利用热泵式热泵凝聚废热工业技术

1、利用吸收式热泵回收凝聚废热工业技术一、前言吸收式热泵（Absorption Heat pumps）简称AHP是一种有效的节能装置，它可以 分为两大类，第一类吸收式热泵是利用高温热能来提升低温热能，虽然消耗了高温热量， 但却有效地回收了低温热量，使总能量利用率得以提高。第二类吸收式热泵是利用低温 热量（排放的废热，60CVTV100，C ）向环境排放的同时对外作功，并在这部分功的 作用下，把部分废热转移到更高的温位，加以重新利用。为区别起见，常把第二类吸收 式热泵简称为 AHT （Absorption Heat Transformer）o我国在工业用AHT的设计开发上起步较晚，但随着国家经济的迅

2、速发展，面临着 能源供应日趋紧张和能源价格不断上涨的形式。因此，AHT作为节能环保装置，在国内 应用推广的前景广阔。为此北京燕山石化公司研究院与大连理工大学化工学院合作，在 研究院SBS中试装置上完成了回收凝聚低温热源热泵系统的中试研究，并于1997 年11月26日通过中石化组织的技术鉴定。为早日将此技术工业化，燕化研究院与燕化 橡胶厂共同在年产3万吨SSBR工业装置和2.5万吨SBS工业装置上开发了能共用的第 一套5000kW工业级吸收式热泵技术，于1999年5月在燕化橡胶厂建成。经过近两年运 行证明，AHT技术可靠、操作简单，能随凝聚装置平稳生产，节能效果显著。此项目已 于2001年2月2

3、8日通过中石化组织的技术鉴定。该技术在国内具有技术领先优势。北京燕山石油化工股份公司合成橡胶事业部是以生产合成橡胶，尤其以顺丁橡胶 （简称BR）为主的大型石化企业。经过多年努力，国内合成橡胶的生产技术不断提高、 日趋完善，至今其产品数量、质量居国内领先地位，部分产品（BR、SBS）已打入国际 市场并有较高的声誉。但与国际同类产品相比，能耗偏高，这不但直接影响企业经济效 益，同时也阻碍国产技术的对外出口，限制了合成橡胶事业进一步发展。另外，随着能 源供应的日趋紧张、能源价格不断上涨的形势及从可持续发展的角度出发，节约生产过 程中的能源消耗，也将越来越重要。二、流程及技术特点凝聚工序简述燕化合成橡

4、胶厂生产的BR是燕化公司自行开发的技术，经过多年不断的技术革新 产品的质量已达到国际先进水平，能耗、物耗已降到历史最高水平。在合成橡胶、合成 热塑性弹性体等生产装置中，对胶液的凝聚过程通常采用经典的釜式凝聚方法（流程见 图-1），凝聚工序的任务是将聚合生成的聚合物胶液喷入既作为传热介质又作为输送介 质的热水中，通过水蒸汽提供的热量使溶液状的橡胶凝聚成颗粒状，并回收溶剂和未反 应完全的单体。同时热水又可将聚合过程中的残余催化剂洗净、脱除。胶液的凝聚过程 是一个传热和传质偶合的过程，散入水中的胶粒从周围液相中吸收热量，胶粒中溶剂和 未反应完全的单体因受热而通过胶粒疏松结构的众多孔蒸发进入周围液相。

5、该工艺分为 两个过程，即水蒸汽蒸馏过程和扩散过程。评价凝聚操作的指标主要是蒸汽消耗量和胶中含油量。从流程图可以看出，凝聚釜汽顶98C左右的汽提气空冷器、循环水冷却器冷至 35 r，进油水分层罐分离，回收溶剂油。由于汽提气的热量无法回收利用，一部分通过 空冷器排入环境大气中，另一部分通过循环冷却水带走，造成巨大的浪费，同时对环境 造成热污染。凝聚工序的蒸汽消耗占成品生产总耗汽量的3/5以上。凝聚所耗的蒸汽主要有三 个作用：使胶液升温全汽提温度；提供胶液中溶剂的汽化潜热；把溶剂气带出凝 聚釜回收。这中间、两项的耗汽量之和不足凝聚总耗汽量的1/3,大部分的蒸汽都 用于第项中。在现有的凝聚工艺条件下影

6、响扩散过程的因素：增加水和胶粒的温差，有利于 传热、传质过程的进行，有利于胶粒中的溶剂分子扩散到胶粒表面；胶粒的粒度越小， 越有利于扩散过程的进行。胶液液滴在凝聚釜内分散得越小，胶粒表面和热水接触面就 越大，通过油水界面传递过去的热量就越多，溶剂气汽化得就越快，从而越有利于扩散 过程的进行。湿胶和1嘿聚釜Oil丁冷却水 苴水衿器iui r分层水图-1顺丁橡胶凝聚工段流程循环魂水顺丁橡胶凝聚热泵流程BR凝聚生产为双釜操作。由于两个釜的操作压力不同，即1#釜气量大，2#釜气量 小，故只回收1#釜汽提气余热。与SBS相比BR凝聚汽提气中油气的比例较高，大部分 热量将在共沸温度下排放，相应合理的AHT

7、规模为：6270KW/套。AHT切入凝聚系统的 示意流程，如图-2所示。过去由凝聚釜顶流出的水蒸气和有机溶剂蒸汽的混合物(95C) 用空冷器进行冷凝，热量全部被空冷器排入大气。采用热泵后，95C的废热被依次送入 蒸发器和再生器作为驱动热源。从吸收器输出的热量用于加热循环热水，然后返回凝聚 釜，以节省加热蒸汽。用AHT回收燕化公司合成橡胶事业部顺丁橡胶装置凝聚工段汽提气余热的流程示 意见图-2。AHT安装在凝聚釜顶汽提气的出口管线上，一台空冷器。汽提气串联通过热 泵的蒸发器、再生器，冷却冷凝后进入空冷器、水冷器将汽提气尾气进一步冷却、分离 回收溶剂；来自热水罐的循环热水通过热泵的吸收器被加热变成

8、过热水，过热水经胶液喷嘴进入凝聚釜；循环冷却水作为热泵冷凝器的冷却水。过热水图-2回收BR凝聚废热的流程示意图AHT的循环系统的循环流程见图一3。汽提气在蒸发器中冷却冷凝提供热量产生工 质水蒸气，出蒸发器的工质水蒸气进入吸收器被浓漠化锂溶液吸收，吸收过程放出的热 量用来加热循环热水重新返回凝聚釜继续使用，出吸收器的稀溶液经液一液换热器与来 自再生器的浓漠化锂溶液换热，降低温度并闪发后进入再生器，稀溶液在再生器中吸收 来自蒸发器出口汽提气提供的热量后，溶液被浓缩，产生的蒸汽进入冷凝器放出热量冷 凝为工质水，工质水依靠液位高度返回蒸发器，再行蒸发。再生器出口浓溶液经液一液 换热器返回吸收器，再行吸

9、收。图-3 热泵的流程示意图凝聚热泵的技术特点结合橡胶厂凝聚生产的实际情况，选择漠化锂为吸收剂的吸收式热泵回收合成橡 胶凝聚工段汽提气废热并用于加热循环热水的工艺流程具有以下优点：汽提尾气先后串联通过热泵的蒸发器和再生器，热泵分段利用汽提气中不同组 分的热量，最大限度地提高了废热的利用率；最大可能的提高凝聚尾气在热泵中的冷却 效果，节约后续空冷器的耗电量和循环冷却水用量。用AHT回收的废热加热循环热水产生的过热水直接用于凝聚釜，而不采用通常 采用的过热水生产蒸汽的工艺，减少相变过程的散热损失。过热水直接用于凝聚釜，有 利于胶粒的分散和溶剂的脱除。与SBS凝聚相比， 胶粒的分散效果十分明显。不加

10、分 散剂的凝聚釜中胶粒大小比原流程使用分散剂后的胶粒还要小。不加分散剂不仅节约成 本，还有利于后处理双机进料，保证成品BR胶的纯度。减轻后处理的操作强度，为成 品胶的后期加工创造了有利条件。采用上述技术方案一方面可以增加溶剂回收，降低消 耗，另一方面还可避免如下弊病，即胶中溶剂含量高，在其后续干燥过程中将以气体形 式逸出，这样，不仅将造成环境污染，而且有引起爆炸着火的危险。根据顺丁橡胶的特 点，细小的颗粒有利于胶中溶剂的脱除，降低十胶含油率，减少溶剂消耗。这是顺丁橡 胶凝聚热泵最明显的特点。过热水与胶液混合后喷入凝聚釜可以节省较多的水蒸汽，相应也就大量节省了冷 凝蒸汽的冷却水用量。在凝聚过程中

11、，这些被冷凝的蒸汽经油水分层罐分层后变成分层 水，饱和着溶剂的分层水返回至热水罐。热水罐中热水间歇排入地沟变成污水。因此， 由于减少了水蒸汽用量将相应减少其污水生成量。工业应用效果运行中，AHT系统具有很强的跟随性和自衡能力，当外部工艺参数（如汽提气的 温度、压力、热水入口温度及流量、循环冷却水温等）维持不变时，系统可很快进入稳 定状态，且运行十分平稳。一旦外部工艺参数发生变化，系统内部参数（如漠化锂溶液 的浓度、蒸发压力、冷凝压力等）将迅速自动调整到新的平衡点而进入稳定状态。AHT 的运行或关闭对凝聚工序的操作没有影响，不会造成生产波动。三、AHT的效益评价在3万吨/年SBS装置上近两年的运

12、行表明，AHT技术可靠、操作简单，无明显腐 蚀现象。能随凝聚装置平稳运行，节能效果显著，操作性能参数COP值为0.450.48, 温升T为2030C，每吨干胶节约1.4吨蒸汽。主要技术指标达到当代国外先进水平。 该装置投资610万元，基本无运行费用。两年多即可收回全部投资。每吨SBS成本下降 近130元。2001年此项技术又在燕化合成橡胶事业部6万吨顺丁橡胶生产线上应用，其规模 为6270kW。该装置投资820万元，2002年11月该装置一次开车成功，每小时节省蒸汽 5吨，凝聚工序不再加入分散剂。投用后可为燕化合成橡胶事业部每年节支400多万元。采用热泵技术可减少凝聚装置向大气环境的热污染;减

13、少生产低压蒸汽时燃烧燃油 所排放的燃烧废气量；减少CO、SO2、烟尘等有毒有害气体排放量；减少排放的化学污 水，可节约污水净化费。对于保护环境、保护生态平衡也有一定的社会效益。四、推广应用前景本成果不仅可应用于合成橡胶、热塑性弹性体等工业生产的凝聚装置，而且还可广 泛用于冶金、纺织、化工产品等行业有低温废热排出的场合。但只有待回用的要求废热 温度高于60C及可回收的热负荷大于2000kW时才具有经济意义，才能达到经济规模。 燕化合成橡胶事业部已计划在顺丁橡胶装置再上一套同等规模的热泵装置，新建成的6 万吨SBS装置也考虑了热泵的安装位置。仅就全国顺丁橡胶生产装置而言，如果迅速普 及推广，每年的经济效益是非常可观的。随着全球工业的发展能源逐渐紧缺，工业热污染严重，温室效应加剧，经济的可持 续发展已提到议事日程，作为环