氨吸收制冷的工艺设计

氨吸收制冷工艺的应用
1.概述
《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》提出了“十一五”期间单位国内生产总值能耗降低20％左右，主要污染物排放总量减少10％的约束性指标。

电力、钢铁、有色、建材、石油加工、化工等六大行业的节能减排工作便成了重中之重，煤化工企业也不是例外。

在这个特殊的时期，氨吸收制冷工艺成为很多新建厂和老厂改造常采用的方法。

氨吸收制冷工艺利用工厂内尾气或低品味余热为驱动源，通过氨水循环方式来实现制冷，从而达到节能减排的作用。

氨吸收制冷工艺与其它的制冷形式相比较有如下特点：
(1)采用蒸汽或热水作为热源，有利于废
热的综合利用，特别适合于化工、冶金和轻工业中的制冷设备；
(2)以氨作为制冷剂，能制取0℃以下的
低温；
(3)整个装置除泵外均为塔、罐等热交换
设备，结构简单，便于加工制造；(4)振动、噪音较小，可露天安装，从而
降低了建筑费用；
(5)负荷在30~100%范围内调节时，装置
的经济性没有明显变化；
(6)维修简单、操作方便、易于管理；
(7)氨价格低廉，来源充足；
2.原理
氨吸收制冷是以消耗热能而获得冷量的装置。

它是以氨作为制冷剂，以水为吸收剂构成溶液循环系统的制冷装置。

由于采用氨为制冷剂，因此氨吸收制冷适用于蒸发温度为-5~-60℃的制冷工况[1]。

在一定温度和压力下，溶液在气相和液相分界面上物质和能量交换相等，这种状态称为相平衡状态（也称为饱和状态）。

在气相中易挥发组分的浓度比液相中要大。

纯物质在给定压力下蒸发时，蒸发温度固定不变，而溶液在等压下蒸发时，则伴随温度升高。

当溶液蒸发时，液相浓度逐渐变稀，原来的气-液平衡条件遭到破坏，在相同压力的情况下，有新的平衡条件，此时所要求的平衡温度必须升高。

吸收制冷机中蒸发和发生过程就是利用溶液的这种特性，即在等压下提高溶液温度来达到蒸发和发生的目的[2]。

该装置由发生器、精馏塔、冷凝器、过冷器、蒸发器、吸收器、氨水泵、节流阀等部件组成。

浓氨水溶液进入精馏塔，由低温热源驱动，发生器中出来的气氨、氨水被提浓，塔顶分离出一定流量的氨蒸气进入冷凝器中，气氨在冷凝器中被循环水冷却，并凝结成液氨；液氨在过冷器中过冷，过冷液氨送至需冷量的装置，经节流降压，进入蒸发器，在蒸发器内吸热蒸发，产生冷效应，达到制冷的效果。

液氨变为气氨，送入吸收器中；另外，从发生器出来的稀氨水经溶液热交换器，再节流降压后进入吸收器，吸收来自蒸发器的气氨，吸收过程产生的浓溶液由氨水泵加压，经换热
器吸热升温后，重新进入发生器，如此循环制冷。

整套装置除了泵和阀件外，绝大部分是换热器，运转安静，振动小，并且结构简单、紧凑、安全可靠、安装方便，操作简单。

3.氨吸收制冷工艺设计
3.1流程分类
氨吸收制冷流程大致可分为单级和双级吸收制冷两大类。

就精馏方式而言可分为内回流和外回流，图1为单级氨吸收制冷原理流程图。

3.1.1 目前较为常用的是单级内回流氨吸收制冷流程，适用于蒸发温度不高于-20℃的情况。

再沸器
回流冷却器
氨水泵
图1 单级氨吸收制冷原理流程
3.1.2 对于蒸发温度低于-20℃时，采用双级氨吸收制冷比较科学。

蒸发器制冷后的气氨出过冷器后，先经过低压吸收器，被低压溶液热交换器出来的经节流后的低压稀溶液吸收，获得浓溶液，由低压泵经低压溶液热交换器与低压精馏塔底稀溶液换热至接近低压饱和状态，进低压精馏塔。

低压精馏塔塔顶的气氨在进入高压吸收器，被高压溶液热交换器出来的经节流后的高压稀溶液吸收，获得浓溶液。

经高压泵进高压溶液热交换器与高压精馏塔底稀溶液换热至接近高压饱和状态进入高压精馏塔。

高压精馏塔顶出来的气氨进入冷凝器冷凝，冷凝液经过冷器过冷后送至蒸发器，如此循环。

图2为双级氨吸收制冷原理图。

高压再沸器
蒸发器
高压氨水泵低压氨水泵
图2 双级氨吸收制冷原理图
3.2流程选用原则
氨吸收制冷流程的选择，应根据所要求的制冷温度、热源温度和冷源温度，经过技术经济比较，选取经济合理的制冷流程。

一般来说，当冷源、热源条件一定时，选用单级还是双级，主要取决于制冷温度的高低。

若采用单级制冷流程时，制冷所获得的放气范围Δξ＜0.06，从经济上考虑不太合理，应采用双级吸收制冷。

4.氨吸收制冷工艺的应用
目前，从工业应用来看，单级吸收制冷，最低能制取-15℃的冷量，而双级吸收制冷最低能做到-41℃，最高温度能做到12℃的蒸发温度。

可见，氨吸收制冷能制取10℃~-40℃范围的冷量，在需要冷量，又产生较多低品味的蒸汽的工厂有着较为广泛的应用。

下面是以几个实例说明氨吸收制冷的工程应用情况。

哈尔滨气化厂利用氨吸收制冷工艺为加压气化煤气在低温甲醇洗装置进行洗涤而提供低温冷量，该工艺利用煤气化生产过程中产生的大量中温余热，作为补偿热能为吸收制冷的两级精馏系统提供热源。

该工艺使煤气的余热得到充分利用，同时煤气自身被冷却，减少了煤气降温所需要的冷却水量和输送设备，同时也节省了氨水精馏所消耗的水蒸汽量，还节省了压缩气氨而消耗的压缩机电能[2]。

这种利用高温水煤气作为氨吸收制冷的热源，虽说是能源的最大利用，但是水煤气加热发生器，存在的问题也不容忽视，一是泄露，二是当水煤气的操作不稳定时，吸收制冷也就不稳定了，所以从长远角度考虑的话，不推荐这样使用。

中石化金陵分公司2004年技改项目增加氨吸收制冷装置。

通过该装置为脱硫脱碳装置、空分装置提供-15℃品质的冷量。

实现了全厂低品味热源的综合利用，又达到了提供冷量的目的，使全厂能量充分得到利用。

兖矿国泰公司的氨吸收制冷装置的冷量设计总量为22.6MJ/h，满负荷状态下可满足空分装置和甲醇脱碳系统的制
冷需求。

该装置设计最大消耗量：电能消耗为160KW，蒸汽循环量为23500m3/h，一次水为470m3/h，循环水为2000m3/h。

同等情况下，若采用氨压缩制冷，则电耗为：1500KW，循环水消耗量为1000~1500m3/h [3]。

由此得出，氨吸收制冷装置，能充分利用低品味蒸汽，节约循环水和电能消耗，达到了能量的充分利用，为公司创造了可观的经济效益。

长山化肥厂1999年改造采用NHD 法脱碳，设计年产15万吨合成氨，因为NHD脱碳属于物理吸收，需低温操作（-5~-8℃），设计用3台1.84×106kJ/h 冰机提供冷量[4]。

后经方案讨论决定，由氨压缩制冷改为利用低温余热的氨吸收制冷。

由于冬季生产和厂外取暖用汽紧张，决定变换气剩余的低品味热能冬季用作家属区采暖，夏季作为氨吸收制冷的热源。

对于生产余热作为家属区采暖，采取了一些必要的措施，如：采暖水通过发生器后进行可燃气体检测，采暖水最高处增设一台水气分离器，由分离器顶部排除的水汽采样分析，每班一次，一经发生内漏，立即停车处理。

从装置运行情况来看，操作平稳、运行可靠，而且低品味热能得到充分的利用。

5.结束语
目前，国内很多的化工厂都存在着大量的乏汽或其他余热，由于热值和压力较低等原因而无法利用，造成了很大的浪费。

氨吸收制冷技术恰恰是把这部分余热进行回收来生产工厂所需要的冷源，这是一种非常经济高效的节能减排措施。

氨吸收制冷工艺既节能又环保，而且工艺流程成熟，操作弹性大，维护简单。

参考文献
[1]《制冷工程设计手册》568-573。

[2]节能的氨吸收制冷工艺-谢立波，曹艳霞-《煤化工》2004.12第6期44-45
[3]氨吸收制冷工艺在NHD脱碳上的应用,金管会，侯薇-《中氮肥》2001.3第2期32-34
[4]氨吸收制冷工艺在NHD脱碳上的应用,金管会，侯薇-《中氮肥》2001.3第2期32-34。