CN106871468A - 气体变温变压回收低位废热并升温利用的循环方法 - Google Patents

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Abstract

一种气体变温变压回收低位废热并升温利用的循环方法，属于工业废气处理、废热回收与低位能利用技术领域。根据气体温度‑压力‑热焓相互关联特性，构建绝热膨胀/压缩、变温变压循环过程，创造低温吸热和升温利用的条件，使含尘含湿的工业废气经湿法除尘除湿后通过串联的膨胀‑压缩变温变压过程，从不高于80℃的低位废热源吸热并升温至150℃以上循环使用；或者使常温常压不含尘不含湿的气体通过膨胀‑压缩变温变压制冷制热、从不低于–90℃的低位废热源吸热并升温至250℃以上使用。以生产磷酸一铵的喷雾干燥废气封闭循环利用为例，不仅从工艺源头切断了大气污染源，而且以低位废热源替代燃煤或中压蒸汽热源，节省成本25%以上。

Description

气体变温变压回收低位废热并升温利用的循环方法
技术领域
本发明涉及工业废气处理、废热回收与低位能利用技术领域，特别是回收工艺废气废热并循环利用的节能减排方法。
背景技术
大部分情况下工业废气排放物主成分是空气、其次是水蒸汽，因废气所含化学物质浓度低（一般以mg/m3计）、所含热量品位低（一般低于80℃）、难于再利用而被排放。然而排放废气中低浓度的化学物质对环境的影响度却很高，尤其当废气中含有看似无害的水蒸汽、便会形成有害物质气溶胶，其危害不容轻视。例如喷雾干燥生产化肥磷酸一铵的干燥废气，现行控制标准是每立方米废气含磷酸一铵不超过20mg，但是当化学物质与废气所含水蒸汽（40℃，每立方米54.2 g）混合形成气溶胶微粒排放到大气之中，在一定气象条件下扩散形成化学雾霾，通过154万立方米洁净大气稀释后才能达到世界卫生组织设定的允许值（PM2.5浓度低于35μg/m3）。可见工业废气排放带来的大气污染、很难通过环境治理手段修复。根治的办法是杜绝污染物排放。然而，工业过程以空气为热/质载体、与化学物质传热传质后把残留物从尾气中完全分离以达杜绝污染物排放目的，现有技术成本太高难于实施。工业尾气循环利用、免排放，才是工业过程大气污染防治的优选方案。不过，现有工业尾气循环利用技术都以能耗及产品成本上升为代价，使其在一定的社会政治经济条件下缺乏竞争力。
为此，本发明气体变温变压回收低位废热并循环升温利用的方法，使常温常压（25℃，0.1MPa绝压）气体通过串联的膨胀-压缩变温变压过程，从–90℃~80℃的低位废热源吸收热量并使气体温度提升至150℃以上循环利用。例如上述生产化肥磷酸一铵12万吨/年的喷雾干燥废气50000 m3/h循环利用，采用本发明方法，从80℃的低位废热源回收热量7100MJ/h，把45℃~60℃的废气净化后升温到150℃以上循环利用，不仅杜绝了废气排放、而且替代了燃煤800 kg/h的热风炉，具有显著的节能、减排、降耗、增收四重效益。
发明内容
本发明公开一种气体变温变压回收低位废热并升温利用的循环方法。本发明方法适用于既排放低位废热（通常在80℃以下、制冷工况下则低至–90℃）又要将常温气体加热升温使用的场合，例如从湿法磷酸制化肥磷铵（磷酸一铵及磷酸二铵）工艺，既要向大气排放45~60℃的磷铵干燥废气并通过冷却水排放大量80℃以下工艺废热、同时又要为喷雾干燥装置提供加热到150℃以上的新鲜空气，采用本发明方法改进技术的步骤是：将常压含尘含湿废气洗涤净化脱水降温至不高于15℃、水蒸汽含量不高于0.011 kg/kg干空气、用废热源将气体加热到65℃以上、通过膨胀机将气体能量转换为动力输出、气体降压降温至1℃以下，然后再次用废热源使气体复热到65℃以上、再借助膨胀机输出的动力将气体加压至循环使用的压力同时升温至150℃以上。本发明主要发明思想是根据气体的温度-压力-热焓相互关联的特性，构建绝热膨胀-压缩、变温变压循环过程，为回收低位废热创造低温吸热和升温利用的条件，而且绝热膨胀-压缩等熵循环并不耗功、实际应用中消耗的动力是补偿热力学过程不可逆损失。
如附图所示含尘含湿气体变温变压、回收低位废热并升温利用的循环方法，压力0.5~1.0 kPa（表压）、温度45~60℃的含尘含湿工业废气（主要成分氮气、氧气、二氧化碳气，所含化学物质在100℃以下温度无挥发性）从底端进入洗气塔4，与通过洗液循环泵1加压从顶端喷头喷入塔内的洗液逆流传热传质吸收废气中的化学物质并使废气脱湿降温、通过雾沫分离后塔顶出口气体温度不高于35℃。从废气脱除的化学物质及冷凝水随洗液一道收集于洗液槽2并通过洗液循环泵1出口管路的支管输往工艺系统回用，上塔的洗液循环量大于0.01 m3/m3（液/气比）、通过冷却器3控制进塔洗液温度不高于32℃。洗气塔4塔顶出口气体通过气液交叉流除雾装置5传热传质进一步脱水降温至不高于15℃、每kg绝干气体中水蒸汽含量不高于0.011 kg/kg干空气，用气体在该装置中脱除的冷凝水循环作为气液交叉流的液体介质（温度不高于10℃，液/气比大于0.005m3/m3）。降温脱水后温度不高于15℃的气体通过前置加热器6从废热源一（温度不超过80℃）吸取热量升温至不低于60℃，然后进入同轴膨胀/压缩机8的膨胀端入口，绝热膨胀降压降温至不低于1℃、进入后置加热器7从废热源二（温度不高于80℃）吸取热量复温至不低于55℃，然后被吸入同轴膨胀/压缩机8的压缩端入口、压缩机利用膨胀端产生的动力绝热压缩使气体压力恢复至膨胀端入口压力值的70%以上、绝热升温至100℃以上，然后通过辅助压缩机9，进一步绝热升压升温至高于1.0kPa（表压）、150℃以上，达到循环使用的要求。所述同轴膨胀/压缩机是指膨胀机与压缩机被连接在同一根旋转轴的两端，气体通过膨胀机绝热膨胀产生的动力直接由旋转轴传递给另一端的压缩机。
如附图所示不含尘不含湿的洁净气体变压变温制冷并回收低位废热升温利用的循环方法，常温常压（25℃，0.1MPa绝压）气体直接进入同轴膨胀/压缩机8膨胀端入口，绝热膨胀降压降温至不低于–90℃后通过后置加热器7，从低位废热源二（温度范围–90℃~45℃）吸热、逐级升温至不低于40℃后，被吸入同轴膨胀/压缩机8的压缩端入口、压缩机利用膨胀端产生的动力绝热压缩使气体压力恢复至膨胀端入口压力值的42%以上、绝热升温至125℃以上，然后通过辅助压缩机9、进一步绝热升压至不低于膨胀端入口压力值、升温至250℃以上，达到热气体使用要求。上述从低于0℃的低位废热源吸热的过程，也是输出冷量的制冷过程。
附图说明 附图是本发明提供的气体变温变压回收低位废热并升温利用的循环方法示意图。图中：1–洗液循环泵；2–洗液槽；3–冷却器；4 –洗气塔；5–气液交叉流除雾装置；6–前置加热器；7–后置加热器；8–同轴膨胀/压缩机；9–辅助压缩机
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
实施例1：年产12万吨磷酸一铵喷雾干燥废气循环利用。废气参数：流量50000 Nm3/h，主要成分空气，磷铵粉尘含量20 mg/Nm3，废气温度58℃，压力0.8 kPa（表压），相对湿度60%。该场合下，同时有超过26400 MJ/h废热排放（80℃）。
如附图所示的含尘含湿气体变温变压、回收低位废热并升温利用循环，压力0.8kPa（表压）、温度58℃、含磷铵粉尘20 mg/Nm3、含湿0.081 kg/kg干空气的磷酸一铵喷雾干燥废气50000 Nm3/h，从底端进入洗气塔4，与通过洗液循环泵1加压从顶端喷头喷入塔内的洗液逆流传热传质溶解吸收废气中的磷铵粉尘并使废气降温脱湿，通过塔顶雾沫分离后出口气体温度30℃，含湿0.027 kg/kg干空气。从废气脱除的化学物质1.0 kg/h及冷凝水3480kg/h随洗液一道收集于洗液槽2并通过洗液循环泵1出口管路的支管输往工艺系统回用，上塔的洗液循环量600 m3/h、通过冷却器3后温度25℃。洗气塔4出气通过气液交叉流除雾装置5，用250 m3/h温度不高于10℃的冷凝水循环进一步降低气体温度至12℃、含湿0.00869kg/kg干空气，通过前置加热器6从80℃废热源吸取热量升温至65℃后，进入同轴膨胀/压缩机8的膨胀端入口，绝热膨胀降压降温至2℃、进入后置加热器7又从80℃废热源吸取热量使气体复温至65℃，然后被吸入同轴膨胀/压缩机8的压缩端入口、压缩机利用膨胀端产生的动力使气体压力升高至0.07MPa（绝压）、升温至105℃以上，然后通过辅助压缩机9以不超过850 kW的辅助动力消耗、进一步使气体升压升温至0.115 kPa（表压）、160℃以上，达到磷酸一铵喷雾干燥热风循环使用的参数要求。上述吸热升温过程传热温差不低于12℃。
本实施例对年产12万吨磷酸一铵喷雾干燥废气循环利用的有益效果是：1）喷雾干燥废气封闭循环，从工艺源头切断大气环境污染源；2）回收利用80℃废热为160℃干燥热风提供热源，不仅节约常规能源而且摆脱对燃煤热风炉或中压蒸汽系统的依赖；3）本实施例辅助动力消耗850 kW，比使用800 kg/h燃煤或3800 kg/h中压蒸汽的常规热风技术节省能源成本25%以上。
实施例2：气体变温变压循环制冷同时提升富氧燃烧供气温度。富氧燃烧供气流量50000 Nm3/h，压力0.1 MPa（绝压）、温度25℃，气体成分：氧气90%、氮气10%，不含湿不含尘。本实施例制冷的过程亦即从低于0℃的低位废热源吸热的过程，吸热温度即为供冷温度。
如附图所示不含尘不含湿的洁净气体变温变压循环制冷并回收低位废热升温利用的方法，常温常压（25℃，0.1MPa绝压）的富氧燃烧气体50000 Nm3/h直接进入同轴膨胀/压缩机8膨胀端入口，绝热膨胀降压降温至–85℃后，通过后置加热器7从低于0℃的低位废热源分两段吸热升温：第一段升温至–55℃、第二段升温至–10℃后，再从高于0℃的低位废热源吸取热量升温至40℃，然后吸入同轴膨胀/压缩机8的压缩端入口、压缩机利用膨胀端产生的动力使气体压力恢复至0.043MPa（绝压）、升温至126℃以上，然后通过辅助压缩机9以不超过1585 kW的辅助动力消耗、进一步升压至0.1MPa（绝压）、升温至251℃以上，达到富氧燃烧热气体使用要求。上述吸热升温过程传热温差不低于5℃。
本实施例对50000 Nm3/h常温常压富氧燃烧供气变压变温循环、制冷并回收低位废热升温利用的有益效果是，以不超过1585 kW的辅助动力消耗获取：1）不少于4100 kW热能使气体升温至250℃以上；2）不少于700 kW的-90℃~ -50℃低温制冷量，不少于800 kW的-50℃~ -5℃低温制冷量，不少于800 kW的-5℃~40℃近常温制冷量。
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 (2)

1.一种含尘含湿气体变温变压、回收低位废热并升温利用的循环方法，其特征在于不含挥发性化学物质的含尘含湿工业废气、压力0.5~1.0 kPa（表压）、温度45~60℃，通过湿法除尘脱湿降温至不高于35℃、再通过气液交叉流除雾降温至不高于15℃后，通过前置加热器从温度不超过80℃的废热源吸取热量升温至不低于60℃，进入同轴膨胀/压缩机的膨胀端、绝热膨胀降压降温至不低于1℃，又通过后置加热器从温度不高于80℃的废热源吸热使温度恢复至不低于55℃，再被吸入同轴膨胀/压缩机的压缩端、利用膨胀端产生的动力绝热压缩使气体压力恢复至膨胀端入口压力值的70%以上、绝热升温至100℃以上，然后通过辅助压缩机进一步绝热升压升温至表压高于1.0 kPa、温度高于150℃，循环使用、杜绝排放。
2.一种不含尘不含湿的洁净气体变温变压制冷并回收低位废热升温利用的循环方法，其特征在于常温常压洁净气体直接进入同轴膨胀/压缩机的膨胀端入口，绝热膨胀降压降温至不低于–90℃后，通过后置加热器从低于0℃的低位废热源分两段吸热升温，第一段升温至–55℃、第二段升温至–10℃后，再从高于0℃的低位废热源吸热升温至不低于40℃，被吸入同轴膨胀/压缩机的压缩端入口、利用膨胀端产生的动力绝热压缩使气体压力恢复至膨胀端入口压力值的42%以上、绝热升温至125℃以上，然后通过辅助压缩机9、进一步绝热升压至不低于膨胀端入口压力值、升温至250℃以上，达到热气体使用要求；
所述从低于0℃的低位废热源吸热的过程、也是输出冷量的制冷过程，冷热交换过程传热温差不低于5℃。
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