CN102895843B - 一种采用超高温热泵回收利用mdea脱碳工艺余热的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用超高温热泵回脱碳工艺余热的系统收利用MDEA脱碳工艺余热的系统，主要包括MDEA脱碳和超高温热泵工质两个流程。此系统中，超高温热泵机组的蒸发器取代原有冷却水，将脱碳工艺的贫液温度降到要求温度，降温后的贫液去吸收工艺气体的CO₂；超高温热泵机组的冷凝器取代原有的高温蒸汽。本发明采用的超高温热泵技术突破了原有的高温热泵温度限制的技术瓶颈，极大的扩展了低温余热的再利用范围。采用超高温混合工质，利用MDEA脱碳工艺过程产生的余热，提升能质品质，以满足MDEA脱碳溶液再生时需要的高温热。此系统不仅提高了工艺流程的能源利用率，还有着很好的节能、经济效果。

Description

一种采用超高温热泵回收利用MDEA脱碳工艺余热的系统

技术领域

本发明属于热泵与脱碳化工工艺技术领域，特别涉及到超高温热泵同MDEA脱碳工艺结合利用的技术及装置。

背景技术

合成氨耗能占化工行业总量的40％，是我国化工行业五大高耗能产业之一。在合成氨生产中，脱碳工序能耗大约为总能耗的10％～15％。所以，脱碳工序可节能空间很大。活化MDEA脱碳是国外70年代BASF开发和工业化技术。这种脱碳工艺技术具有净化度高、可同时脱硫脱碳、氮氢气损失量少、再生CO₂气纯度高、溶剂损失少、不易降解等优点。但是MDEA脱碳工艺在众多脱碳工艺中属高能耗工艺，与PSA、PC等工艺比较时，蒸汽消耗、电耗等均处于劣势。在节能减排的大背景下，MDEA脱碳工艺的能耗问题亟待解决。

MDEA法脱碳就是利用MDEA溶液低温吸附CO₂、高温脱附CO₂的原理来实现的。在低温的条件下，活化MDEA溶液吸收工艺气体中的CO₂，吸收CO₂的MDEA溶液称为富液。在高温的条件下，CO₂从MDEA溶液中解析出来，同时溶液得以再生，释放出CO₂的MDEA溶液称为贫液。传统工艺流程中为实现所需的环境条件，采用冷却水将高温富液降至需求的温度(80℃左右降至50℃～65℃)，降温后的MDEA溶液去吸收工艺气体的CO₂，采用高温蒸汽加热MDEA溶液(75℃左右升至105℃左右)，使其再生。在原工艺流程中，冷却塔将冷却水中的热量散发到空气，不仅需要配置相应的设备，还需要消耗电能等高品质能实现设备的运转，这部分的余热没有利用，反而还需要消耗大量的能源；另外，在MDEA溶液再生的过程中，又需消耗大量的一次能源产生蒸汽用于加热MDEA溶液。这就意味着MDEA脱碳工艺流程中不但消耗了大量的能源，而且其余热未被合理有效的利用。

如何将MDEA脱碳工艺流程中的余热充分合理的利用，提升能质品质，产生的高品质热能再回用到MDEA脱碳工艺流程中，是MDEA脱碳工艺应积极探寻的方式之一。这样不仅大大降低了MDEA脱碳的能耗，而且可减少环境污染和热污染。热泵技术正是实现这一目的的有效技术手段之一。热泵技术将MDEA脱碳工艺的余热转化为高位能，产生的高位能加热再生过程中的MDEA溶液，代价仅为消耗较少量的高品位能(电能、机械能等)。这样既可取代原工艺的冷却塔等设备，充分利用工艺中余热，又可取代原有的蒸汽，减少煤炭等化石燃料的消耗，间接提高工业流程的能源利用率。一般来说，高温热泵的产热温度在65℃以上，却在100℃以下，但是本工艺的MDEA溶液再生过程中需求的高温是105℃，因此传统意义上的高温热泵难以满足此工艺需求。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种采用超高温热泵回收利用MDEA脱碳工艺余热的系统，解决MDEA脱碳工艺流程中的低品位余热无法利用，又需消耗大量的一次能源产生蒸汽用于加热MDEA溶液的资源浪费问题。

本发明的技术方案如下：

一种采用超高温热泵回收利用MDEA脱碳工艺余热的系统，主要由MDEA脱碳和超高温热泵工质两个流程耦合而成：

(1)MDEA脱碳流程

MDEA脱碳流程依次包括再生塔、冷凝器、蒸发器、贫液泵、吸收塔、闪蒸塔、溶液换热器相互连通组成的循环系统；在再生塔中再生的贫液(105℃左右)进入溶液换热器，放出部分热量，降温后的贫液(80℃左右)再进入蒸发器，放出热量，温度降至50℃～65℃的贫液经贫液泵加压后进入吸收塔的上部，吸收塔中的贫液吸收工艺气体中的CO₂，吸收CO₂的MDEA溶液成为富液；吸收塔底部的富液减压后进入闪蒸塔的上部，液体自上而下与再生塔的蒸汽和CO₂混合气逆流接触，吸收蒸汽和CO₂混合气的热量，通过填料层后，富液中部分的CO₂解析出来，富液变为半贫液；出闪蒸塔的半贫液分为两部分，其中大部分半贫液加压后送到吸收塔的中部，另一部分半贫液加压后进入溶液换热器，回收部分贫液的热量；升温后的半贫液进入再生塔的上部，经填料层同自下而上的蒸汽和CO₂混合气一起进入到冷凝器，在冷凝器中吸收热量，半贫液的温度由75℃左右升至105℃左右，升温后的半贫液再回到再生塔，解析出溶液中的CO₂，变成贫液，循环使用；

(2)超高温热泵工质流程

超高温热泵工质流程主要包括压缩机、膨胀阀、冷凝器、蒸发器以及超高温热泵工质；高温气态制冷剂经膨胀阀膨胀而降低压力和温度，低温低压的制冷剂进入蒸发器，吸收贫液的余热而气化，气化的低压制冷剂进入压缩机进行压缩，压缩机排气口的制冷剂成为高温高压状态，高温高压的制冷剂进入冷凝器冷凝放热而液化，冷凝热加热再生过程中的MDEA脱碳溶液，使其达到工艺要求，液化的制冷剂再进入膨胀阀循环运行。

所述高温工质为混合制冷剂BY-4。商品名为北洋4#制冷剂，厂家是天津大学制冷剂厂。

此系统中，超高温热泵机组的蒸发器取代原有冷却水，将脱碳工艺的贫液温度降到要求温度，降温后的贫液去吸收工艺气体的CO₂；超高温热泵机组的冷凝器取代原有的高温蒸汽，满足MDEA溶液再生过程对高品质热量的需求。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种采用超高温热泵回收利用MDEA脱碳工艺余热的系统与装置，将余热利用以及能源品位的提升技术同MDEA脱碳工艺有机的结合起来。在此系统装置中，不仅将MDEA脱碳工艺中产生的低温余热加以回收，并且通过超高温热泵提升了余热的能质品质，产生的高品位热满足工艺中MDEA溶液再生的热量需求。在此过程中，超高温热泵具有较高的能效比(在3.5以上)。总的来说，不但减少了传统工艺中冷却水的应用，还减少余热排放到大气中所产生的热污染，此外，产生的高温热又可供MDEA溶液再生使用，减少了原工艺中高温蒸汽的使用，从而减少了产生蒸汽而造成的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，还有着很好的节能、经济效果。

本发明采用的超高温热泵技术突破了原有的高温热泵温度限制的技术瓶颈，极大的扩展了低温余热的再利用范围。采用超高温混合工质，利用MDEA脱碳工艺过程产生的余热，提升能质品质，以满足MDEA脱碳溶液再生时需要的高温热。

附图说明

图1是本发明采用超高温热泵回收利用MDEA脱碳工艺余热的系统的工艺流程图；

其中1——吸收塔；2——闪蒸塔；3——溶液换热器；4——再生塔；5——冷凝器；6——压缩机；7——膨胀阀；8——蒸发器；9——贫液泵。

具体实施方式

将超高温热泵回收利用MDEA脱碳工艺余热的系统与装置用于甘肃某企业的MDEA脱碳工艺进行实例分析，结合系统流程图1进行表述。

本实例里再生塔4中再生的贫液(105℃)进入溶液换热器3，放出部分热量，温度降为80℃。80℃的贫液进入蒸发器8，蒸发器8中贫液的温度降到60℃，然后贫液回到贫液泵9进口，打入吸收塔1吸收工艺气体中的CO₂，贫液成为富液。富液进入闪蒸塔2与再生塔4的蒸汽和CO₂混合气逆流接触吸收热量，通过闪蒸塔2的富液解析出部分CO₂，富液变成半贫液。半贫液分为两部分，大部分半贫液加压后送到吸收塔1的中部；另一部分半贫液加压后进入溶液换热器3，吸收热量，升温后的半贫液进入再生塔4上部，同自下而上的蒸汽和CO2混合气一起进入到冷凝器5。半贫液进入冷凝器5中吸收冷凝热，温度由75℃升至105℃。然后，升温后的半贫液再回到再生塔4，解析出溶液中的CO₂，变成贫液，循环使用。本实例采用超高温热泵机组将贫液的余热吸收，减少了原方案中冷却水的循环水量，降低冷却水的运行费用以及设备费用；机组冷凝器端产生的高温热用以加热再生的MDEA脱碳溶液，取代了原方案中高温蒸汽的加热。

高温高压的制冷剂BY-4进入冷凝器5，冷凝器5中的制冷剂液化冷凝放热加热MDEA脱碳工艺中的半贫液，然后制冷剂BY-4进入膨胀阀7，在膨胀阀7中制冷剂的温度和压力都降低，低温低压的制冷剂BY-4进入蒸发器8，吸收MDEA脱碳工艺中贫液的热量而气化；气化的低压制冷剂进入压缩机6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，MDEA脱碳溶液流量170m³/h，比热容1.29kcal/(kg·℃)。计算可得：贫液的余热4491.3kW，MDEA脱碳溶液再生时升温需热量3725.17kW，按完全满足供工艺升温热量3725.17kW需求计算，需建立1064KW的热泵机组，热泵需吸收余热2660kW，可从贫液降温处吸收大约半数的热量。每年经济效益可达100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2200多吨，CO₂减排量4900多吨，SO₂减排量150多吨，NO_x减排量为70多吨。

一般来说，贫液降温的余热总量较多，只要从贫液出吸收部分余热，就能满足工艺升温所需的热量。所以未被吸收的贫液余热仍需要采用冷却水进行冷却，但是冷却水的水量却远远小于原工艺中的冷却水水量，从而降低了冷却水循环的功耗以及减小冷却塔等设备费用。此外，还可以利用超高温热泵将贫液的余热全部利用，产生的高温热一部分用于MDEA溶液再生的热量需求，富裕的高品质热量也可用于供暖、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。

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。

Claims (1)

1.一种采用超高温热泵回收利用MDEA脱碳工艺余热的工艺，其特征在于，主要由MDEA脱碳和超高温热泵工质两个流程耦合而成：

(1)MDEA脱碳流程

MDEA脱碳流程依次包括再生塔、冷凝器、蒸发器、贫液泵、吸收塔、闪蒸塔、溶液换热器相互连通组成的循环系统；在再生塔中再生的贫液进入溶液换热器，放出部分热量，降温后的贫液再进入蒸发器，放出热量，然后经贫液泵加压后进入吸收塔的上部，吸收塔中的贫液吸收工艺气体中的CO₂，吸收CO₂的MDEA溶液成为富液；吸收塔底部的富液减压后进入闪蒸塔的上部，液体自上而下与再生塔的蒸汽和CO₂混合气逆流接触，吸收蒸汽和CO₂混合气的热量，通过填料层后，富液中部分的CO₂解析出来，富液变为半贫液；出闪蒸塔的半贫液分为两部分，其中大部分半贫液加压后送到吸收塔的中部，另一部分半贫液加压后进入溶液换热器，回收部分贫液的热量；升温后的半贫液进入再生塔的上部，经填料层同自下而上的蒸汽和CO₂混合气一起进入到冷凝器，在冷凝器中吸收热量，半贫液的温度升高，升温后的半贫液再回到再生塔，解析出溶液中的CO₂，变成贫液，循环使用；

(2)超高温热泵工质流程

超高温热泵工质流程主要包括压缩机、膨胀阀、冷凝器、蒸发器以及超高温热泵工质；高温气态制冷剂经膨胀阀膨胀而降低压力和温度，低温低压的制冷剂进入蒸发器，吸收贫液的余热而气化，气化的低压制冷剂进入压缩机进行压缩，压缩机排气口的制冷剂成为高温高压状态，高温高压的制冷剂进入冷凝器冷凝放热而液化，冷凝热加热再生过程中的MDEA脱碳溶液，使其达到工艺要求，液化的制冷剂再进入膨胀阀循环运行。