合成氨裝置乏汽熱能利用探討

張麗香

摘要：針對化工裝置運行過程中存在的乏汽排放問題，探討了乏汽熱能的利用方法。提出了利用新型乏汽熱能裝置解決乏汽排放的途徑、熱能利用的場所，以實現在確保安全生產前提下的乏汽熱能的充分利用。

關鍵詞：乏汽；熱能利用；途徑

中圖分類號：TE646 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2014）04-0310-03

1、引言

目前，中國的現代化建設正在面臨來自資源供應方面的嚴重制約，而對自然資源無節制的消耗、浪費和破壞，正在使我們的現代化建設滑向不可持續的邊緣，不僅現代化建設難以持續，人類的生存也將發生危機。

節能降耗已經成為關系到國民經濟安全、國際市場競爭能力、資源保護和環境保護等社會經濟可持續發展的重大問題。黨的十七大明確指出：“資源開發與節約并舉，把節約放在首位，提高資源利用效率。”“節能減排、保護環境”已經成為中國當前的重要國策。

2、問題的提出

化工裝置，特別是化肥裝置要消耗大量蒸汽和水，用以滿足生產過程化學反應所需熱量和化學過程。盡管設計考慮了熱平衡、水平衡、蒸汽平衡和蒸汽等級利用，在實際生產中，由于生產工藝、生產負荷、原料成分和設計余量等綜合因素，除氧器、一段轉化爐必須排放無壓蒸汽，綜合排放在系統壓力不平衡時也要排放多余的蒸汽。根據經驗估算，每臺除氧器排汽量約2.0t/h；每臺一段轉化爐冷卻夾套排汽量約1.5t/h；生產運行正常時每臺綜合排放口排汽量約1.5t/h；如生產運行不正常時每臺綜合排放口排汽量可達到10t/h以上。

上述排放蒸汽有如下特點。

除氧器排放的蒸汽壓力低，溫度接近100℃，且含有部分氧氣，既不利于遠送，也不能直接密閉凝結利用，目前絕大多數工廠只好直接排放。

一段轉化爐排放的蒸汽，由于夾套是常壓設備，除蒸汽壓力低，溫度接近100℃外，在利用時絕對不允許產生背壓。

綜合低壓蒸汽排放點排放的蒸汽，蒸汽壓力時高時低，流量忽大忽小，沒有辦法正常穩定運行。3解決的路徑

低壓蒸汽利用是當前社會節能減排的重要課題，歸納有如下方法。

（1）如果低壓蒸汽壓力在1.0～0.3MPa之間，流量穩定的低壓蒸汽可以用低壓透平或螺桿發電，雖然效率較低，但能回收部分能量。

（2）如果低壓蒸汽壓力在0.3MPa之下，就只好采用乏汽熱能回用，將乏汽的熱量二次利用，或直接回輸到生產系統，節約新蒸汽或燃料；或外輸作為生活利用、供暖、洗澡等。

合成氨裝置排放的蒸汽無法用于發電，但可進行熱能的綜合利用。

4、乏汽熱能回收方法

乏汽熱能回收利用是近年發展的新技術，比較成熟的方法有兩種：負壓射水抽吸法和空間直混法。

負壓射水抽吸法原理如下。

從射水泵來的具有一定壓力的工作水經水室進入噴嘴，噴嘴將壓力水的壓力能轉變為速度能，水流高速從噴嘴射出，使空氣吸入室內產生高度真空，抽出排放裝置的排汽，一起進入擴散管，水流速度減慢，壓力逐漸升高，最后略高于大氣壓力排至擴散管。

負壓射水抽吸法優點：設備體積小；啟動性好，無需另配輔抽；壽命長，抽吸內效率不受運行時間影響，檢修間隔期長；對工作水所含雜質的質量、濃度及體積濃度要求低。

負壓射水抽吸法缺點：射水抽吸器在故障狀態時，氣相通道很小，需要在裝置中增加壓力釋放閥。如果原排汽裝置允許的背壓很低，就要求壓力傳感器精度很高，但是在長期運行中，傳感器的精度會下降，這就有可能導致原排汽裝置憋壓，對安全生產造成影響，不適合汽量和水壓變化較大場合。

空間直混法原理如下。

一定壓力的水在混合器混合腔內與蒸汽垂直流動空間接觸混合。

空間直混法優點：所有排汽管道不需縮徑，在蒸汽量大幅波動時，多余蒸汽可通過常壓排放口直接排大氣。不會導致原排汽裝置憋壓，做到本質安全。

空間直混法缺點：設備體積略大于負壓射水抽吸法。

4.1 合成氨裝置乏汽熱能回收工藝、設備的選型要求

（1）安全可靠性要高。運行中不管系統蒸汽壓力、流量如何變化，都不需切換操作。同時可方便地實現多個排汽點合用一套回收裝置。絕對保證在任何時候不會影響排汽設備的安全運行。

（2）操作簡單。由于乏汽節能在生產運行中不像主系統那樣重視，所以要求操作簡單，操作調整越少越好。能實現自動控制的要全部實現自動控制。

（3）蒸汽熱能利用充分，不產生二次污染。

4.2 選用的工藝流程

4.2.1 工藝系統

工藝系統如圖1。

在Ⅰ系列合成氨裝置除氧器框架分析小屋西側地面安裝1臺脫氣貯水罐D101，上方安裝汽水混合器C101，用以回收Ⅰ系列合成氨裝置除氧器的排汽。在回收裝置就近安裝1臺換熱器E101，2臺循環熱水泵P101A/B。在工系列合成氨裝置轉化爐夾套排汽點31m處平臺用H槽鋼加固后，安裝1臺脫氣貯水罐D102，上方安裝汽水混合器C102，用以回收Ⅰ系列合成氨裝置轉化爐夾套的排汽。

在Ⅱ系列合成氨裝置轉化爐夾套排汽點31m平臺用H槽鋼加固后，安裝1臺脫氣貯水罐D103，上方安裝汽水混合器C103，用以回收Ⅰ系列除氧器的排汽，將轉化爐夾套排汽引至脫氣貯水罐C104，用以回收Ⅱ系列轉化爐夾套排汽。

合成氨生產裝置分一期和二期建設，兩系列各有3個排汽點，排汽點距離較遠，按正常回收方式，要建設6套回收裝置，要增加6套設備，不但管理增加麻煩，而且占地較多，影響今后合成氨裝置檢修。為了方便管理，減少占地，經過優化，結合設備特點，兩系列合成氨裝置乏汽回收，只建1套綜合乏汽熱能回收裝置。先在各排汽點建分部回收設備，利用Ⅱ系列地理位置高于Ⅰ系列的有利條件，和排汽點與回收裝置位置高差，將熱水自流回回收裝置。為回收蒸汽的凝結水，裝置設置了板式換熱器，讓回收的冷凝液與原水進行間接換熱。本系統利用乏汽凝結水循環吸收蒸汽熱量，吸收熱量后的凝結水通過回收裝置的換熱器與原水進行換熱，將原水加熱40～45℃，在進入原水池之前再與原水進行二次混合，使進入原水池的原水水溫達到30～35℃。多余的冷凝液送凝結水回收系統，達到回收熱量的同時回收凝結水，實現零排放。endprint

4.2.2 回收系統流程

在工系列合成氨裝置綜合排放消音器框架上安裝1臺脫氣貯水罐D104，上方安裝汽水混合器C105，將Ⅱ系列合成氨裝置綜合排放汽引至工系列合成氨裝置綜合排放的排汽口，合并后進入汽水混合器C105，用以回收Ⅰ系列Ⅱ系列合成氨裝置綜合排放的排汽。

從換熱器來冷卻過的冷冷凝液，分5路，分別進入汽水混合器C101、C102、C103、C104、C105。冷冷凝液與乏汽在混合器中進行傳熱傳質混合，C101混合后的氣一水混合物直接進入脫氣貯水罐D101中，C102、C103、C104、C105混合后的氣一水混合物從Ⅰ系列、Ⅱ系列合成氨裝置轉化爐夾套排汽點31m平臺脫氣貯水罐（D102、D103）和工系列合成氨裝置綜合排放的排汽口平臺脫氣貯水罐D104，靠位差流進I系列合成氨裝置除氧器框架分析小屋西側地面脫氣貯水罐D101，脫氣貯水罐D101中氣～水混合物經D101中的脫氣裝置，將不凝氣體分離出來。不凝氣體經脫氣貯水罐上部的常壓排放口排出。140t/h熱水經熱水泵加壓后送至E101換熱器。從原水母管引來10℃ 140t/h原水進換熱器，熱水與原水進行熱交換。熱水冷卻到40～45℃，原水加熱到45～50℃。冷卻的熱水回到C101、C102、C103、C104混合器，再吸收乏汽熱量，多余的10t/h蒸汽冷凝液由控制閥控制送脫鹽水裝置冷凝水收集系統冷卻后進混床。

4.2.3 乏汽回收技術參數計算

設乏汽混合后的溫度為79℃，冷卻后的冷冷凝水為40℃，原水溫度10℃，出換熱器原水溫度49℃。乏汽量為10t/h，蒸汽壓力為O.002MPa，溫度105℃，焓值為2683.4kJ/kg（642kcal/kg）：

需吸收水量X=（642×10-790）/39=144t/h。

換熱器需原水冷水量Y=154×（79-40）/（49-10）=154t/h。

5、設備選型

本次采用的乏汽熱能回收裝置為南京兆泉科技公司空間直混法專利。整套回收裝置由4個功能件組成，包括：水汽混合器、脫氣貯水罐、安全排放口、自動控制系統。

5.1 高效水汽混合器

回收效率高，可在瞬間將乏汽和冷卻水均勻分布至混合器腔內各部分，乏汽中的熱能瞬間完全傳遞給水，并以水氣混合物的形式進入脫氣貯水罐；實現了乏汽中熱能與水的完全回收。在水汽混合器的結構上特別考慮了排放蒸汽汽量不穩定時能保證排放安全問題，采取了特別措施。

混合器是能量回收裝置的核心設備，其設備全部為不銹鋼制造，其側面為蒸汽人口，頂部為冷凝結水人口，上部為混合腔，水和蒸汽在混合腔內進行空間混合。下部為水汽輔助混合段（圖2）。

5.2 脫氣貯水罐

上部是蒸汽安全通道和分離的不凝氣體釋放腔，中部為不凝氣體分離設備部分和二次蒸汽吸收部分，下部為貯水罐。

頂部安裝水汽混合器和安全排放口，便于蒸汽量大或冷水中斷時安全、無背壓排放蒸汽。下部為熱水出口，溢流口，排放口。側面裝液位計。

從水汽混合器出口的水一氣混合物，經不凝氣體分離設備，實現完全的氣水分離，不凝氣體通過脫氣貯水罐上的常壓排放管排放。熱水垂直進入貯水罐。貯水罐的二次蒸汽經二次吸收后再次進入貯水罐，保證了無二次蒸汽冒汽（圖3）。

5.3 安全排放口

由安全蒸汽排放管和罐內熱水高位溢流管組成，保障了在正常工作狀態，進氣異常、來水不正常、突然停電等各種非正常工況原系統運行毫無影響。

5.4 自動控制系統

采用自動控制調整貯水罐水位，保證脫氣貯水罐水位正常運行。在水位超高、超低時聯鎖快速切斷進水，確保水位處于控制狀態。

工作過程如下。

將排放蒸汽按原管徑接至混合器，排放蒸汽進入混合器后，與冷水在混合器中進行直接混合，蒸汽被冷凝成氣一水混合物。氣一水混合物進入脫氣貯水罐上方的脫氣裝置，分離不凝氣體。不凝氣體通過與原排放蒸汽管徑相同的常壓排放口排大氣，熱水進入脫氣貯水罐，通過加壓泵送用戶。

正常運行時，先轉移蒸汽排放，關閉原乏汽排汽閥門，排汽經汽水混合器的不凝氣體排放管排入大氣，此時運行和現在一樣，加入冷水就可以實現回收能量。

6、效益分析（按市場價格理論計算）

6.1 回收蒸汽經濟效益

設備年運行時間為7200h；蒸汽價格100元/t；電0.32元/kW·h；凝結水價格12元/t。經濟效益如表2。

6.2 環境效益

實現清潔生產，現場不再有二次蒸汽的排放，消除了廠區熱污染和二次汽排放發出噪音。

6.3 社會間接效益

回收1.0t/h的乏汽，即可年回收乏汽7000～8000t，節省混合煤（4500～5000kcal/kg）1200～1300t/年。有利于改善企業清潔文明生產環境。

7、結語

合成氨裝置乏汽熱能的回收利用技術上可靠，經濟上可行，如有合理的熱能使用方向是很好的節能途徑。endprint