊，市場需求量逐年增加。合成纖維、橡膠和樹脂等均需用到丙烯腈［2-4］。我國丙烯腈的生產起步于1968年［5］，生產量和需求量一直在增加，截至目前全國丙烯腈的生產能力已超百萬噸，需求量已達千萬噸［3］。

隨著節(jié)能意識的增強，已有眾多學者對節(jié)能環(huán)保的丙烯腈生產項目進行了研究，例如：催化劑對丙烯腈生產的影響［6］、吸收塔和回收塔對丙烯腈生產效果的影響［4］、丙烯腈生產廢水的工藝研究［7-10］、丙烯腈裝置應急控制技術的研究［11］等。在丙烯腈生產過程中，為使廢氣達到無毒排放，吸收塔頂排出的吸收尾氣要經焚燒爐高溫燒卻，使有害物質分解。因此，焚燒爐會排出一種含有大量低品位余熱的吸收塔尾氣焚燒爐（AOGI）煙氣。

本工作以某200 kt丙烯腈生產項目為例，對AOGI煙氣余熱的回收利用方式進行了系統設計和研究，采用氨水吸收式制冷系統回收AOGI煙氣余熱，以期達到較好的節(jié)能和降低成本的效果。

1 制冷系統設計

1.1 AOGI煙氣的物性

丙烯腈生產單元正常運行時，由吸收塔頂排出的吸收尾氣經焚燒爐焚燒，產生大量含低品位熱能的AOGI煙氣。AOGI煙氣的組成（w）為：CO24.63%，N284.5%，H2O 8.94%，O21.93%。AOGI煙氣的物性見表1。

表1 AOGI煙氣的物性Table 1 Properties of fue gas from an absorber of gas incinerator

1.2 系統結構的設計

AOGI煙氣中含有的低品位熱能可作為氨水吸收式制冷系統的熱源，獲取0 ℃以下的溫度，用于丙烯腈項目和日常生活。氨水吸收式制冷系統應用低品位熱能制取冷量，可替代其他電制冷設備，達到節(jié)約電能、減少CO2排放和保護環(huán)境的目的。

某200 kt丙烯腈生產項目原采用制冷量為374 kW的螺桿乙二醇制冷機提供項目所需的-10 ℃的鹽水，這樣會消耗大量電能。且廣西屬南亞熱帶季風氣候，氣溫高，平時生活中需要很多冷量?；谝陨蟽牲c，設計氨水吸收式梯級制冷系統，同時制取-10 ℃的鹽水（以達到丙烯腈單元的生產要求）和-5 ℃的冰（可以應用于餐飲行業(yè)保存食物等）。設定蒸發(fā)溫差為5 ℃，制取-10 ℃的鹽水和-5 ℃的冰所需的蒸發(fā)溫度分別為-15 ℃和-10 ℃。

氨水吸收式梯級制冷系統的流程見圖1。由圖1可見，氨水吸收式梯級制冷系統分為兩部分，一部分為公共部分，包括發(fā)生器a、分凝器b、冷凝器c、溶液熱交換器h和精餾器j；另一部分為并聯部分，由兩個分支并聯組成，分別用于制取-10 ℃的鹽水和- 5 ℃的冰，包括過冷器d1和d2、蒸發(fā)器e1和e2、吸收器f1和f2、溶液泵g1和g2。為使該氨水梯級制冷系統內部進行等溫混合以充分利用系統的能量［12］，設計系統在溶液泵g1和g2后混合溶液。

Hong等［13-15］對氨水吸收式制冷循環(huán)提出了改進措施，在一定程度上提升系統的性能系數（COP）值。但這些改進在一定程度上會增加系統的復雜性，增大占地面積，且后期維護困難。因此，本工作設計的氨水吸收式梯級制冷系統內部熱回收方式僅保留有精餾器熱回收［16-18］，溶液熱交換和制冷劑熱交換3種方式。設計的氨水吸收式梯級制冷循環(huán)系統結構相對簡單、操作維護相對方便、且能回收系統內部的部分熱量和冷量。

圖1 氨水吸收式梯級制冷系統的流程Fig.1 Schematic diagram of ammonia-water absorption refrigeration multiple system.a Generator；b Fractional condenser；c Condenser；d1，d2 Subcoolers；e1 Evaporator of -10 ℃ brine；e2 Evaporator of -15 ℃ brine；f1，f2 Absorbers；g1，g2 Solution pumps；h Solution heat exchanger；i1，i2，i3 and i4 Expansion valves；j Rectifer；1-3，7a，7b，8a，8b，9a，9b，10a，10b，11 State parameter points

1.3 系統運行條件的設定

廣西年降水量大、空氣濕度大，若冷凝器和吸收器應用冷卻塔進行水冷，冷卻塔的溫降不明顯，并且隨著天氣的變化，冷卻水溫度也會變化，導致制冷系統性能不穩(wěn)定，不能滿足冷凝器溫降的要求。由于深井水［19］的溫度相對較低，夏季一般為22.4 ℃左右，并且相對穩(wěn)定。因此，若采用深井水對冷凝器和吸收器進行冷卻，可使設計系統性能相對穩(wěn)定，達到冷凝器和吸收器降溫的要求。所以，本工作采用深井水，利用并聯方式對冷凝器和吸收器進行冷卻，并設定冷凝溫度為30 ℃、冷凝器的過冷溫度和吸收器的出口溫度均為27 ℃。另根據AOGI煙氣的物性，設定發(fā)生器溶液出口溫度為120 ℃。

2 系統的分析計算

根據設定的系統運行條件，對氨水吸收式梯級制冷系統應用MATLAB軟件進行仿真模擬，并應用夾點技術［13，20］對系統的過冷器d1、d2和溶液熱交換器h進行換熱分析，以達到能量的最大利用。經計算并對氨水吸收式梯級制冷系統進行整體分析后得出圖1中各狀態(tài)點的狀態(tài)參數，見表2。

表2 設計系統各狀態(tài)點的狀態(tài)參數Table 2 State parameter of every state point in the designed system

在用夾點技術進行分析時，設定最小溫差為5℃。根據計算結果繪制過冷器d1和溶液熱交換器h進行最大熱交換過程的夾點技術分析圖。過冷器d1和溶液熱交換器h進行熱交換過程的位移組合曲線分別見圖2和圖3。過冷器d2進行熱交換的過程與過冷器d1類似。

圖2 過冷器d1進行熱交換過程的位移組合曲線Fig.2 Shifted composite curves of heat transfer process in subcooler d1.

由圖2可見，熱流線表示進蒸發(fā)器e1的液氨制冷劑在過冷器d1進行熱交換的過程，冷流線表示從蒸發(fā)器e1出來的氨蒸氣制冷劑在過冷器d1進行熱交換的過程。冷流線和熱流線縱向重合的曲線表示過冷器d1中進行最大熱交換的過程。夾點溫度為24.5℃，即此處冷熱流進行熱交換的溫差最小。此時，熱流進行熱交換的溫度為27 ℃，冷流進行熱交換的溫度為22 ℃。

圖3 溶液熱交換器h進行熱交換過程的位移組合曲線Fig.3 Shifted composite curves of heat transfer process in solution heat exchanger h.

由圖3可見，熱流線表示從發(fā)生器出來的稀溶液在溶液熱交換器h進行熱交換的過程，冷流線表示從分凝器出來的濃溶液在溶液熱交換器h進行熱交換的過程。冷流線和熱流線縱向重合的曲線表示溶液交換器h中進行最大熱交換的過程。夾點溫度為36.5 ℃，即此處冷熱流進行熱交換的溫差最小。此時，熱流進行熱交換的溫度為39 ℃，冷流進行熱交換的溫度為34 ℃。

3 系統節(jié)能效果

經過分析計算，蒸發(fā)器e1可提供374 kW的冷量用以替換200 kt丙烯腈生產項目中制冷量為374 kW的螺桿乙二醇制冷機，所需的AOGI煙氣量為1.01×105Nm3/h，可節(jié)約電量110 kW；剩余的煙氣量為6.66×104Nm3/h，可用于蒸發(fā)器e2制取冷量，可制取的冷量為247 kW，可節(jié)約電量77.11 kW。系統共回收AOGI煙氣量1.67×105Nm3/h，可制取621 kW的冷量，共節(jié)約電量187.11 kW，按平均一度電0.58元計，所設計的氨水吸收式梯級制冷系統一年可節(jié)省人民幣95萬元。

4 結論

1）通過氨水吸收式制冷系統回收丙烯腈生產過程中排出的AOGI煙氣余熱，制取冷量，滿足丙烯腈生產工藝需要和日常生活所需。

2）結合某200 kt丙烯腈項目設計的氨水吸收式梯級制冷系統，既可替換該項目中原有的螺桿乙二醇制冷機，又可制取-5℃的冰供日常生活所需。

3）應用MATLAB軟件對設計系統進行仿真，并采用夾點技術進行分析計算。實驗結果表明，系統共回收AOGI煙氣量1.67×105Nm3/h，可制取621 kW的冷量，共節(jié)約電量187.11 kW，一年可節(jié)省人民幣約95萬元。

4）該氨水吸收式梯級制冷系統利用了低品位廢熱能，節(jié)約了電能，增加了經濟效益，可減少CO2的排放，有利于環(huán)境保護。

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（編輯 王 馨）

Recovery and utilization of waste heat in flue gas from absorber off gas incinerator in acrylonitrile production

Liu Jinyang，Lu Wei，Liu Jiyun，Xu Kun，Chen Han，Xu Hao
（School of Chemistry and Chemical Engineering，Guangxi University，Nanning Guangxi 530004，China）

A multiple ammonia-water absorption refrigeration system was designed to recover and utilize waste heat in fue gas from Absorber Of Gas Incinerator(AOGI) in a 200 kt acrylonitrile production unit. The designed system could get -10 ℃ inorganic salt water solution to replace the former screw glycol refrigerating machine in the unit. It could meet the production requirement for the acrylonitrile unit and the system could product -5 ℃ ice at the same time And the ice may be applied in food industry to preserve food，etc. The designed system was simulated by means of the MATLAB software and was calculated by pinch technology. It could be concluded that this system could recover the AOGI fue gas volume of 1.67×105Nm3/h，gain the cooling capacity of 621 kW，save electric power of 187.11 kW and economize about ￥950，000 per year.

acrylonitrile；absorber off gas incinerator；flue gas；waste heat；ammonia-water absorption refrigeration system；pinch technology

1000 - 8144（2016）08 - 0972 - 04

TQ 226.6

A

10.3969/j.issn.1000-8144.2016.08.014

2016 - 01 - 18；［修改稿日期］2016 - 04 - 19。

劉進陽（1988—），男，河南省襄城縣人，碩士生，電話 15296557986，電郵 ljygxu@sina.com。聯系人：盧葦，電話15078819474，電郵 luwei@gxu.edu.cn。

國家自然科學基金項目（51366001）；廣西自然科學基金項目（2013GXNSFAA019292）。