氨水再循環系統中的材料選擇與耐久性分析

＊吳道興 聶志強 黃保光

（神華巴彥淖爾能源有限責任公司 內蒙古 015300）

引言

氨水再循環系統中的材料選擇與耐久性分析是該系統設計和運行的重要問題，因為該系統中的材料不僅要承受高溫和腐蝕等惡劣條件，還要保證系統的安全性和可靠性[1]。目前，國內外對于氨水再循環系統中的材料選擇與耐久性分析的研究主要根據不同部件的工作條件和功能，選擇合適的金屬或非金屬材料；考慮氨水溶液對材料的腐蝕機理和影響因素。盡管已經取得了一些研究成果，但是氨水再循環系統中的材料選擇與耐久性分析仍然存在一些問題和挑戰，缺乏對于不同工況下氨水溶液對材料腐蝕行為的深入理解和預測模型、對于不同材料之間界面相容性和耦合效應的考慮和分析。因此，有必要進一步開展氨水再循環系統中的材料選擇與耐久性分析方面的研究，以提高該系統的技術水平和經濟效益。

1.氨水再循環系統中材料選擇的重要性

氨水再循環系統，通常簡稱為NH3-H2O系統，是一種熱力循環系統，廣泛應用于制冷、供熱和廢水處理等多個領域[2]。其核心特性在于利用氨氣（NH3）和水（H2O）的混合物來實現熱能的傳遞和轉化[3]。材料選擇在氨水再循環系統設計和運行中具有至關重要的地位。這一過程不僅關系到系統的性能和效率，還直接影響到系統的可靠性、安全性及整體成本。

正確選擇材料可以確保系統在長期運行中具備出色的耐久性[4]。氨水再循環系統通常在各種環境條件下工作，可能會遇到高溫、高壓、腐蝕性物質等不利因素。如果所選材料無法承受這些挑戰，系統可能會出現損壞、泄漏或性能下降，從而導致不必要的維護和停機時間。因此，耐久性是材料選擇的首要考慮因素，應確保所選材料能夠在系統的整個壽命周期內保持穩定性和完整性。材料選擇對系統的性能和效率有直接影響。不同材料的導熱性、熱膨脹系數、耐磨性等特性各不相同，這些特性將影響到系統的熱傳導、能量轉換效率和流體動力學性能。通過選擇合適的材料，可以最大程度地提高系統的性能，減少能源消耗，并降低運行成本。

材料選擇還涉及到環保和持續性考慮[5]。隨著對環境友好和可持續發展的日益重視，選擇符合環保標準的材料變得尤為重要。這包括材料的可回收性、可再利用性及對環境的潛在影響。正確的材料選擇可以有助于減少系統的環境足跡，符合可持續發展目標。材料選擇還與安全性直接相關。氨水再循環系統通常包含高壓和高溫的工作環境，如果所選材料不具備足夠的強度和耐高壓能力，可能會導致系統的泄漏或破裂，帶來潛在的安全風險。因此，為確保系統的安全性，必須謹慎選擇符合規范和標準的材料。

2.氨水再循環系統中的材料選擇分析

(1)常用材料的優缺點分析

在氨水再循環系統的材料選擇過程中，需要綜合考慮不同材料的優點和缺點，以確保滿足特定應用和工作條件的需求。以下是一些常見的材料選項的優點和缺點（如表1所示）。

不銹鋼是一種耐腐蝕、堅固耐用的材料，適用于許多再循環系統，尤其是那些需要長期使用并要求材料抗腐蝕性能的系統。銅合金也具有出色的抗腐蝕性，而且對于傳熱非常有效，因此在冷卻系統中常常得到應用。鋁合金則常用于輕型應用，例如散熱器和一些輕型管道系統。它輕巧且具有良好的導熱性，使得其在某些需要高效散熱的場合非常有用。而塑料材料通常在輕型應用中使用，它們輕便、易于加工，但通常不適合高溫或高壓環境。因此，它們常見于一些水循環系統的次要組件，如管道連接、閥門等。總之，以上所述的材料在水再循環系統中具有各自的特點和適用性。選擇合適的材料取決于具體的應用需求，包括環境條件、使用壽命和性能要求等因素。綜合考慮這些因素，可以為水再循環系統選擇最合適的材料以確保其穩定性。

(2)選擇氨水再循環系統材料的方法和注意事項

選擇氨水再循環系統的材料是一個關鍵性決策，因為這將直接影響系統的性能。在做出這個決策時，需要考慮多個因素，并采取一系列方法和注意事項來確保系統的成功運行。

相容性考慮：氨水（NH3水溶液）在高濃度下具有強腐蝕性，因此必須選擇能夠抵抗其侵蝕的材料。不銹鋼、鎳基合金和玻璃鋼通常被選為首選材料，因為它們表現出出色的耐腐蝕性。不銹鋼（如304或316不銹鋼）對氨水的腐蝕性較低，同時在許多工業應用中也廣泛使用。鎳基合金（如蒙乃爾合金）和玻璃鋼（如玻璃纖維增強塑料）在特定情況下也能提供出色的耐腐蝕性。

溫度和壓力：氨水再循環系統通常在相對較低的溫度和壓力下運行。在低溫低壓條件下，聚丙烯、聚乙烯和聚四氟乙烯等塑料材料是常見選擇。這些材料能夠在低溫下維持強度和彈性，并且不易受到氨水的侵蝕。對于高溫高壓條件，鋼材和各種合金（如不銹鋼、鉻鉬鋼、鈷基合金等）是更合適的選擇。

可持續性：選擇可持續性材料有助于減少系統的環境影響。這包括考慮材料的生命周期成本和環境友好性。可再生材料和回收材料，如再生塑料或回收金屬，有助于降低資源消耗。此外，使用符合環保標準的材料有助于減少廢棄物產生和環境污染。

3.氨水再循環系統在實際應用中的材料分析

某焦化廠循環氨水余熱利用系統的項目旨在實現廢熱的高效回收和再利用，以提高能源利用效率并降低環境影響。該系統的核心概念是將高溫循環氨水作為寶貴的熱源，通過特制的溴化鋰吸收式制冷機組（如圖1所示），將其轉化為同時滿足化工生產冷量和冬季采暖需求的冷水和熱水。此外，該系統還實現了對焦爐荒煤氣中潛在能源的回收，以達到節能減排和降低相應熱源能耗的目標。

圖1 溴化鋰吸收式制冷機組

(1)關鍵組件材料選擇和耐久性分析

本項目的氨水再循環系統中，關鍵組件的材料選擇是基于系統的工作原理和工況條件，以實現廢熱的高效回收和再利用，提高能源利用效率并降低環境影響。以下是對各個組件的材料選擇和耐久性分析。

蒸發器：蒸發器的材料選擇主要考慮了低溫低壓條件下的水蒸氣蒸發過程，需要具備較好的耐腐蝕性和熱傳導性能。因此，選用了不銹鋼或者銅合金作為材料，這些材料都能夠保證蒸發器的長期運行。此外，為了提高蒸發器的吸熱效率，并減少結霜的影響，還在蒸發器表面采用了石墨涂層來改善其性能。石墨涂層不僅具有較高的熱傳導性，還具有較高的耐磨性和抗氧化性，能夠延長蒸發器的使用壽命。

吸收器：吸收器的材料選擇主要考慮了水蒸氣與溴化鋰溶液之間的吸收反應過程，需要具備較好的耐腐蝕性和熱傳導性。因此，選用了不銹鋼或特殊合金作為材料，這些材料都能夠抵御溴化鋰溶液的腐蝕，保證吸收器的穩定性。同時，由于吸收器內部會釋放出大量的熱量，需要通過冷卻水或其他冷卻介質來帶走，因此還在吸收器外壁采用了鈦合金作為材料。鈦合金具有極高的強度和耐腐蝕性，能夠有效地帶走吸收器內部產生的熱量，防止吸收器過熱。

溴化鋰溶液泵：溴化鋰溶液泵的材料選擇主要考慮了將低濃度溶液泵送到發生器中的過程，需要具備較好的耐腐蝕性和密封性。因此，選用了不銹鋼或特殊合金作為材料，這些材料都能夠承受溴化鋰溶液的侵蝕，保證泵的可靠性。同時，為了防止泵內部的泄漏，還在泵的密封件上采用了聚四氟乙烯作為材料。聚四氟乙烯具有優異的耐溫性和耐化學性，能夠有效地防止泵內部的泄漏。

發生器：發生器的材料選擇主要考慮了將溴化鋰溶液中的水蒸發出來的過程，需要具備較高的耐溫性和耐壓性。因此，選用了鎳基合金作為材料，這種材料具有極高的耐溫性和耐壓性，能夠在高溫高壓條件下保持穩定。同時，由于溶液中可能存在一些腐蝕性物質，還需要注意發生器的耐腐蝕性。鎳基合金還具有較好的耐腐蝕性和抗氧化性，能夠抵御溶液中可能存在的腐蝕性物質。

冷凝器：冷凝器的材料選擇主要考慮了水蒸汽的冷卻和凝結過程，需要具備較高的耐溫性和耐壓性。因此，選用了不銹鋼或特殊合金作為材料，這些材料都具有較高的耐溫性和耐壓性，能夠在高溫高壓條件下保持冷凝器的完整性。同時，由于冷凝器內部產生的熱量需要通過冷卻水來帶走，還需要考慮冷凝器外壁的耐腐蝕性和熱傳導性。因此，還在冷凝器外壁采用了銅鎳合金或者鈦合金作為材料。這些材料都具有良好的耐腐蝕性和熱傳導性，能夠有效地帶走冷凝器內部產生的熱量，保證冷凝器的效率。

節流閥：節流閥的材料選擇主要考慮了控制液態水的壓力和溫度，使其進入蒸發器的過程，需要具備較高的硬度和耐磨性。因此，選用了陶瓷或者硬質合金作為閥芯材料，這些材料都具有較高的硬度和耐磨性，能夠在不斷變化的溫度和壓力條件下保持閥門的靈敏度和精確度。同時，為了防止閥門內部的泄漏，還采用了特殊的密封結構。

(2)效果分析

項目成功實現了焦爐氣的廢熱回收和再利用，有效提高了能源利用效率。通過充分利用循環氨水的廢熱來供應制冷機組所需的熱能，成功回收了廢熱資源，這在一定程度上降低了噸焦的能耗。同時，這一項目的實施有助于降低生產成本。通過廢熱回收產生的低溫冷水滿足了工藝生產的需求，減少了對原有蒸汽的消耗。這不僅使生產成本降低，還提高了生產效率。最重要的是，該項目減少了環境污染。通過有效地回收焦爐氣的廢熱，項目降低了焦爐氣的排放量，從而減少了對環境的負面影響。這與我國的環保政策相符，同時也突顯了公司的社會責任感。

4.結語

在本文中，通過對常用材料的優缺點分析，我們強調了在材料選擇方面的權衡考慮，以確保系統在不同工作條件下能夠穩定運行。氨水再循環系統的材料選擇與耐久性分析對于提高能源效率和環保意識具有重要意義。我們期望這項研究能夠為相關領域的決策制定者和從業者提供有用的指導，推動氨水再循環系統技術的廣泛應用，以實現更加可持續和環保的工業生產。