CN105674689B - 利用工业烟气余热的变温变湿多段串联干燥流程 - Google Patents

Abstract

一种利用工业烟气余热变温变湿多段串联气固干燥干燥的方法，属于余热利用和过程节能、特别是烟气CO₂减排和循环利用的技术领域。将150~300℃烟气所含余热按温度从高到低依次转化为动力和Ⅰ、Ⅱ两段70~200℃温区气固干燥所需的热能，此两段干燥消耗的热量汇集于70℃以上的Ⅱ段干燥尾气中，用直接接触加热循环水的方法回收并二次利用该热量为45~50℃温区的Ⅲ段振动流态化干燥供热，同时还将降温脱湿后的Ⅱ段干燥尾气用作Ⅲ段的干燥介质，由此构成的变温变湿多段串联干燥流程，不仅动力自给，而且三段干燥汽化总量大于烟气直接降温到50℃对应的最大汽化能力，显著优于传统的气固干燥方法。

Description

利用工业烟气余热的变温变湿多段串联干燥流程

技术领域

本发明涉及烟气余热利用和过程节能，特别是循环利用烟气CO₂减排路线和回收烟气余热、以烟气为干燥介质对颗粒物料进行气固干燥的传热传质技术领域。

背景技术

工业烟气CO₂减排的各种工艺路线首先均要使从燃烧系统排出的烟气降至常温，一般条件下降温过程释放的低位余热利用价值不大。但是，若将此过程与湿颗粒物料的干燥过程相耦合，则不仅可利用烟气余热而且可利用其远离饱和具有干燥过程推动力的特性，构建循环利用流程，将烟气余热转化为干燥过程所需的热能、动力和传质推动力，从而显著提高烟气余热利用效率。例如工业烟气CO₂与工业固废磷石膏矿化联产碳酸钙与硫酸铵工艺中（朱家骅等. 三相全混流二氧化碳氨化矿化反应系统与装置[P]，ZL201210237185.9，2014-04-11），烟气降温与碳酸钙、硫酸铵产品干燥的过程同时存在，大有循环利用的价值。工业过程中湿颗粒物料的水分含量随固液分离方法而变，例如上述工艺中离心分离得到的硫酸铵含水率约5%~7%、真空抽滤得到的碳酸钙含水率约18%~25%，要将其干燥到产品标准要求的水分含量（例如，化肥硫酸铵含水率≤1.0%、水泥原料碳酸钙含水率≤3.0%），不仅干燥脱湿量不同、所需的干燥传质推动力也大不一样。传统的气固两相传热传质干燥，对每一种湿颗粒物料均一次性用热风使水分汽化后随尾气排放，大量可用热焓随之排放，由此对产品能耗、生产成本和环境负荷均产生不利影响。而采用循环利用的方法，根据工业烟气余能品位（温度、湿度）以及干燥任务（湿颗粒物料种类及其初始含水率与产品允许含水率），从烟气最高温区取出余热转化为干燥所需的动力，并且构建以烟气为干燥介质的变温变湿多段串联干燥流程，根据烟气状态合理配置各段干燥参数，前段干燥尾气冷却冷凝脱水释放的热量可为后段提供干燥热源，脱水减湿的前段干燥尾气又可用作后段干燥介质，由此构成余热回收与循环利用的多段串联干燥流程。这是本发明的核心技术思想，类似于此的方法未见报道。

发明内容

本发明公开一种利用工业烟气余热变温变湿多段串联干燥的方法。温度150~300℃、压力0.105~0.110MPa（绝）、水汽分压2~20kPa的工业烟气分段变温变湿，将烟气部分余热转化为动力，并以烟气为干燥介质通过多段串联流程完成初始含水率分别为5%~10%和18%~25%的两种颗粒物料的干燥。

上述烟气首先横掠管翅式换热器1管外翅片，加热在管内流动的热力循环工质（以下简称工质）使其在4.0~20.0MPa的超临界压力下升温至130~280℃，烟气则降温至100~200℃。升温后的超临界工质通过膨胀机4绝热膨胀做功输出动力，工质膨胀后成为80~200℃、1.5~4.0MPa的过热气体，通过内加热流化床干燥器6的换热管内壁向管外流态化的颗粒物料a放热使之升温干燥，工质则冷却冷凝为60~100℃的饱和液体，通过工质加压泵5加压至4.0~20.0MPa的超临界压力、返回管翅式换器1接受管外烟气释放的热量而回复到膨胀前的温度，由此构成封闭的热力循环。通过该循环，工质将烟气通过管翅式换热器1释放的热量一分为二，其中12%~18%转化为动力、其余热量由工质从80~200℃、1.5~4.0MPa的过热气体状态冷却冷凝为饱和液体的方式传递给内加热流化床干燥器6内的颗粒物料干燥。

通过管翅式换器1放热降温至100~200℃的烟气，与来自反应转化系统10的湿颗粒物料b（含水率5%~10%，温度25~45℃）混合进入气流干燥器2，气固两相传热传质，使出口颗粒温度上升至45~70℃、含水率下降至≤1.0%，烟气（干燥尾气）温度下降至50~90℃、相对湿度上升至≤75%，完成颗粒物料b干燥任务，此称为Ⅰ段干燥。Ⅰ段干燥尾气通过气固分离器3与颗粒产品b分离后，用风机11加压恢复到0.105~0.110MPa（绝）的压力，进入内加热流化床干燥器6与振动流态化预热干燥器9来的预热颗粒物料a（含水率10%~15%，温度45~50℃）在换热管外形成气固流态化，接受管内工质冷却冷凝放出的热量，气固两相同时升温、水分汽化、完成颗粒物料a干燥任务，干燥器6出口颗粒和尾气温度均上升至≥70℃、颗粒含水率下降至≤3.0%、尾气相对湿度≤75%，此称为Ⅱ段干燥。Ⅱ段出口尾气温度比Ⅰ段出口尾气温度高10~20℃，且包含了Ⅰ、Ⅱ两段汽化的全部水蒸汽，在相对湿度相同的条件下，Ⅱ段出口尾气的比焓值（即单位质量尾气具有的热焓）至少是Ⅰ段出口尾气的1.5倍，因此Ⅱ段出口尾气用于为振动流态化预热干燥器9（称为Ⅲ段干燥）提供热源。用回热器7使Ⅱ段出口尾气与来自预热干燥器9的循环回水（45~55℃）直接接触冷凝放热，尾气温度下降至≤55℃，回水温度升高至52~58℃、用循环水泵12送入预热干燥器9的热水管内强制对流向管外振动流态化气固两相放热。通过回热器7冷却脱水降温至55℃以下的Ⅱ段出口尾气，需要进一步脱水降低湿含量以便用作Ⅲ段的流态化干燥介质，为此通过气液直接接触交叉流脱湿器8用25~30℃的冷却水使55℃的尾气进一步冷凝脱湿降温至≤35℃，再通过风机13加压恢复到0.105~0.110MPa（绝）的压力，作为干燥介质进入Ⅲ段振动流态化预热干燥器9，与反应转化系统10来的湿颗粒物料a（含水率18%~25%，温度25~45℃）形成围绕热水管的振动气固流态化传热，接受管内52~58℃热水强制对流传出的热量，气固两相同时升温、水分部分汽化；Ⅲ段出口颗粒温度升高至45~50℃、含水率下降至10%~15%，输送到Ⅱ段继续干燥；Ⅲ段出口尾气温度比颗粒温度高2~3℃、相对湿度＜80%、输送去尾气CO₂反应转化系统10，与反应介质一及反应介质二通过气液固三相反应结晶生成颗粒物料a和颗粒物料b，通过固液分离后湿颗粒物料a输送到振动流态化预热干燥器9、湿颗粒物料b输送到气流干燥器2。

本方法实施结果，是将150~300℃烟气所含余热按温度从高到低依次转化为动力和Ⅰ、Ⅱ两段70~200℃温区气固干燥所需热能，此两段干燥热汇集于70℃以上的Ⅱ段干燥尾气中，用降温脱湿的方法从Ⅱ段干燥尾气回收该热量并二次利用于45~50℃温区的Ⅲ段振动流态化干燥过程，同时降温脱湿后的Ⅱ段干燥尾气也升温用作Ⅲ段的干燥介质，由此构成的变温变湿多段串联干燥流程，不仅实现动力自给，而且Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三段干燥汽化总量大于烟气直接降温到50℃对应的最大汽化能力，说明本发明方法显著优于传统的气固干燥方法。

说明书所述热力循环工质需要满足常压沸点低于-20℃、临界压力高于4.0MPa的条件。所述反应转化系统的反应介质一和反应介质二，能够与烟气CO₂产生化学反应，生成物是通过结晶和固液分离而得的无机盐颗粒物料a和颗粒物料b。所述相对湿度是指一定温度的气体中水汽分压与该温度下的饱和水蒸汽压力之比，用百分数表示。

附图说明 附图是本发明提供的利用工业烟气余热的变温变湿多段串联干燥流程示意图。图中：1-管翅式换热器；2-气流干燥器；3-气固分离器；4-膨胀机；5-工质加压泵；6-内加热流化床干燥器；7-回热器；8-气液交叉流脱湿器；9-振动流态化预热干燥器；10-反应转化系统；11-风机；12-循环水泵；13-风机。

具体实施方式 以下结合但不限于实施例阐述本发明具体实施方式

物流：烟气，CO₂体积浓度14%（干基）、温度280℃、总压0.105MPa（绝）、水汽分压13.3kPa；热力循环工质，R134a，常压沸点-26℃，临界压力4.059MPa；颗粒产品a，碳酸钙，湿物料温度25℃、含水率20%；颗粒产品b，硫酸铵，湿物料温度25℃，含水率5%；反应介质一，合成氨；反应介质二，磷石膏；冷却水，供水30℃/回水45℃。

温度280℃、总压0.105MPa（绝）、水汽分压13.3kPa的工业烟气50000 Nm³/h横掠管翅式换热器1放热，使管内流动的热力循环工质（R134a，38730 kg/h）在10.0MPa的超临界压力下升温至240℃、烟气降温至135℃。240℃、10.0MPa的超临界R134a工质进入膨胀机4绝热膨胀做功，输出动力390kW；膨胀后的工质成为180℃、2.63MPa的过热气体，进入内加热流化床干燥器6的换热管内向管外放热，管外流态化颗粒物料a（碳酸钙）受热升温汽化干燥，管内工质则冷却冷凝为80℃的饱和液体、通过工质加压泵5加压至10.0MPa超临界压力、返回管翅式换器1接受烟气热量又升温至240℃、推动膨胀机4做功，由此构成封闭的热力循环。通过该循环，工质将烟气通过管翅式换热器1释放的热量1.024×10⁴ MJ/h一分为二，其中13.7%转化为动力（390kW）、其余为内加热流化床干燥器6提供干燥热能。

通过管翅式换器1放热降温至135℃的烟气，与来自反应转化系统10的湿颗粒物料b（硫酸铵，34737kg/h，含水率5%，温度25℃）混合进入气流干燥器2，气固两相传热传质，使出口颗粒温度上升至50℃、含水率下降至1.0%；出口烟气温度下降至65℃、相对湿度上升至60%，此为Ⅰ段干燥尾气。通过气固分离器3与硫酸铵产品分离后，Ⅰ段干燥尾气通过风机11加压到0.105MPa（绝）进入内加热流化床干燥器6、与来自振动流态化预热干燥器9的预热颗粒物料a（碳酸钙，28710kg/h，含水率13%，温度48℃）在换热管外形成气固流态化吸收管内工质从180℃→80℃冷却冷凝放出的热量，气固两相同时升温、水分汽化、完成颗粒物料a干燥任务，出口处碳酸钙颗粒产品温度上升至75℃、含水率下降至3.0%；出口烟气温度也上升至75℃，由于温度升高的原因，相对湿度反而下降至52.6%，此为Ⅱ段干燥尾气，作为振动流态化预热干燥器9（Ⅲ段干燥）的热源，通过回热器7用预热干燥器9的循环回水（444000kg/h，50℃）直接接触冷却冷凝回收Ⅱ段干燥尾气的余热，使其温度下降至54℃，回水温度则升高至55℃、用循环水泵12加压通过预热干燥器9的热水管对流放热，为Ⅲ段湿颗粒物料a预热干燥提供热量。冷却冷凝降温至54℃的Ⅱ段干燥尾气继续通过气液交叉流脱湿器8与30℃的冷却水（55415 kg/h）直接接触进一步冷凝脱湿降温至34℃，作为Ⅲ段的干燥介质由风机13加压到0.105MPa（绝）进入振动流态化预热干燥器9内，与反应转化系统10来的湿颗粒物料a（碳酸钙，31250kg/h，含水率20%，温度25℃）形成热水管外振动气固流态化传热，接受管内55℃热水强制对流传出的热量而进行Ⅲ段干燥，颗粒温度达到48℃、含水率下降至13%、输送到Ⅱ段内加热流化床干燥器6继续干燥；Ⅲ段出口尾气温度50~51℃、相对湿度78%，输送到反应转化系统10，与反应介质一（合成氨，8500 kg/h）及反应介质二（磷石膏，45000kg/h（绝干质量））反应，在液相中生成碳酸钙结晶和硫酸铵结晶，分别通过真空抽滤和离心机分离后送往振动流态化预热干燥器9和气流干燥器2。

实施例说明，本发明的有益效果是将280℃烟气所含余热依次转化为390kW动力和135→65℃的Ⅰ段干燥热、180→80℃的Ⅱ段干燥热，并从75℃的Ⅱ段干燥尾气中回收热量再次利用于48℃的Ⅲ段振动流态化干燥过程，同时Ⅱ段干燥尾气脱湿降温到34℃后也用作Ⅲ段振动流态化干燥介质，由此构成的变温变湿多段串联干燥流程总消耗功率335kW（两台风机单台功率不超过100 kW，工质加压泵90kW，循环水泵45kW）全部自给，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三段干燥汽化总量6880 kg/h，大于烟气直接降温到50℃对应的最大汽化能力6700 kg/h，具有显著的余热循环利用优势。

本发明不限于上述实施例，其技术方案已在发明内容部分予以说明。

Claims (1)

1.一种利用工业烟气余热变温变湿多段串联干燥的方法，其特征在于将150~300℃烟气所含余热按温度从高到低依次转化为Ⅰ、Ⅱ两段70~200℃温区气固干燥所需热能，此两段干燥热汇集于70℃以上的Ⅱ段干燥尾气中，回收该尾气降温脱湿的热量并再次用于45~50℃温区的Ⅲ段振动流态化干燥过程，同时降温脱湿后的Ⅱ段干燥尾气又被升温用作Ⅲ段干燥介质，由此构成变温变湿多段串联干燥流程；

通过管翅式换器放热降温至100~200℃的烟气，与含水率5%~10%、温度25~45℃的湿颗粒物料混合通过Ⅰ段气流干燥器，气固两相传热传质，使出口颗粒温度上升至45~70℃、含水率下降至≤1.0%，干燥尾气温度下降至50~90℃、相对湿度上升至≤75%；

Ⅰ段干燥尾气用风机加压恢复到0.105~0.110MPa的压力，进入Ⅱ段内加热流化床干燥器与含水率10%~15%、温度45~50℃的预热颗粒物料在换热管外形成气固流态化，气固两相同时升温，颗粒出口温度和干燥尾气温度均上升至≥70℃、颗粒含水率下降至≤3.0%、尾气相对湿度≤75%；Ⅱ段出口干燥尾气温度比Ⅰ段出口干燥尾气温度高10~20℃、且包含了Ⅰ、Ⅱ两段汽化的全部水蒸汽，被用于为Ⅲ段振动流态化预热干燥器提供热源，其方法是与振动流态化预热干燥器的循环水直接接触冷却冷凝放热、使循环水温从45~55℃升高到52~58℃用循环水泵送入该预热干燥器的热水管内向管外强制对流放热，Ⅱ段干燥尾气则降温至≤55℃并且继续用25~30℃的冷却水直接接触冷却冷凝脱湿降温至≤35℃后，用风机加压至0.105~0.110MPa又作为干燥介质进入Ⅲ段振动流态化预热干燥器，与含水率18%~25%、温度25~45℃的湿颗粒物料形成围绕热水管外的振动气固流态化接受管内52~58℃热水放出的热量，气固两相同时升温，出口颗粒温升至45~50℃、含水率下降至10%~15%，输送到Ⅱ段继续干燥，Ⅲ段尾气出口温度比颗粒温度高2~3℃、相对湿度＜80%、输送去尾气CO2反应转化系统生成碳酸钙结晶颗粒；

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三段干燥汽化总量大于烟气直接降温到50℃对应的最大汽化能力。