尿素高壓甲銨洗滌器余熱回收可行性研究

2023-10-21 08:24:14何光琳

云南化工 2023年10期

何光琳

(青海云天化國際化肥有限公司，青海西寧 810000)

1 高壓甲銨洗滌器余熱情況

1.1 高壓甲銨洗滌器作用及高壓調溫水流程

高壓甲銨洗滌器(203-C)主要作用是將尿素合成塔(201-D)未反應的氨和二氧化碳冷凝、吸收，冷凝過程中放出的熱能，由殼側高壓調溫水帶走。

高壓調溫水在一個封閉的加壓系統中用高壓調溫水泵(902-J/JS)循環流動，經高調水冷卻器(902C)循環水冷卻后，溫度降至80～90 ℃，再送回高壓甲銨洗滌器繼續循環，流程見圖1。

圖1 尿素裝置高壓調溫水流程

1.2 高壓甲銨洗滌器余熱量計算

高壓甲銨洗滌器熱量計算采用裝置滿負荷的數據。高壓調溫水流量：490 t/h；溫差(203-C進出口調溫水)：23 ℃；水的比熱：4.2 MJ/(t·℃)。

尿素調溫水余熱量為：490 t/h×23 ℃×4.2 MJ/(t·℃)=47334 MJ/h，折算成 3.8 MPa 蒸汽，約為 18 t。

2 供熱裝置除氧器蒸汽使用情況

2.1 除氧器流程及原理

界外脫鹽水進入供熱界區，經并聯的冷渣機(C119/219/319/419)預熱后分配到供熱裝置除氧器(U801/802)。工作壓力 0.02 MPa，工作溫度 104 ℃。

除氧器利用蒸汽將給水加熱至飽和狀態，此時水蒸汽分壓增至最大，而氧及其他分壓減至最小，保證溶解氧在指標范圍內[1]。

2.2 除氧器蒸汽用量

1)除氧器自用蒸汽量實際統計，見表1。

表1 供熱裝置除氧器自用蒸汽量實際統計表

表1數據統計為00∶00～12∶00的平均值，其中：FI801/802：脫鹽水/冷凝液流量；FI153A/253A/353A/453A：1#/2#/3#/4#爐產汽量；FI154：總輸出汽量；供熱總產汽量(總產汽量)=1#爐+2#爐+3#爐+4#爐的產汽量；自用汽=總產汽量-總輸出汽量；脫鹽水溫度：冷渣機出口溫度的平均值；冷凝液溫度：按冷凝液槽(909-F)現場溫度；管道與冷凝液站熱損失在 1℃ 以下，故未考慮熱損失。

由表1看出，U801/802自用蒸汽量為：13.68 t/h。

2)U801/802加入蒸汽量理論計算。脫氧槽的水溫為 105 ℃，根據 3.8 MPa 蒸汽減壓后的壓力及溫度，得知冷凝成 105 ℃ 水，放熱量為 2640 MJ/t。

3 除氧器的脫鹽水回收高壓甲銨洗滌器余熱流程及熱量設計

鑒于高壓調溫水有大量余熱，而冷渣機出口脫鹽水仍需加熱，將高壓調溫水余熱用于加熱鍋爐給水，可減少自用蒸汽耗量，故設計以下余熱回用流程。

1)余熱回收流程，見圖2。

圖2 尿素高壓甲銨洗滌器余熱回用流程(藍色為新增流程)

新增脫鹽水預熱器(C819)；將高壓調溫水用DN200管線送至供熱(C819)，經冷渣機(C119/219/319/419)出口脫鹽水冷卻后，再送回高壓調溫水系統；在回水管新增(902-JA/JB)，提供輸送動力，同時增設冷凝液充液管，用于充液投用。

2)回收熱量設計

設：高壓調溫水溫度為 102 ℃，出冷渣機(C119/219/319/419)脫鹽水溫度為 41 ℃，冷渣機出口脫鹽水溫度提高 50 ℃。設計運行參數平衡圖見圖3。

圖3 設計運行參數平衡圖

4 回收項目可行性分析

4.1 項目實施后高壓甲銨洗滌器結晶風險分析

經分析，高壓甲銨洗滌器結晶風險不會增加，分析如下：

1)在圖3中，新增預熱器(C819)傳熱系數K=1087.8 MJ/℃；該傳熱系數隨脫鹽水流量的變化非常小，以下視其不變。

2)調溫水、脫鹽水的比熱以下均取4.2 MJ/(t·℃)，脫鹽水溫度取 25 ℃。

3)新增預熱器(C819)進口溫度為t2，出口溫度為t1，調溫水進口溫度為T1，出口溫度為T2，對數平均溫差為Tm=(ΔT1-ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)[2]。

4)調溫水的流量按 166.7 t/h 進行分析。

4.1.1 新增預熱器(C819)脫鹽水突然增大時，高壓調溫水溫度變化

若脫鹽水量突然增加 20 t/h，根據能量守恒定律，用試差法求出：t1=85.9 ℃；T2=67.7 ℃。

新增預熱器(C819)出口調溫水從 72 ℃ 降至 67.7 ℃，即：進C819溫度下降 2.7 ℃，出C819回水溫度將降下 4.3 ℃。數據平衡圖見圖4。

圖4 脫鹽水突然增大數據平衡圖

從歷史數據來看，增加 20 t/h 脫鹽水的影響要小得多，僅 2.6 ℃。

4.1.2 冷渣機突然停運，新增預熱器(C819)出口高壓調溫水溫度情況

若遇兩臺冷渣機同時停運時，每臺冷渣機脫鹽水量均按 25 t/h 考慮，脫鹽水進冷渣機的溫度取 25 ℃。根據能量守恒定律，用試差法求出：t1=89.6 ℃；T2=68 ℃。

新增預熱器(C819)出口調溫水從 72 ℃ 降至 68 ℃，即：兩臺冷渣機突然停運，出C819溫度TI-806下降 4.0 ℃。該溫降小于冷渣機脫鹽水突然增大 20 t/h 的溫度變化。見圖5。

圖5 兩臺冷渣機跳車數據平衡圖

同理：3臺冷渣機突然停運，出新增脫鹽水預熱器(C819)高壓調溫水溫度將降低 5.9 ℃；4臺冷渣機突然停運，出C819高壓調溫水溫度將降低 7.9 ℃，在該情況下尿素裝置停運新增循環泵902-JA。

4.1.3 高壓甲銨洗滌器內介質結晶溫度點

203-C出液設計組分：氨42.26%，二氧化碳39.9%，水17.82%。在相圖中，結晶溫度約 93 ℃，NH3-CO2-H2O結晶溫度[3]見圖6。

4.1.4 新增預熱器(C819)出口高壓調溫水溫度降低后，203-C進口高壓調溫水溫度變化情況

1)系統在低負荷(FY210：31000 m3/h)時，高調水冷卻器(902C)出口溫度變化情況。

①項目實施前高調水冷卻器(902C)低負荷下換熱數據采集，數據見圖7。

圖7 實測低負荷數據平衡圖

從2013年4月數據看出，高壓調溫水冷卻器(902C)出口溫度非常接近循環水溫度。

②項目實施后低負荷下高調水冷卻器(902C)換熱分析，數據見圖8。

圖8 實施后低負荷數據平衡圖

項目實施后，調溫水量視為不變，170 t/h 從供熱裝置回到TV207的調溫水約 76 ℃，經高調水(902C)冷卻后，溫度必將低于高調水冷卻器(902C)出口溫度 29 ℃，但肯定高于入口循環水溫度 26 ℃，在此估計為 27 ℃。以此為依據進行熱量平衡后，見平衡圖8。

2)系統在高負荷(FY210：37500 m3/h)時，冷卻器(902C)出口水溫變化情況

①項目實施前高調水冷卻器(902C)滿負荷換熱數據采集，數據見圖9。

圖9 實測滿負荷數據平衡圖

圖9中，溫度與流量數據收集為2013年4月。從數據看出，高調水冷卻器(902C)出口溫度非常接近循環水溫度。

②項目實施后滿負荷下高調水冷卻器(902C)換熱情況分析，見圖10。

圖10 實施后高負荷數據平衡圖

項目實施后，調溫水總量視為不變，170 t/h 從供熱裝置回到TV207的調溫水為 73.5 ℃。故經高調水冷卻器(902C)冷卻后，溫度必將低于出口溫度(33 ℃)，但肯定高于入口循環水溫度(27.5 ℃)，在此估計為 30 ℃。見平衡圖10。

3)203-C進口高壓調溫水溫度變化情況

從上述不同負荷下，實施后數據看出，高調水冷卻器(902C)出口溫度將非常接近循環水進口溫度。

高調水冷卻器(902C)出口溫度視為不變，則供熱回尿素調溫水溫度變化產生的影響，只會體現在從FV206流走的那部分水量上。以 31.3 t/h 計算，則高壓甲銨洗滌器(203-C)進口溫度會降低 0.28 ℃。

因203-C換熱面積不夠，工藝設計中只有增加高壓甲銨洗滌器傳熱溫差，使得當前高壓甲銨洗滌器進口調溫水溫度(最低 80 ℃)低于高壓甲銨洗滌器介質結晶溫度(93 ℃ 左右，見4.1.3部分)。目前，出口甲銨液溫度高達 165 ℃，說明在當前的溫度范圍內，高壓甲銨洗滌器是很難出現結晶事故。

同時，若TI806出現大幅度下降，尿素主控將提前 11 min 知曉(調溫水流速 1.5 m/s，供熱至尿素管道長 1000 m)，操作人員可以及時提高調溫水溫度，不會導致高壓甲銨洗滌器結晶。

4.2 項目實施后調溫水系統抗壓力波動能力分析

分析項目實施后，最大溫度變化時引起調溫水體積變化的情況。

4.2.1 高壓調溫水系統容量

正因如此，黨的十八屆三中全會通過的《中共中央關于全面深化改革若干重大問題的決定》提出“堅持用制度管權管事管人，讓人民監督權力，讓權力在陽光下運行，是把權力關進制度籠子的根本之策”的同時，進一步明確指示，“必須構建決策科學、執行堅決、監督有力的權力運行體系，健全懲治和預防腐敗體系”，才能建設廉潔政治，實現干部清正、政府清廉、政治清明的目標［35］。

目前，高調溫水管道為DN250，長度約 250 m，容積為 12.3 m3，設備水側容積估計為 4 m3，即調溫水總容量為 16.3 m3。

改造后，新增加管道為DN200，長度 2000 m，管道容積為 62.8 m3，新增脫鹽水預熱器(C819)調溫水側容積估計為 1 m3，改造后總容量為 80.1 m3。

4.2.2 增減新增脫鹽水預熱器(C819)脫鹽水量對高壓調溫水系統壓力的影響

根據4.1.2條的分析，若3臺冷渣機突然停運，會使TI806從 72 ℃ 下降至 66.1 ℃，分析此時體積的變化。

新增預熱器(C819)處調溫水壓力為 1.0 MPa，溫度 72 ℃ 時，比容為 0.0010235 m3/kg，質量流量為 46.306 kg/s，流量為 0.047394 m3/s；溫度為 66.1 ℃ 時，在此忽略壓力變化對比容影響，比容為 0.0010200 m3/kg，質量流量視為不變，即 46.306 kg/s，體積流量為 0.047232 m3/s；則調溫水體積減少的速率為：

0.047394-0.047232=16.19×10-5m3/s=0.583 m3/h

即高壓調溫水的體積將會以 0.583 m3/h 的速率縮小，使系統壓力下降。而現有高壓調溫水恒壓泵最大打量為 1.47 m3/h，調溫水壓力調節閥PV209流量為 1.85 m3/h，可見調溫水的恒壓裝置完全有能力平衡新增脫鹽水預熱器(C819)處引起的壓力波動；改造后比現在大4倍的高壓調溫水系統容量，也會對壓力波動起到顯著的緩沖作用。

4.3 項目實施操作可行性分析

4.3.1 供熱裝置操作及應急處理

1)供熱界內新增的管道設備，為冷渣機脫鹽水送至脫氧槽提供了另一條流程。投用新流程后，即使尿素高壓調溫水突然中斷，供熱裝置也可以不切除新增預熱器(C819)而保持正常運行，只有少數特定情況下(比如檢修C819)才需要切除C819；若發生泄漏，調溫水壓力較高，其水質本身為蒸汽冷凝液，不會影響供熱蒸汽品質。總體來說，操作上簡單又安全。

2)正常運行中，LIC801B保持關閉狀態。用LIC801A、LIC802調整脫氧槽液位，并盡可能平穩，不要使新增脫鹽水量變化過快。

3)遇到脫氧槽突然需要大量增加脫鹽水的情況，應先開LIC801B來調整，穩定脫氧槽液位后，再逐步關閉LIC801B，開大LIC801A或LIC802。

4)供熱在大幅度調節新增脫鹽水預熱器(C819)脫鹽水量前，必須通知尿素主控。

5)若尿素裝置因故切除高壓調溫水，供熱主控及時調節脫氧槽加熱蒸汽即可。

6)若供熱四臺冷渣機均停運，則立即停新增循環泵902-JA。

4.3.2 尿素操作及應急處理

1)尿素投用技改后，正常運行中應將TIC207自控，使調溫水溫度自動保持穩定。

2)若TI806出現大幅降低或升高，TDI206將報警，尿素主控應及時根據TI806的變化情況，手動調節TIC207，保持高壓甲銨洗滌器進口調溫水溫度穩定。根據設計流速 1.5 m/s，調溫水從供熱新增預熱器(C819)回到尿素裝置需要約 11 min，操作人員有足夠的時間提前進行調節。

3)正常停車時，提前緩慢切斷至供熱調溫水，并通知供熱主控。

4)若循環泵902-JA跳車，尿素主控通知供熱主控，并將調溫水溫度調節穩定，之后再重新投用該流程。

5)若供熱4臺冷渣機均停運，則立即停循環泵902-JA。