魯奇爐熱回收裝置的熱力學分析

崔宗照

(晉煤金石化工投資集團有限公司 河北石家莊 050041)

目前，國內(nèi)外以煤為原料生產(chǎn)化工產(chǎn)品的企業(yè)中，所采用的煤氣化工藝有多種，如常壓固定層間歇氣化、碎煤加壓氣化(魯奇爐)、粉煤流化床氣化、粉煤氣流床氣化等，各種氣化技術(shù)均有其各自的優(yōu)缺點，對原料煤的品質(zhì)均有一定的要求，其工藝的先進性、技術(shù)成熟程度互有差異。魯奇爐目前仍然是世界上加壓煤氣化工藝中在運裝置和業(yè)績最多的爐型之一，南非大型煤制油化工聯(lián)合體SASOL公司采用德國魯奇碎煤加壓氣化技術(shù)，共有97臺氣化爐，氣化爐設備利用率達94%[1]，其中SASOL Ⅰ廠有17臺氣化爐(13臺MK Ⅲ型，3臺MK Ⅳ型，1臺制氣能力為66 000 m3/h 的MK Ⅴ型)，SASOL Ⅱ廠和SASOL Ⅲ廠各有40臺內(nèi)徑Φ3.8 m、制氣能力為41 000 m3/h的MK Ⅳ型氣化爐。魯奇碎煤加壓氣化技術(shù)在國內(nèi)成功應用范例主要有山西化肥廠一期工程(4臺氣化爐)、山西化肥廠改造工程(增建1臺氣化爐)、哈爾濱依蘭氣化廠(5臺氣化爐)、云南解化煤制氨(14臺氣化爐)、河南省義馬氣化廠一期(3臺氣化爐)、河南省義馬氣化廠二期(2臺氣化爐)、山西潞安煤基160 kt/a合成油示范工程(4臺氣化爐)以及新疆廣匯800 kt/a二甲醚一期工程、大唐國際SNG化工廠等。

魯奇碎煤加壓氣化技術(shù)的優(yōu)點：①可以氣化劣質(zhì)煤，結(jié)合了成熟的移動床加壓氣化技術(shù)和高效的熔渣氣化技術(shù)的優(yōu)點；②采用逆向氣化，煤在爐內(nèi)停留時間長達1 h，魯奇爐的操作溫度和出口煤氣溫度低；③氧耗較低；④熱效率高于流化床氣化技術(shù)；⑤可獲得的總體工藝效率高于其他氣化技術(shù)；⑥經(jīng)過大量工業(yè)化應用驗證，技術(shù)成熟可靠；⑦原料煤中的碳幾乎全部得到利用，碳轉(zhuǎn)化率>99.5%，無資源浪費；⑧粗煤氣中的焦油分離后即可加工成副產(chǎn)品，也可注入氣化爐氣化；⑨廢水處理裝置較小，氣化爐排渣無污染而可用作筑路材料；⑩投資低，性價比高。

1 魯奇爐熱回收裝置簡介

魯奇爐熱回收裝置工藝流程如圖1所示。

圖1 魯奇爐熱回收裝置工藝流程

來自氣化爐的粗煤氣首先進入洗滌冷卻器，用循環(huán)煤氣水對煤氣進行洗滌并使其飽和。洗滌冷卻器的用途首先是將粗煤氣溫度降至200 ℃左右，其次是除去可能夾帶的大部分顆粒物。飽和并冷卻以后的粗煤氣進入低壓鍋爐，通過副產(chǎn)0.5 MPa(表壓)低壓蒸汽以回收煤氣中部分蒸汽的冷凝熱，多余的煤氣水送往煤氣水分離裝置。壓力2.91～3.00 MPa(表壓)、溫度180 ℃左右、飽和狀況下的粗煤氣離開氣化工段，通過粗煤氣總管去變換工段。

衡量一種能量應該包括數(shù)量和質(zhì)量(品位)2個方面，能量的品位用其可以轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功的那部分份額的大小來評價。熱能轉(zhuǎn)換為機械功的轉(zhuǎn)換效率與熱能的溫度有關(guān)，也就是說，高溫熱能的品位高于低溫熱能。

熱量是以溫差為動力而在載熱體之間傳遞的能量，每傳遞一次，溫度、品位和做功能力就分別降低一次。因此，在熱能轉(zhuǎn)換和利用中，存在著數(shù)量上的守恒和品位上的貶值2種現(xiàn)象，這反映了一切非理想的不可逆過程的熱力學損失。

E=W[(H-H0)-T0(S-S0)]

W——載熱體的流量；

H——載熱體的焓；

H0——載熱體在標準環(huán)境狀態(tài)下的焓；

S——載熱體的熵；

S0——載熱體在標準環(huán)境狀態(tài)下的熵。

圖2 逆流換熱器

S1和S2。

放熱量：Q1=H1-H2

熱流體放熱過程中的平均溫差：Tm1=(H1-H2)/(S1-S2)=ΔH/ΔS

則：ΔE1=Q1(1-T0/Tm1)

冷流體吸熱過程中的平均溫差：Tm2=(H4-H3)/(S4-S3)=ΔH/ΔS

則：ΔE2=Q2(1-T0/Tm2)

由于存在熱量損失，Q2

Nt(1-T0/Tm2)/(1-T0/Tm1)

式中：Nt——熱效率。

3 實際操作數(shù)據(jù)及物性數(shù)據(jù)

實際操作數(shù)據(jù)及物性數(shù)據(jù)如表1、表2和表3所示。

表1 粗煤氣氣體成分和壓力

φ(H2)/%φ(CH4)/%φ(CO)/%φ(CO2)/%φ(O2)/%φ(Ar+N2)/%壓力/MPa38．08．028．025．00．40．63．0

表2 粗煤氣和濕蒸汽物性數(shù)據(jù)

項目噸氨干基粗煤氣量V/kmol噸氨濕蒸汽量W/kg氣體溫度T/K干基粗煤氣比熱CP/(kJ·kmol-1·K-1)濕基蒸汽焓H/(kJ·kg-1)濕蒸汽熵S/(kJ·kg-1·K-1)水汽化熱ΔH/(kJ·kg-1)氣化爐出口(狀態(tài)1)122．481381．6978338．1323474．2347．790低壓鍋爐入口(狀態(tài)2)122．482415．7747133．8932787．2246．4511945．372低壓鍋爐出口(狀態(tài)3)122．481027．4644933．5532770．0866．6142025．628

表3 水及蒸汽系統(tǒng)用量及物性數(shù)據(jù)

項目溫度T/℃壓力P/MPa噸氨流量W/kg焓H/(kJ·kg-1)熵S/(kJ·kg-1·K-1)高壓噴射煤氣水(狀態(tài)4)1603．7930．00674．2341．944泵用機封水(狀態(tài)5)1505．5138．50631．1801．845低壓鍋爐給水(狀態(tài)6)1501．31038．50631．1801．845低壓蒸汽(狀態(tài)7)1610．4961．502754．6206．738含塵煤氣水(狀態(tài)8)1973．01422．78837．6722．306洗滌冷卻器循環(huán)煤氣水(狀態(tài)9)1973．013892．69837．6722．306低壓鍋爐循環(huán)煤氣水(狀態(tài)10)1973．013246．15837．6722．306

4 洗滌冷卻器的熱力學計算(以噸氨計)

4.1 氣化爐出口粗煤氣經(jīng)洗滌冷卻器可利用的能源Q熱源

氣化爐出口干基粗煤氣溫度由510 ℃降至198 ℃所放出的熱量Q干：

富滇銀行與省內(nèi)核心企業(yè)開展聯(lián)系，圍繞建投、云天化、昆鋼3家集團公司，加強各部門協(xié)調(diào)溝通，聯(lián)合支行共同推進，打通業(yè)務辦理環(huán)節(jié)，實現(xiàn)供應鏈業(yè)務模式落地，截至9月末，辦理供應鏈業(yè)務12戶，金額8700萬元。強化政銀合作，充分發(fā)揮協(xié)同作用。

Q干=V1CP1T1-V2CP2T2

=122.48×38.132×783-122.48×

33.893×471

=1.702×106(kJ)

濕基蒸汽溫度由510 ℃降至198 ℃所放出的熱量Q濕：

Q濕=W1H1-W1H2

=1 381.69×3 474.234-1 381.69×

2 787.224

=0.949×106(KJ)

氣化爐出口粗煤氣經(jīng)洗滌冷卻器可利用的能源Q熱源：

Q熱源=Q干+Q濕

=1.702×106+0.949×106

=2.651×106(KJ)

4.2 洗滌冷卻器回收的熱量Q回

高壓噴射煤氣水的溫度由160 ℃升高至198 ℃、泵用機封水溫度由150 ℃升高至198 ℃回收的熱量Q水：

Q水=W4(H8-H4)+W5(H8-H5)

=930×(837.672-674.234)+138.5×

(837.672-631.180)

=0.181×106(kJ)

氣化爐出口粗煤氣經(jīng)洗滌冷卻器后增加的水蒸氣汽化熱Q汽：

Q汽=(W2-W1)ΔH2

=(2 415.77-1 381.69)×1 945.372

=2.012×106(kJ)

故洗滌冷卻器回收的熱量Q回：

Q回=Q水+Q汽

=0.181×106+2.012×106

=2.193×106(kJ)

4.3 洗滌冷卻器熱回收率η

=82.72%

4.4 氣化爐出口粗煤氣可利用的能源E熱源

E干=(H1-H2)-T0(S1-S2)

=(V1CP1T1-V2CP2T2)-

=0.924×106(kJ)

E濕=W1(H1-T0S1)-W1(H2-T0S2)

=1 381.69×(3 474.234-298×7.790)-

1 381.69×(2 787.224-298×6.451)

=0.398×106(kJ)

E熱源=E干+E濕

=0.924×106+0.398×106

=1.322×106(kJ)

4.5 洗滌冷卻器回收的量E回

高壓噴射煤氣水的溫度由160 ℃升高至198 ℃、泵用機封水溫度由150 ℃升高至198 ℃回收的熱量E水：

E水=W4[(H8-H4)-T0(S8-S4)]+

W5[(H8-H5)-T0(S8-S5)]

=930.00×[(837.672-674.234)-

298×(2.306-1.944)]+138.50×

[(837.672-631.180)-298×

(2.306-1.845)]

=0.061×106(kJ)

E汽=(W2-W1)[(H2-H8)-T0(S2-S8)]

=(2 415.77-1 381.69)×[(2 787.224-

837.672)-298×(6.451-2.306)]

=0.739×106(kJ)

E回=E水+E汽

=0.061×106+0.739×106

=0.800×106(kJ)

4.6 洗滌冷卻器回收率y

=60.51%

4.7 洗滌冷卻器的損失ΔE

ΔE=E熱源-E回

=1.322×106-0.800×106

=0.522×106(kJ)

5 低壓鍋爐的熱力學計算(以噸氨計)

5.1 洗滌冷卻器出口粗煤氣經(jīng)過低壓鍋爐可利用的能源Q熱源

洗滌冷卻器出口干基粗煤氣溫度由198 ℃降至176 ℃所放出的熱量Q干：

Q干=V2CP2T2-V3CP3T3

=122.48×33.893×471-122.48×

33.553×449

=0.110×106(kJ)

濕基蒸汽溫度由198 ℃降至176 ℃所放出的熱量Q濕：

Q濕=W3H2-W3H3

=1 027.46×2 787.224-1 027.46×

2 770.086

=0.018×106(kJ)

經(jīng)過低壓鍋爐粗煤氣中蒸汽冷凝產(chǎn)生的潛熱Q冷：

Q冷=(W2-W3)ΔH3

=(2 415.77-1 027.46)×2 025.628

=2.812×106(kJ)

故洗滌冷卻器出口粗煤氣經(jīng)過低壓鍋爐可利用的能源Q熱源：

Q熱源=Q干+Q濕+Q冷

=0.110×106+0.018×106+

2.812×106

=2.940×106(kJ)

5.2 低壓鍋爐回收的熱量Q回

低壓鍋爐產(chǎn)生蒸汽所吸收的熱量Q汽：

Q汽=W7(H7-H6)

=961.50×(2 754.620-631.180)

=2.042×106(kJ)

故低壓鍋爐回收的熱量Q回：

Q回=Q汽=2.042×106(kJ)

5.3 低壓鍋爐熱回收率η

=69.46%

5.4 洗滌冷卻器出口粗煤氣可利用的能源E熱源

E干=(H2-H3)-T0(S2-S3)

=(V2CP2T2-V3CP3T3)-

=0.046×106(kJ)

E濕=W3(H2-T0S2)-W3(H3-T0S3)

=1 027.46×(2 787.224-298×6.451)-

1 027.46×(2 770.086-298×6.614)

=0.068×106(kJ)

E冷=(W2-W3)(H3-T0S3)

=(2 415.77-1 027.46)×(2 770.086-

298×6.614)

=1.109×106(kJ)

E熱源=E干+E濕+E冷

=0.046×106+0.068×106+1.109×106

=1.223×106(kJ)

5.5 低壓鍋爐回收的量E回

E汽=W7[(H7-H6)-T0(S7-S6)]

=961.50×[(2 754.620-631.180)-

298×(6.738-1.845)]

=0.640×106(kJ)

E回=E汽=0.640×106(kJ)

5.6 低壓鍋爐回收率y

=52.33%

5.7 低壓鍋爐的損失ΔE

ΔE=E熱源-E回

=1.223×106-0.640×106

=0.583×106(kJ)

6 熱力學分析結(jié)果匯總

為了便于對比，將魯奇爐熱回收裝置熱力學分析結(jié)果匯總列于表4。

表4 魯奇爐熱回收裝置熱力學分析結(jié)果匯總

項目洗滌冷卻器低壓鍋爐進熱回收裝置粗煤氣溫度/K783471出熱回收裝置粗煤氣溫度/K471449進熱回收裝置冷流體溫度/K433423出熱回收裝置冷流體溫度/K471434熱回收率/%82．7269．46效率/%60．5152．33噸氨損失/kJ0．522×1060．583×106

參考文獻

[1] 萬保健.碎煤加壓氣化技術(shù)[J].河北化工，2012(4)：3- 4.

[2] 崔宗照.合成氨反應熱回收裝置的熱力學分析[J].中氮肥，1991(4)：17- 22.