鲁奇炉热回收装置的热力学分析

Thermodynamic Analysis of Lurgi Gasifier Heat Recovery Unit

崔宗照 Zongzhao CUI

晋煤金石化工投资集团有限公司河北石家庄 050041 Jincheng Anthracite Mining Group′s Jinshi Chemical Investment

摘要：

火用理论及其计算方法日益成为热力工程学有用的分析工具。利用的概念计算鲁奇炉热回收装置(洗涤冷却器+低压锅炉)的效率并与传统的热回收率计算结果相比较，计算结果表明：洗涤冷却器的热效率为82.72%，但由于传热温差太大，效率只有60.51%，高品位热能没有得到充分利用；低压锅炉的热效率为69.46%，但由于回收的低压蒸汽品位太低，效率只有52.33%。根据计算结果，如把洗涤冷却器改为副产3.82 MPa过热蒸汽并直接用作鲁奇炉的气化剂，既降低了传热温差，又副产了高品位的蒸汽，效率及可用性将得到明显提高。

关键词：

鲁奇炉; 热回收; 热力学; ;

Abstract：

Exergy theory and its calculation method has increasingly become a useful analysis tool in thermal engineering. The exergy efficiency of Lurgi gasifier heat recovery unit (scrubber cooler + low pressure boiler) is calculated adopting exergy concept and is compared with results obtained by traditional heat recovery efficiency calculation method. Calculation results show that heat efficiency of scrubber cooler is 82.72%, but because temperature difference of heat transfer is too big, exergy efficiency is only 60.51%, the high-grade energy is not made full use of; the heat efficiency of low pressure boiler is 69.46%, but because the grade of recovered low pressure steam is too low, the exergy efficiency is only 52.33%. According to calculation results, if scrubber cooler can instead produce byproduct 3.82 MPa superheated steam and the steam can be used directly as gasification agent of Lurgi gasifier, the temperature difference of heat transfer can be lowed, and the byproduct high-grade steam can be produced as well, thus the exergy efficiency and usability will be improved remarkable.

Keyword：

Lurgi gasifier; heat recovery; thermodynamics; exergy;

目前，国内外以煤为原料生产化工产品的企业中，所采用的煤气化工艺有多种，如常压固定层间歇气化、碎煤加压气化(鲁奇炉)、粉煤流化床气化、粉煤气流床气化等，各种气化技术均有其各自的优缺点，对原料煤的品质均有一定的要求，其工艺的先进性、技术成熟程度互有差异。鲁奇炉目前仍然是世界上加压煤气化工艺中在运装置和业绩最多的炉型之一，南非大型煤制油化工联合体SASOL公司采用德国鲁奇碎煤加压气化技术，共有97台气化炉，气化炉设备利用率达94%^[1]，其中SASOL Ⅰ厂有17台气化炉(13台MK Ⅲ型，3台MK Ⅳ型，1台制气能力为66 000 m³/h的MK Ⅴ型)，SASOL Ⅱ厂和SASOL Ⅲ厂各有40台内径Φ 3.8 m、制气能力为41 000 m³/h的MK Ⅳ型气化炉。鲁奇碎煤加压气化技术在国内成功应用范例主要有山西化肥厂一期工程(4台气化炉)、山西化肥厂改造工程(增建1台气化炉)、哈尔滨依兰气化厂(5台气化炉)、云南解化煤制氨(14台气化炉)、河南省义马气化厂一期(3台气化炉)、河南省义马气化厂二期(2台气化炉)、山西潞安煤基160 kt/a合成油示范工程(4台气化炉)以及新疆广汇800 kt/a二甲醚一期工程、大唐国际SNG化工厂等。

鲁奇碎煤加压气化技术的优点：①可以气化劣质煤，结合了成熟的移动床加压气化技术和高效的熔渣气化技术的优点；②采用逆向气化，煤在炉内停留时间长达1 h，鲁奇炉的操作温度和出口煤气温度低；③氧耗较低；④热效率高于流化床气化技术；⑤可获得的总体工艺效率高于其他气化技术；⑥经过大量工业化应用验证，技术成熟可靠；⑦原料煤中的碳几乎全部得到利用，碳转化率＞99.5%，无资源浪费；⑧粗煤气中的焦油分离后即可加工成副产品，也可注入气化炉气化；⑨废水处理装置较小，气化炉排渣无污染而可用作筑路材料；⑩投资低，性价比高。

1 鲁奇炉热回收装置简介

鲁奇炉热回收装置工艺流程如图 1所示。

图 1

鲁奇炉热回收装置工艺流程

来自气化炉的粗煤气首先进入洗涤冷却器，用循环煤气水对煤气进行洗涤并使其饱和。洗涤冷却器的用途首先是将粗煤气温度降至200 ℃左右，其次是除去可能夹带的大部分颗粒物。饱和并冷却以后的粗煤气进入低压锅炉，通过副产0.5 MPa(表压)低压蒸汽以回收煤气中部分蒸汽的冷凝热，多余的煤气水送往煤气水分离装置。压力2.91~3.00 MPa(表压)、温度180 ℃左右、饱和状况下的粗煤气离开气化工段，通过粗煤气总管去变换工段。

2 㶲简介及㶲效率的计算方法

衡量一种能量应该包括数量和质量(品位)2个方面，能量的品位用其可以转变为机械功的那部分份额的大小来评价。热能转换为机械功的转换效率与热能的温度有关，也就是说，高温热能的品位高于低温热能。

热量是以温差为动力而在载热体之间传递的能量，每传递一次，温度、品位和做功能力就分别降低一次。因此，在热能转换和利用中，存在着数量上的守恒和品位上的贬值2种现象，这反映了一切非理想的不可逆过程的热力学损失。

能量中可以最大限度转变为功(以环境状态为基准)的部分被称为㶲，不能转变为功的那部分被称为。根据热力学第一定律可以得出：在任何传热过程中，㶲和的总和保持不变。根据热力学第二定律可以得出：在不可逆过程中，㶲向转化。也就是说，在能量的传递和利用中，不存在㶲的守恒，总是在不断减少，转化为的那部分被称为㶲损失^[2]。

稳定流动载热体的可按下式计算：

$ E = W[(H - {H_0}) - {T_0}(S - {S_0})] $

式中：E——载热体相对于环境所具有的㶲；

W——载热体的流量；

H——载热体的焓；

H₀——载热体在标准环境状态下的焓；

S——载热体的熵；

S₀——载热体在标准环境状态下的熵。

如图 2所示的逆流换热器，A和B分别表示热流体与冷流体，以1，2，3，4分别表示2种流体进出换热器的热力学状态，热流体的入口和出口分别为E₁和E₂，焓分别是H₁和H₂，熵分别是S₁和S₂。

图 2

逆流换热器

放热量：Q₁＝H₁-H₂

$ E = W[(H - {H_0}) - {T_0}(S - {S_0})] $

由于存在热量损失，Q₂＜Q₁；由于存在传热温差，T_m2＜T_m1。所以，ΔE₂＜ΔE₁。

$ E = W[(H - {H_0}) - {T_0}(S - {S_0})] $

式中：N_t——热效率。

$ E = W[(H - {H_0}) - {T_0}(S - {S_0})] $

式中等号右边第1项为由于温差而造成的内部损失，第2项为由于热损失ΔQ_t而造成的外部㶲损失。

3 实际操作数据及物性数据

实际操作数据及物性数据如表 1、表 2和表 3所示。

表 1

粗煤气气体成分和压力

φ(H₂)/%	φ(H₄)/%	φ(CO)/%	φ(CO ₂)/%	φ(O ₂)/%	φ(Ar+N₂)/%	压力/MPa
38.0	8.0	28.0	25.0	0.4	0.6	3.0

表 2

粗煤气和湿蒸汽物性数据

项目	吨氨干基粗煤气量V/kmol	吨氨湿蒸汽量W/kg	气体温度T/K	干基粗煤气比热C_P/ (kJ·kmol^-1·K^-1)	湿基蒸汽焓H/ (kJ·kg^-1)	湿蒸汽熵S/ (kJ·kg^-1·K^-1)	水汽化热ΔH/ (kJ·kg^-1)
气化炉出口(状态1)	122.48	1 381.69	783	38.132	3 474.234	7.790
低压锅炉出口(状态3)	122.48	2 415.77	471	33.893	2 787.224	6.451	1 945.372
低压锅炉出口(状态3)	122.48	1 027.46	449	33.553	2 770.086	6.614	2 025 628

表 3

水及蒸汽系统用量及物性数据

项目	温度T/℃	压力P/MPa	气体温度吨氨流量W/kg	焓H/ (kJ·kg^-1)	熵S/ (kJ·kg^-1·K^-1)
高压喷射煤气水(状态4)	160	3.7	930.00	674.234	1.944
泵用机封水(状态5)	150	5.5	138.50	631.180	1.845
低压锅炉给水(状态6)	150	1.3	1 038.50	631.180	1.845
低压蒸汽(状态7)	161	0.4	961.50	2 754.620	6.738
含尘煤气水(状态8)	197	3.0	1 422.78	837.672	2.306
洗涤冷却器循环煤气水(状态9)	197	3.0	13 892.69	837.672	2.306
低压锅炉循环煤气水(状态10)	197	3.0	13 246.15	837.672	2.306

4 洗涤冷却器的热力学计算(以吨氨计)

4.1 气化炉出口粗煤气经洗涤冷却器可利用的能源Q_热源

气化炉出口干基粗煤气温度由510 ℃降至198 ℃所放出的热量Q_干：

$ E = W[(H - {H_0}) - {T_0}(S - {S_0})] $

湿基蒸汽温度由510 ℃降至198 ℃所放出的热量Q_湿：

$ E = W[(H - {H_0}) - {T_0}(S - {S_0})] $

气化炉出口粗煤气经洗涤冷却器可利用的能源Q_热源：

$ E = W[(H - {H_0}) - {T_0}(S - {S_0})] $

4.2 洗涤冷却器回收的热量Q_回

高压喷射煤气水的温度由160 ℃升高至198 ℃、泵用机封水温度由150 ℃升高至198 ℃回收的热量Q_水：

$ E = W[(H - {H_0}) - {T_0}(S - {S_0})] $

气化炉出口粗煤气经洗涤冷却器后增加的水蒸气汽化热Q_汽：

$ E = W[(H - {H_0}) - {T_0}(S - {S_0})] $

故洗涤冷却器回收的热量Q_回：

$ E = W[(H - {H_0}) - {T_0}(S - {S_0})] $

4.3 洗涤冷却器热回收率η

$ E = W[(H - {H_0}) - {T_0}(S - {S_0})] $

4.4 气化炉出口粗煤气可利用的能源E_热源

㶲环境温度为273+25＝298(K)。

气化炉出口干基粗煤气温度由510 ℃降至198 ℃所产生的损失E_干：

$ E = W[(H - {H_0}) - {T_0}(S - {S_0})] $

湿基蒸汽温度由510 ℃降至198 ℃所产生的损失E_湿：

$ E = W[(H - {H_0}) - {T_0}(S - {S_0})] $

故气化炉出口粗煤气可利用的能源E_热源：

$ E = W[(H - {H_0}) - {T_0}(S - {S_0})] $

4.5 洗涤冷却器回收的量E_回

高压喷射煤气水的温度由160 ℃升高至198 ℃、泵用机封水温度由150 ℃升高至198 ℃回收的热量E_水：

$ E = W[(H - {H_0}) - {T_0}(S - {S_0})] $

气化炉出口粗煤气经过洗涤冷却器后增加的水蒸气所产生的㶲增量E_汽:

$ E = W[(H - {H_0}) - {T_0}(S - {S_0})] $

故洗涤冷却器回收的㶲量E_回：

$ E = W[(H - {H_0}) - {T_0}(S - {S_0})] $

4.6 洗涤冷却器回收率y

$ E = W[(H - {H_0}) - {T_0}(S - {S_0})] $

4.7 洗涤冷却器的损失ΔE

$ E = W[(H - {H_0}) - {T_0}(S - {S_0})] $

5 低压锅炉的热力学计算(以吨氨计)

5.1 洗涤冷却器出口粗煤气经过低压锅炉可利用的能源Q_热源

洗涤冷却器出口干基粗煤气温度由198 ℃降至176 ℃所放出的热量Q_干：

$ E = W[(H - {H_0}) - {T_0}(S - {S_0})] $

湿基蒸汽温度由198 ℃降至176 ℃所放出的热量Q_湿：

$ E = W[(H - {H_0}) - {T_0}(S - {S_0})] $

经过低压锅炉粗煤气中蒸汽冷凝产生的潜热Q_冷：

$ E = W[(H - {H_0}) - {T_0}(S - {S_0})] $

故洗涤冷却器出口粗煤气经过低压锅炉可利用的能源Q_热源：

$ E = W[(H - {H_0}) - {T_0}(S - {S_0})] $

5.2 低压锅炉回收的热量Q_回

低压锅炉产生蒸汽所吸收的热量Q_汽：

$ E = W[(H - {H_0}) - {T_0}(S - {S_0})] $

故低压锅炉回收的热量Q_回：

$ E = W[(H - {H_0}) - {T_0}(S - {S_0})] $

5.3 低压锅炉热回收率η

$ E = W[(H - {H_0}) - {T_0}(S - {S_0})] $

5.4 洗涤冷却器出口粗煤气可利用的能源E_热源

㶲环境温度为273+25＝298(K)。

洗涤冷却器出口干基粗煤气温度由198 ℃降至176 ℃所产生的损失E_干：

$ E = W[(H - {H_0}) - {T_0}(S - {S_0})] $

湿基蒸汽温度由198 ℃降至176 ℃所产生的㶲损失E_湿：

$ E = W[(H - {H_0}) - {T_0}(S - {S_0})] $

经过低压锅炉粗煤气中蒸汽冷凝产生的损失E_冷：

$ E = W[(H - {H_0}) - {T_0}(S - {S_0})] $

故洗涤冷却器出口粗煤气经过低压锅炉可利用的能源E_热源：

$ E = W[(H - {H_0}) - {T_0}(S - {S_0})] $

5.5 低压锅炉回收的量E_回

低压锅炉产生蒸汽所吸收的能源E_汽：

$ E = W[(H - {H_0}) - {T_0}(S - {S_0})] $

故低压锅炉回收的量E_回：

$ E = W[(H - {H_0}) - {T_0}(S - {S_0})] $

5.6 低压锅炉回收率y

$ E = W[(H - {H_0}) - {T_0}(S - {S_0})] $

5.7 低压锅炉的损失ΔE

$ E = W[(H - {H_0}) - {T_0}(S - {S_0})] $

6 热力学分析结果汇总

为了便于对比，将鲁奇炉热回收装置热力学分析结果汇总列于表 4。

表 4

鲁奇炉热回收装置热力学分析结果汇总

项目	洗涤冷却器	低压锅炉
进热回收装置粗煤气温度/K	783	471
出热回收装置粗煤气温度/K	471	449
进热回收装置冷流体温度/K	433	423
出热回收装置冷流体温度/K	471	434
热回收率/%	82.72	69.46
㶲效率/%	60.51	52.33
吨氨损失/kJ	0.522×10⁶	0.583×10⁶

由表 4可看出：洗涤冷却器的热效率较高为82.72%，但由于传热温差太大，效率只有60.51%，吨氨损失高达0.522×10⁶ kJ，高品位的热能没有得到充分利用；低压锅炉的热效率较高为69.46%，但由于回收的低压蒸汽品位太低，效率只有52.33%，吨氨损失高达0.583×10⁶ kJ。把洗涤冷却器和低压锅炉作为一套热回收装置来看，可以明显发现，进热回收装置粗煤气温度高达783 K，只回收副产品位很低的434 K低压蒸汽，高品位的热能被白白浪费，没有得到充分利用。如果把洗涤冷却器改为副产3.82 MPa过热蒸汽并直接用作鲁奇炉的气化剂，既可降低传热温差，又副产了高品位蒸汽，效率及可用性就会大有改观。

提高换热设备的效率、减少损失的主要途径：①提高热效率、降低热损失，如提高冷热两侧表面的传热系数、减小污垢层热阻、适当提高板间流道内介质的平均流速等；②回收高品位的热能，提高回收热能的可用性；③减小传热温差，但减小传热温差不仅以增大传热面积为代价，还会增大流体流动阻力，即增大输送流体的能耗，故传热温差不能仅考虑提高效率，还须通过技术经济分析予以确定。

ckwx 参考文献

万保健.碎煤加压气化技术[J].河北化工,2012(4):3-4.

崔宗照.合成氨反应热回收装置的热力学分析[J].中氮肥,1991(4):17-22.