蒸汽連續(xù)壓縮裝置在氯堿化工行業(yè)節(jié)能中的應(yīng)用

奚儒偉,王石柱

(上海毅知實業(yè)有限公司,上海200434)

工業(yè)生產(chǎn)線經(jīng)常需要不同壓力等級的蒸汽,目前普遍采用閥門進(jìn)行節(jié)流減壓,將高壓(高品位)蒸汽節(jié)流減壓至生產(chǎn)所需(低品位)的蒸汽壓力后,向工業(yè)生產(chǎn)中的用熱部位供汽,造成蒸汽火用的大量損耗,熱能品位降低。傳統(tǒng)節(jié)流減壓方式是一種典型的不可逆過程,蒸汽經(jīng)過換熱設(shè)備換熱后產(chǎn)生的冷凝水通過疏水系統(tǒng)排水,冷凝水系統(tǒng)產(chǎn)生的二次蒸發(fā)氣及疏水系統(tǒng)產(chǎn)生的泄漏蒸汽,這些低壓蒸汽品位更低,如果要進(jìn)行預(yù)熱回收投資大、經(jīng)濟(jì)性差,因此只能對空排放。連續(xù)可調(diào)蒸汽噴射二次壓縮技術(shù)供汽系統(tǒng)利用低壓蒸汽對高壓蒸汽減壓,可以替代傳統(tǒng)的閥門節(jié)流裝置,高壓蒸汽減壓導(dǎo)致的火用損失可以在低品位二次蒸發(fā)氣火用的提高中得到補(bǔ)償,這樣就可以在滿足生產(chǎn)線對各種壓力的蒸汽要求的同時,充分回收冷凝水中的蒸汽潛熱,提高系統(tǒng)的能源利用效率,達(dá)到節(jié)能減排和降低生產(chǎn)成本的目的,具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)保效益。

上海氯堿化工股份有限公司某工藝段的供汽系統(tǒng),原來采用閥門節(jié)流的方法通過一臺調(diào)節(jié)閥把0.80MPa/252℃(h1=2953 k J/kg)高壓供汽減壓到工藝需要的0.30 MPa/220℃(h2=2896 k J/kg)低壓蒸汽,流量10～18 t/h,如圖1所示。經(jīng)過加熱器換熱后蒸汽冷凝水平均溫度盡管高于100℃,但大多直接排放或只進(jìn)行簡單的熱回收。

圖1 原來采用閥門節(jié)流的減壓方法

為了減少能源浪費(fèi),氯堿公司決定對引進(jìn)上海毅知實業(yè)有限公司研制的蒸汽連續(xù)壓縮引射式減壓裝置對該供汽系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造。改造后的供汽系統(tǒng)見圖2,其中蒸汽噴射二次壓縮減壓回收裝置見圖3。基本的蒸汽噴射二次壓縮技術(shù)供汽系統(tǒng)由蒸汽噴射二次壓縮技術(shù)、高效擴(kuò)容閃蒸罐、壓差疏水器、換熱器、自動控制系統(tǒng)等組成。蒸汽噴射二次壓縮技術(shù)供汽系統(tǒng)全部采用自動化控制技術(shù),各壓力、溫度、液位等參數(shù)的采集均使用相應(yīng)的變送傳感器,控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)為氣動或電動調(diào)節(jié)閥門,控制中心為工控機(jī)或可編程控制器(PLC)。系統(tǒng)設(shè)定好各個參數(shù)后,自動穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 改造后供汽系統(tǒng)

圖3 蒸汽噴射二次壓縮系統(tǒng)

引射減壓器是蒸汽噴射二次壓縮技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備,運(yùn)行中利用蒸汽減壓前后的能量差為動力,將高品位蒸汽和低品位蒸汽在蒸汽噴射二次壓縮系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行速度均衡和能量均衡,擴(kuò)壓后進(jìn)入熱力管網(wǎng)供用汽用戶使用。其中蒸汽噴射二次壓縮系統(tǒng)由噴嘴、接受室、混合室和擴(kuò)壓室共4個部分組成,結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 蒸汽噴射二次壓縮裝置

系統(tǒng)經(jīng)過改造后可以把蒸汽壓力從0.80 MPa減壓到0.30 MPa。由于冷凝水供水溫度130℃(h3=546 kJ/kg),閃蒸管的排水溫度80℃(h4= 334 k J/kg),供水量15～20 t/h;引射減壓器可以從閃蒸罐獲得的低壓蒸汽1.5～1.8 t/h。

根據(jù)熱力學(xué)的第二定律計算可以得出減壓過程的不可逆火用損失。根據(jù)公式:

式中:h,e和s為蒸汽減壓前或者減壓后的焓、火用和火商;假定環(huán)境為零態(tài)參數(shù),即空氣性質(zhì) T0=288 K, h0=42 k J/kg,s0=0.22 kJ/(kg·K),以及P0=0.1 kPa。

該工段平均蒸汽消耗量10～15 t/h,減壓前蒸汽平均壓力0.80 MPa平均溫度252℃,減壓后蒸汽平均壓力0.30 MPa平均溫度220℃;減壓系統(tǒng)進(jìn)行的是等焓減壓,減壓前后的焓2953 k J/kg不變,但是火商從 7.07 k J/(kg·K)增加到7.53 kJ(kg·K),代入公式可以得到減壓前的火用為938.5 k J/kg,減壓后為806.0 k J/kg,由此可見蒸汽的火用損失為132.5 k J/kg,占減壓前蒸汽總可用能的13.8%,蒸汽減壓運(yùn)行造成了能量品位比較大的損失,這種損失采用節(jié)流方式是得不到補(bǔ)償?shù)摹５遣捎靡錅p壓,低品位的冷凝水閃蒸汽品位有所提高,系統(tǒng)總的火用損失將減少。

采用引射減壓系統(tǒng)后,由于減壓后從冷凝水中回收了10%的閃蒸汽,供熱低壓蒸汽的總焓值從2953 k J/kg增加到3219 k J/kg,增加了9%;減壓后火用也從806 k J/kg增加到1113 k J/kg,減壓后火用的值大于減壓前火用的值,這是因為引射系統(tǒng)具有一定的熱泵效應(yīng),可以把蒸汽的品位提高。

根據(jù)系統(tǒng)現(xiàn)場情況,蒸汽減壓能回收裝置設(shè)計的引射系數(shù)為15%,可以從冷凝水中回收1.75 t/h閃蒸汽,閃蒸汽的參數(shù)為90℃,焓值2660 kJ/kg,折合0.8MPa/252℃的蒸汽約為1.57 t/h,全年節(jié)約蒸汽126000 t,折合標(biāo)煤1245 t,年經(jīng)濟(jì)效益約為244.8萬元。氯堿股份聚氯乙烯廠20萬噸蒸汽減壓節(jié)能項目投資為210萬元,改造費(fèi)一年就可以回收。

常規(guī)的閥門節(jié)流減壓造成了能量的無效貶值,使高品位(壓力)的蒸汽在沒有對外做功的情況下轉(zhuǎn)化為低品位(壓力)的蒸汽,這屬于用能在質(zhì)量上的浪費(fèi)。供汽系統(tǒng)產(chǎn)生的二次蒸發(fā)氣(或副產(chǎn)蒸汽)以及疏水系統(tǒng)產(chǎn)生的泄漏蒸汽,通常直接對空排放,或者沒有進(jìn)行合理的回收利用,這屬于用能在數(shù)量上的浪費(fèi)。常規(guī)的閥門節(jié)流供汽系統(tǒng)從用能質(zhì)量和用能數(shù)量上,都存在著用能不合理和不能綜合利用能量的問題。同時在生產(chǎn)中,冷凝水的排放主要是依靠蒸汽冷凝后造成的壓力差為排放動力,由于排水壓差通常不大,經(jīng)常造成換熱設(shè)備積存冷凝水,導(dǎo)致?lián)Q熱設(shè)備換熱效率下降,也造成影響設(shè)備的生產(chǎn)能力的問題。蒸汽連續(xù)壓縮裝置在氯堿股份聚氯乙烯廠20萬噸蒸汽減壓的成功應(yīng)用,表明這種裝置在工業(yè)節(jié)能中可以得到廣泛的應(yīng)用,諸如造紙行業(yè)紙機(jī)干燥、化工脫水蒸發(fā)、蒸餾塔供熱、啤酒生產(chǎn)釀化工段和酒精蒸餾的蒸汽供熱、焦化生產(chǎn)蒸汽供熱技術(shù)、石化滌綸絲蒸汽供熱技術(shù)等方面,實現(xiàn)能級的梯級利用和能量平衡,最大限度的減少蒸汽減壓過程中的能量損失,實現(xiàn)蒸汽能量的梯級利用,實現(xiàn)對蒸汽所含火用值(對外作功能力)進(jìn)行合理和充分的使用,從而實現(xiàn)低壓熱力系統(tǒng)用汽數(shù)量和質(zhì)量上的均衡,提高企業(yè)能源綜合效益。