浅谈溴化锂制冷技术在化肥生产中的节能降耗
摘 要：中国是世界农业大国之一，因此也成为了最大的化肥消耗和生产国家，根据调查显示我国的化肥总产量占世界33%以上，其中氮肥的总量超过了70%，氮肥生产过程中所需要的原料和辅料均直接来源于能源，其能源消耗成本占总生产成本的近七成左右，因此化肥生产行业也属于典型的高能耗行业。但随着现代国际能源危机的日益加重，能源价格逐渐上升，也使得我国化肥生产过程中能源供应缺乏问题越来越严重。对化肥生产进行节能降耗已经迫在眉睫，本文结合某化肥厂现有工艺，来分析溴化锂制冷技术在化肥厂的合成氨工艺段的应用效果。
关键词：溴化锂制冷机组；低温余热；经济效益
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.028
1 溴化锂吸收式制冷机组
溴化锂吸收制冷技术是一种利用热能为驱动力，以水资源为制冷剂，并且利用溴化锂的水溶液作为吸收剂的一种制冷技术。该机组可分为单效式和双效式。在溴化锂吸收制冷过程中，由于溴化锂自身的沸点可以达到1265℃，因此难以产生挥发反应，而在工作时其溶液表面所产生的气泡和蒸汽则可以认为是纯粹的水蒸气。在温度已定的条件下，溴化锂水溶液表面的水蒸气饱和分压是低于实际纯水的饱和分压的，并且溴化锂的浓度越高，其水蒸气的饱和分压越小，蒸发能力越好。因此在同一温度下，如果溴化锂浓度越高，那么其水分的吸收能力也就越强，就能够起到制冷的作用，这也是将水作为制冷剂的原理。
该技术的设备主要由发生、冷凝、蒸发、吸收、循环以及热换等设备构成。其设备运行时，当溴化锂水溶液在发生设备中吸收热媒水的热量后，其溶液中的水分就会被不断汽化；而当溴化锂水溶液中水分随蒸汽散失后，其内部溴化锂浓度就会不断上升，因此进入了吸收设备当中，而水蒸气则进入冷凝设备，并且直接被冷凝成水溶液，形成高压低温水溶液；当这部分水被调节阀输送到蒸发器内时，就会受热迅速膨胀并蒸发，此时蒸发所需热量就是由蒸发设备内冷媒水提供的，进而获得降温和制冷的效果；低温水蒸气会进入到吸收设备内，被溴化锂溶液吸收，进而导致其浓度降低，然后经由循环设备的输送重新范围发生设备，完成整个制冷的过程。换热设备则主要是为了有效节省加热稀溶液的热量，进一步提升该系统中的热效应，保证发生设备中的高温溶液和吸收设备中的低温溶液能够实现热量的交换。
2 合成氨工艺段目前现状及解决方案
在夏季由于半水煤气脱硫进入清洗塔清洗，而清洗塔在烈日暴晒下，温度高达40℃以上，半水煤气在进入压缩机前，温度过高达到水饱和状态，从而使压缩机处于“出工不出力”的状态，合成氨产量大幅降低。
经过反复研究，决定通过尿素车间的调节水（原工艺通过冷却循环水将高调水和中调水降至所需要的工艺要求，造成较大的热源浪费），采用溴化锂制技术，吸收调节水热量，制取冷冻水，用于在半水煤气脱硫后进入压缩机一段入口前半水煤气的冷却，并且与组合列管式石墨换热器联合应用，以达到节能降耗目的。管程走半水煤气，壳程走溴化锂制冷机组的冷冻水，可使半水煤气脱硫后温度降低10℃以上，始终使压缩机保持满负荷运行，从而提高了合成氨产量，为企业带来良好经济效益，达到节能降耗的目的。
之所以采用组合列管式石墨换热器，其原因如下：
（1）半水煤气含有一定量的硫化氢，具有腐蚀性。
（2）组合列管式石墨换热器具有加高的稳定性。对于大多数的化学介质均具有很强的耐腐蚀度，尤其是含有氯离子的化学介质，但其对于具有强氧化性的酸和碱没有较高的耐腐蚀毒。
（3）具有较好的导热性能，石墨本身的导热系数在100W/m·K到110W/m·K之间，其导热系数与铜、铝等金属相近。
（4）具有较好的热稳定性，自身膨胀系数较低，使用温度可以达到150℃左右，受温差的影响较小。
（5）石墨属于非金属，其外壁光滑程度高，并且和大多数化学介质的亲和度较低，不会对介质造成污染，不容易阻塞管壁。
3 设计
以某化肥厂的30万吨/年合成氨生产线为例，半水煤气流量约2440m3/min，温度40℃，需要降温至20℃。溴化锂冷水温度由10℃，升至18℃，溴化锂热源来之尿素生产线的调节水。
3.1 热量计算
将半水煤气在换热设备中的温度设为40℃，排出时温度为20℃，两种情况下饱和煤气的总热焓分别每立方米222.2KJ和78.46KJ，经过计算可得：
煤气在换热器中放出的总热量：2105.38×104 KJ/ h
煤气在冷却器中冷却产生冷凝液量为：5336 KJ/ h
冷凝水带走热量为：69.53×104 KJ/ h
总需冷却热量（按2.5%热量损失率计算）为：1983.22×104 KJ/ h
3.2 换热器计算
对数平均温差为15℃，石墨换热器在半水煤气中K值（传热系数）取400 - 600KJ/（㎡ h℃）之间，其符合实际测量值，获得K为500KJ/（㎡ h℃），对面积进行计算：
换热器换热面积A石墨为2644㎡，加上一定的设计余量为3300㎡。
4 成本及效益分析
石墨换热器与溴化锂机组设备投资350万元，管道等其它费用150万元；根据克拉伯龙方程所得，将压缩机内的进气温度降低，就能够提升其打气量。按降低10℃计算，可增加输气量为3%。即30万吨/年合成氨生产线每天氨产量增加30 t以上，按平均日增产25t 计，高温季节按150 天计算，则每年增加合成氨产量25×150=3750t，按合成氨价格2200 元/t，吨氨耗煤棒760×1.55=1178 元，吨氨其它费用80元。每年增加效益为（2200-1178-80）×3750=353.25 万元。
5 结论
综上所述，采用溴化锂制冷技术通过尿素工艺段的调节水制取冷水，应用于降低压缩机一段进口的半水煤气的温度，提高氨合成系统的冷却效率，增加压缩机打气量，提高了合成氨的产量，达到了节能减排、降耗、增产增效目的，给企业带来极大的经济效益，同时也为国家节约大量能源，有力于推动国民经济可持续的发展。
参考文献：
[1]瞿国忠，周军.石墨换热器在半水煤气冷却中的应用[J].氮肥技术，2011（03）：32.
[2]梅树美.溴化锂吸收式制冷技术在合成氨生产中的应用[M].安徽化工，2012（05）：38.
作者简介：段钱胜（1987-），男，湖北武汉人，本科，工程师，主要从事：机械设计以及余热利用。