本發(fā)明涉及工業(yè)廢氣處理、廢熱回收與低位能利用技術(shù)領(lǐng)域，特別是回收工藝廢氣廢熱并循環(huán)利用的節(jié)能減排方法。
背景技術(shù)：
大部分情況下工業(yè)廢氣排放物主成分是空氣、其次是水蒸汽，因廢氣所含化學(xué)物質(zhì)濃度低（一般以mg/m3計）、所含熱量品位低（一般低于80℃）、難于再利用而被排放。然而排放廢氣中低濃度的化學(xué)物質(zhì)對環(huán)境的影響度卻很高，尤其當(dāng)廢氣中含有看似無害的水蒸汽、便會形成有害物質(zhì)氣溶膠，其危害不容輕視。例如噴霧干燥生產(chǎn)化肥磷酸一銨的干燥廢氣，現(xiàn)行控制標準是每立方米廢氣含磷酸一銨不超過20mg，但是當(dāng)化學(xué)物質(zhì)與廢氣所含水蒸汽（40℃，每立方米54.2 g）混合形成氣溶膠微粒排放到大氣之中，在一定氣象條件下擴散形成化學(xué)霧霾，通過154萬立方米潔凈大氣稀釋后才能達到世界衛(wèi)生組織設(shè)定的允許值（PM2.5濃度低于35μg/m3）?？梢姽I(yè)廢氣排放帶來的大氣污染、很難通過環(huán)境治理手段修復(fù)。根治的辦法是杜絕污染物排放。然而，工業(yè)過程以空氣為熱/質(zhì)載體、與化學(xué)物質(zhì)傳熱傳質(zhì)后把殘留物從尾氣中完全分離以達杜絕污染物排放目的，現(xiàn)有技術(shù)成本太高難于實施。工業(yè)尾氣循環(huán)利用、免排放，才是工業(yè)過程大氣污染防治的優(yōu)選方案。不過，現(xiàn)有工業(yè)尾氣循環(huán)利用技術(shù)都以能耗及產(chǎn)品成本上升為代價，使其在一定的社會政治經(jīng)濟條件下缺乏競爭力。
為此，本發(fā)明氣體變溫變壓回收低位廢熱并循環(huán)升溫利用的方法，使常溫常壓（25℃，0.1MPa絕壓）氣體通過串聯(lián)的膨脹-壓縮變溫變壓過程，從–90℃~80℃的低位廢熱源吸收熱量并使氣體溫度提升至150℃以上循環(huán)利用。例如上述生產(chǎn)化肥磷酸一銨12萬噸/年的噴霧干燥廢氣50000 m3/h循環(huán)利用，采用本發(fā)明方法，從80℃的低位廢熱源回收熱量7100 MJ/h，把45℃~60℃的廢氣凈化后升溫到150℃以上循環(huán)利用，不僅杜絕了廢氣排放、而且替代了燃煤800 kg/h的熱風(fēng)爐，具有顯著的節(jié)能、減排、降耗、增收四重效益。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明公開一種氣體變溫變壓回收低位廢熱并升溫利用的循環(huán)方法。本發(fā)明方法適用于既排放低位廢熱（通常在80℃以下、制冷工況下則低至–90℃）又要將常溫氣體加熱升溫使用的場合，例如從濕法磷酸制化肥磷銨（磷酸一銨及磷酸二銨）工藝，既要向大氣排放45~60℃的磷銨干燥廢氣并通過冷卻水排放大量80℃以下工藝廢熱、同時又要為噴霧干燥裝置提供加熱到150℃以上的新鮮空氣，采用本發(fā)明方法改進技術(shù)的步驟是：將常壓含塵含濕廢氣洗滌凈化脫水降溫至不高于15℃、水蒸汽含量不高于0.011 kg/kg干空氣、用廢熱源將氣體加熱到65℃以上、通過膨脹機將氣體能量轉(zhuǎn)換為動力輸出、氣體降壓降溫至1℃以下，然后再次用廢熱源使氣體復(fù)熱到65℃以上、再借助膨脹機輸出的動力將氣體加壓至循環(huán)使用的壓力同時升溫至150℃以上。本發(fā)明主要發(fā)明思想是根據(jù)氣體的溫度-壓力-熱焓相互關(guān)聯(lián)的特性，構(gòu)建絕熱膨脹-壓縮、變溫變壓循環(huán)過程，為回收低位廢熱創(chuàng)造低溫吸熱和升溫利用的條件，而且絕熱膨脹-壓縮等熵循環(huán)并不耗功、實際應(yīng)用中消耗的動力是補償熱力學(xué)過程不可逆損失。
如附圖所示含塵含濕氣體變溫變壓、回收低位廢熱并升溫利用的循環(huán)方法，壓力0.5~1.0 kPa（表壓）、溫度45~60℃的含塵含濕工業(yè)廢氣（主要成分氮氣、氧氣、二氧化碳氣，所含化學(xué)物質(zhì)在100℃以下溫度無揮發(fā)性）從底端進入洗氣塔4，與通過洗液循環(huán)泵1加壓從頂端噴頭噴入塔內(nèi)的洗液逆流傳熱傳質(zhì)吸收廢氣中的化學(xué)物質(zhì)并使廢氣脫濕降溫、通過霧沫分離后塔頂出口氣體溫度不高于35℃。從廢氣脫除的化學(xué)物質(zhì)及冷凝水隨洗液一道收集于洗液槽2并通過洗液循環(huán)泵1出口管路的支管輸往工藝系統(tǒng)回用，上塔的洗液循環(huán)量大于0.01 m3/m3（液/氣比）、通過冷卻器3控制進塔洗液溫度不高于32℃。洗氣塔4塔頂出口氣體通過氣液交叉流除霧裝置5傳熱傳質(zhì)進一步脫水降溫至不高于15℃、每kg絕干氣體中水蒸汽含量不高于0.011 kg/kg干空氣，用氣體在該裝置中脫除的冷凝水循環(huán)作為氣液交叉流的液體介質(zhì)（溫度不高于10℃，液/氣比大于0.005m3/m3）。降溫脫水后溫度不高于15℃的氣體通過前置加熱器6從廢熱源一（溫度不超過80℃）吸取熱量升溫至不低于60℃，然后進入同軸膨脹/壓縮機8的膨脹端入口，絕熱膨脹降壓降溫至不低于1℃、進入后置加熱器7從廢熱源二（溫度不高于80℃）吸取熱量復(fù)溫至不低于55℃，然后被吸入同軸膨脹/壓縮機8的壓縮端入口、壓縮機利用膨脹端產(chǎn)生的動力絕熱壓縮使氣體壓力恢復(fù)至膨脹端入口壓力值的70%以上、絕熱升溫至100℃以上，然后通過輔助壓縮機9，進一步絕熱升壓升溫至高于1.0 kPa（表壓）、150℃以上，達到循環(huán)使用的要求。所述同軸膨脹/壓縮機是指膨脹機與壓縮機被連接在同一根旋轉(zhuǎn)軸的兩端，氣體通過膨脹機絕熱膨脹產(chǎn)生的動力直接由旋轉(zhuǎn)軸傳遞給另一端的壓縮機。
如附圖所示不含塵不含濕的潔凈氣體變壓變溫制冷并回收低位廢熱升溫利用的循環(huán)方法，常溫常壓（25℃，0.1MPa絕壓）氣體直接進入同軸膨脹/壓縮機8膨脹端入口，絕熱膨脹降壓降溫至不低于–90℃后通過后置加熱器7，從低位廢熱源二（溫度范圍–90℃~45℃）吸熱、逐級升溫至不低于40℃后，被吸入同軸膨脹/壓縮機8的壓縮端入口、壓縮機利用膨脹端產(chǎn)生的動力絕熱壓縮使氣體壓力恢復(fù)至膨脹端入口壓力值的42%以上、絕熱升溫至125℃以上，然后通過輔助壓縮機9、進一步絕熱升壓至不低于膨脹端入口壓力值、升溫至250℃以上，達到熱氣體使用要求。上述從低于0℃的低位廢熱源吸熱的過程，也是輸出冷量的制冷過程。
附圖說明 附圖是本發(fā)明提供的氣體變溫變壓回收低位廢熱并升溫利用的循環(huán)方法示意圖。圖中：1–洗液循環(huán)泵；2–洗液槽；3–冷卻器；4 –洗氣塔；5–氣液交叉流除霧裝置；6–前置加熱器；7–后置加熱器；8–同軸膨脹/壓縮機；9–輔助壓縮機
具體實施方式 以下結(jié)合但不限于實施例闡述本發(fā)明具體實施方式
實施例1：年產(chǎn)12萬噸磷酸一銨噴霧干燥廢氣循環(huán)利用。廢氣參數(shù)：流量50000 Nm3/h，主要成分空氣，磷銨粉塵含量20 mg/Nm3，廢氣溫度58℃，壓力0.8 kPa（表壓），相對濕度60%。該場合下，同時有超過26400 MJ/h廢熱排放（80℃）。
如附圖所示的含塵含濕氣體變溫變壓、回收低位廢熱并升溫利用循環(huán)，壓力0.8 kPa（表壓）、溫度58℃、含磷銨粉塵20 mg/Nm3、含濕0.081 kg/kg干空氣的磷酸一銨噴霧干燥廢氣50000 Nm3/h，從底端進入洗氣塔4，與通過洗液循環(huán)泵1加壓從頂端噴頭噴入塔內(nèi)的洗液逆流傳熱傳質(zhì)溶解吸收廢氣中的磷銨粉塵并使廢氣降溫脫濕，通過塔頂霧沫分離后出口氣體溫度30℃，含濕0.027 kg/kg干空氣。從廢氣脫除的化學(xué)物質(zhì)1.0 kg/h及冷凝水3480 kg/h隨洗液一道收集于洗液槽2并通過洗液循環(huán)泵1出口管路的支管輸往工藝系統(tǒng)回用，上塔的洗液循環(huán)量600 m3/h、通過冷卻器3后溫度25℃。洗氣塔4出氣通過氣液交叉流除霧裝置5，用250 m3/h溫度不高于10℃的冷凝水循環(huán)進一步降低氣體溫度至12℃、含濕0.00869 kg/kg干空氣，通過前置加熱器6從80℃廢熱源吸取熱量升溫至65℃后，進入同軸膨脹/壓縮機8的膨脹端入口，絕熱膨脹降壓降溫至2℃、進入后置加熱器7又從80℃廢熱源吸取熱量使氣體復(fù)溫至65℃，然后被吸入同軸膨脹/壓縮機8的壓縮端入口、壓縮機利用膨脹端產(chǎn)生的動力使氣體壓力升高至0.07MPa（絕壓）、升溫至105℃以上，然后通過輔助壓縮機9以不超過850 kW的輔助動力消耗、進一步使氣體升壓升溫至0.115 kPa（表壓）、160℃以上，達到磷酸一銨噴霧干燥熱風(fēng)循環(huán)使用的參數(shù)要求。上述吸熱升溫過程傳熱溫差不低于12℃。
本實施例對年產(chǎn)12萬噸磷酸一銨噴霧干燥廢氣循環(huán)利用的有益效果是：1）噴霧干燥廢氣封閉循環(huán)，從工藝源頭切斷大氣環(huán)境污染源；2）回收利用80℃廢熱為160℃干燥熱風(fēng)提供熱源，不僅節(jié)約常規(guī)能源而且擺脫對燃煤熱風(fēng)爐或中壓蒸汽系統(tǒng)的依賴；3）本實施例輔助動力消耗850 kW，比使用800 kg/h燃煤或3800 kg/h中壓蒸汽的常規(guī)熱風(fēng)技術(shù)節(jié)省能源成本25%以上。
實施例2：氣體變溫變壓循環(huán)制冷同時提升富氧燃燒供氣溫度。富氧燃燒供氣流量50000 Nm3/h，壓力0.1 MPa（絕壓）、溫度25℃，氣體成分：氧氣90%、氮氣10%，不含濕不含塵。本實施例制冷的過程亦即從低于0℃的低位廢熱源吸熱的過程，吸熱溫度即為供冷溫度。
如附圖所示不含塵不含濕的潔凈氣體變溫變壓循環(huán)制冷并回收低位廢熱升溫利用的方法，常溫常壓（25℃，0.1MPa絕壓）的富氧燃燒氣體50000 Nm3/h直接進入同軸膨脹/壓縮機8膨脹端入口，絕熱膨脹降壓降溫至–85℃后，通過后置加熱器7從低于0℃的低位廢熱源分兩段吸熱升溫：第一段升溫至–55℃、第二段升溫至–10℃后，再從高于0℃的低位廢熱源吸取熱量升溫至40℃，然后吸入同軸膨脹/壓縮機8的壓縮端入口、壓縮機利用膨脹端產(chǎn)生的動力使氣體壓力恢復(fù)至0.043MPa（絕壓）、升溫至126℃以上，然后通過輔助壓縮機9以不超過1585 kW的輔助動力消耗、進一步升壓至0.1MPa（絕壓）、升溫至251℃以上，達到富氧燃燒熱氣體使用要求。上述吸熱升溫過程傳熱溫差不低于5℃。
本實施例對50000 Nm3/h常溫常壓富氧燃燒供氣變壓變溫循環(huán)、制冷并回收低位廢熱升溫利用的有益效果是，以不超過1585 kW的輔助動力消耗獲?。?）不少于4100 kW熱能使氣體升溫至250℃以上；2）不少于700 kW的-90℃~ -50℃低溫制冷量，不少于800 kW的-50℃~ -5℃低溫制冷量，不少于800 kW的-5℃~40℃近常溫制冷量。
本發(fā)明不限于上述實施例，其技術(shù)方案已在發(fā)明內(nèi)容部分予以說明。