節能型噴射蒸發器的研發

蔣旭

（中空能源設備有限公司）

0 前言

噴射蒸發器是空分裝置中的重要設備之一。空分裝置在試運行時，需要進行初次含雜質物料排放以及大量不合格液態產品排放；空分裝置在正常運行時，當產品純度不合格或者受到污染時，需要將不合格氣液態產品排放掉；當空分裝置停車時，需要將裝置的上塔、主冷、下塔及管道內的低溫液體排放掉，以使裝置處于安全狀態。

這些低溫液體皆處于深冷狀態，一般均在-180℃左右，如果直接外排，會對裝置基礎及人員造成危害。水泥基礎遇低溫深冷液體，強度會急劇降低，性能將變差；人員若是接觸低溫液體，會造成低溫損傷，表面脫皮，甚至更為嚴重的后果。因此對于一套空分裝置來說，低溫液體的安全排放至關重要，必須配置各種殘液蒸發器。

1 常用的四種殘液蒸發器

目前，常用的殘液蒸發器主要有四種形式，即蒸汽噴射蒸發器、空氣 （壓縮機后，機組停車后無法用，大修時可以用）噴射蒸發器、殘液貯槽和配套鼓風機式殘液蒸發器等。

蒸汽噴射蒸發器一般是以壓力500 kPa左右的過熱或者飽和蒸汽作為熱源，蒸汽在噴射時會引流少量空氣，但是熱源仍以蒸汽為主。低溫液體以一定流速噴灑入蒸汽流后，迅速吸熱蒸發，體積膨脹，流速增大，以較高速度流出。為了防止低溫液體將蒸汽冷卻至固態結冰，通常蒸汽的流量較大。由于蒸汽流速較大，其噪音一般在120 dB左右，對工作人員的健康影響較大。蒸汽噴射蒸發器一般要具備較為穩定的蒸汽源。

空氣噴射蒸發器一般以原料空氣壓縮機末級出口的空氣為熱源，進入噴嘴的熱空氣壓力為500 kPa左右、溫度為100℃左右。由于空氣的飽和度低，所以出現液態水低溫凍結的可能性要小很多，同時允許運行的最低溫度要低一些。由于空氣非相變換熱的熱值低，汽化時需要大量空氣。在上述壓力和溫度條件下，熱空氣的焓值為489.4 kJ/kg，相同壓力和溫度下的蒸汽的焓值為2674.5 kJ/kg，蒸汽與空氣比焓值要高達5倍多。若以蒸發1 Nm3/h的低溫液空為例，所需原料壓縮機末級空氣量為3.5 Nm3/h。因此，對于一般的裝置排放的液體，需要成倍的空氣量，成本較大，同時噪音也比蒸汽噴射蒸發器要大很多。

殘液貯槽是利用低溫液體容器與自然環境的溫差進行緩慢蒸發。采用這種自然蒸發的方式其優點是節省能耗，缺點是時間較長，且所需要的貯槽容積很大，設備占地面積也大，一般1萬等級空分裝置至少需要500 m3的平底貯槽。平底貯槽在使用的時間間隔上受到一定的限制，通常只能等貯槽內液體量減少到一定程度后才能繼續增加液體。

配套鼓風機式殘液蒸發器其本質是與空氣噴射蒸發器相同的。空氣噴射蒸發器以壓縮機后原料空氣作熱源，當機組發生故障時就會導致熱源中斷。而配套鼓風機式殘液蒸發器恰好彌補了這一缺點，其機組不受啟停限制，同時熱源不需要太高壓力，這樣可以節省部分能耗。配套鼓風機式殘液蒸發器其氣量可以在一定范圍內調節，解決了來自空壓機后的原料空氣不太穩定、氣量受限制 （需要滿足入塔空氣量的要求）的難題，但是其對鼓風機的質量要求較高。配套鼓風機不僅應當滿足各項性能參數的要求，還要注意鼓風機的低溫運行情況、電機的保護等級及絕緣等級、潤滑油脂性能 （適用于富氧環境）、靜電的產生環境 （三角皮帶傳動時引起）和風機葉輪葉片的強度、振動等問題。因此，配套鼓風機式殘液蒸發器在投資上相對較大。

上述四種類型的殘液蒸發器中，殘液貯槽的投資較大，其余三種都需要比正常蒸發所需的氣量多50%甚至1倍的氣體去蒸發，才能保證低溫液體不會噴灑在底部的水泥基礎上。如果氣量較小，就會對水泥基礎產生損壞，嚴重影響其強度和性能，一般選擇氣量時均有70%左右的余量。所以這三種噴射式蒸發器均存在能耗較大的問題，且還存在低溫液體滴落在基礎地面上的危險，具有不安全的隱患。

節能型噴射蒸發器是對傳統的蒸汽 （或者空氣）噴射蒸發器的改進。在傳統的噴射蒸發器蒸汽噴嘴處設置密封底板 （材質為不銹鋼），可避免低溫液體滴灑直接落在水泥地面上。同時，在不銹鋼底板上固定電加熱盤管，用以加熱低溫液體和冰。當不銹鋼底板上的測溫點溫度降低至某一值時，電加熱器啟動加熱，將滴落在不銹鋼底板上的低溫液體及冰加熱使之揮發；當溫度高于某一值時，電加熱器停止加熱，處于不運行狀態。這樣既可節能，又可對低溫液體進行安全處理。

2 節能型噴射蒸發器的研發

研發方案：對傳統的蒸汽 （空氣）噴射蒸發器進行改進，在其噴嘴處設置不銹鋼密封底板，同時在底板下面固定電加熱盤管用以進行加熱；當溫度低于一定值 （可以設置）時電加熱盤管啟動運行，當溫度高于一定值時停止加熱，這樣既可防止低溫液體灑漏對水泥基礎造成損害，又可實現節能，使得少量蒸汽 （或者空氣）即可滿足正常運行，不需要消耗大量的富裕蒸汽 （防止低溫液體或者冰灑落至地面，需要通過高速流將其帶走），同時噪音可降至90 dB以下。

節能型噴射蒸發器研制項目的主要內容如下：研究節能型噴射蒸發器的結構，要求結構合理、性能良好；計算所需電加熱盤管的總長度；完成不銹鋼底板的結構設計，并確定其抱箍數量及其在不銹鋼底板上的布置。

3 節能型噴射蒸發器的工作原理

節能型噴射蒸發器的結構由筒體、支座支腿、液體噴嘴、蒸汽噴嘴、擴速錐體、密封底板和電加熱盤管組成，如圖1所示。以下介紹各部件的功能及其工作原理。

筒體起控制流速的作用。流速太大則噪音太大；流速太小會導致未汽化的低溫液體下落。

圖1 節能型噴射蒸發器結構

支座及支腿起支撐的作用。

液體噴嘴起提高液體流速、控制流量的作用，也就是使液體以一定流量、一定流速進入并被汽化。液體流速太低或流量太大就不易被蒸汽沖散，會在局部形成低溫區而導致其滴落。

蒸汽噴嘴起提高蒸汽流速的作用。高速蒸汽噴射出后沖擊低溫液體，既帶動其上行，又傳導熱量使其汽化。

擴速錐體起降低噪音的作用。低溫液體汽化后，其體積擴大800倍左右，流速激增，不擴速就會導致噪音過大。

密封底板起防止低溫液體滴落在基礎地面上的作用。電加熱盤管的作用是對未汽化且灑落在密封底板上的低溫液體進行加熱。

（1）低溫液體工作過程：低溫液體自冷箱內排液管匯集至排放液體總管，通過V1閥 （見圖1）控制其進入節能型噴射蒸發器的流量。在蒸汽量一定，且噪音達到限制值時，若所測筒體溫度TE1低于40℃ （可調節），V1閥開度開始關小；若所測筒體溫度TE1高于40℃ （可調節），V1閥開度開始開大。控制通過邏輯程序模塊UC001實現。

（2）蒸汽工作過程：蒸汽來自蒸汽管網，通過V2閥 （見圖1）控制其流量。在噪音較低的工況下，若所測筒體溫度TE1低于40℃ （可調節），V2閥開度開始開大；若所測筒體溫度TE1高于40℃ （可調節），V1閥開度開始關小。當不銹鋼底板溫度TE2低于-50℃ （可調節）時，V1閥全開。控制通過邏輯程序模塊UC001實現。

（3）電加熱盤管工作過程：當不銹鋼底板溫度TE2低于10℃ （可調節）時，電加熱盤管啟動加熱；當不銹鋼底板溫度TE2高于10℃ （可調節）時，電加熱盤管停止加熱。控制通過邏輯程序模塊UC002實現。

節能型噴射蒸發器與其他類型噴射蒸發器的比較如表1所示。

表1 幾種類型蒸發器的比較

4 結束語

隨著空分裝置規模的不斷增大，由各種工況所引起的液體排放量也越來越大。與之配套的不同類型的殘液蒸發器，其熱源消耗也各不相同。當前各空分廠家基本上均選用以上四種形式的蒸發器。對于6萬等級以上的特大型空分裝置，可以考慮選用低溫貯槽來存放殘液。當裝置啟動后有液體出現時，液體可以倒灌入塔內，減少裝置開車積液時間，從而節省能耗。

節能型噴射蒸發器是一項創新產品。掌握節能型噴射蒸發器的核心技術，在國內外空分設備領域就具有技術領先的優勢，有利于開拓新的市場。毫無疑問，該技術在大中型空氣分離成套設備中有著廣闊的市場前景，對于節能也具有較大的意義。