節(jié)能型噴射蒸發(fā)器的研發(fā)

蔣旭

（中空能源設(shè)備有限公司）

0 前言

噴射蒸發(fā)器是空分裝置中的重要設(shè)備之一?？辗盅b置在試運(yùn)行時(shí)，需要進(jìn)行初次含雜質(zhì)物料排放以及大量不合格液態(tài)產(chǎn)品排放；空分裝置在正常運(yùn)行時(shí)，當(dāng)產(chǎn)品純度不合格或者受到污染時(shí)，需要將不合格氣液態(tài)產(chǎn)品排放掉；當(dāng)空分裝置停車時(shí)，需要將裝置的上塔、主冷、下塔及管道內(nèi)的低溫液體排放掉，以使裝置處于安全狀態(tài)。

這些低溫液體皆處于深冷狀態(tài)，一般均在-180℃左右，如果直接外排，會(huì)對(duì)裝置基礎(chǔ)及人員造成危害。水泥基礎(chǔ)遇低溫深冷液體，強(qiáng)度會(huì)急劇降低，性能將變差；人員若是接觸低溫液體，會(huì)造成低溫?fù)p傷，表面脫皮，甚至更為嚴(yán)重的后果。因此對(duì)于一套空分裝置來說，低溫液體的安全排放至關(guān)重要，必須配置各種殘液蒸發(fā)器。

1 常用的四種殘液蒸發(fā)器

目前，常用的殘液蒸發(fā)器主要有四種形式，即蒸汽噴射蒸發(fā)器、空氣 （壓縮機(jī)后，機(jī)組停車后無法用，大修時(shí)可以用）噴射蒸發(fā)器、殘液貯槽和配套鼓風(fēng)機(jī)式殘液蒸發(fā)器等。

蒸汽噴射蒸發(fā)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(shí)會(huì)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(fā)，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(tài)結(jié)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(duì)工作人員的健康影響較大。蒸汽噴射蒸發(fā)器一般要具備較為穩(wěn)定的蒸汽源。

空氣噴射蒸發(fā)器一般以原料空氣壓縮機(jī)末級(jí)出口的空氣為熱源，進(jìn)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(xiàn)液態(tài)水低溫凍結(jié)的可能性要小很多，同時(shí)允許運(yùn)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(shí)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(dá)5倍多。若以蒸發(fā)1 Nm3/h的低溫液空為例，所需原料壓縮機(jī)末級(jí)空氣量為3.5 Nm3/h。因此，對(duì)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(shí)噪音也比蒸汽噴射蒸發(fā)器要大很多。

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

配套鼓風(fēng)機(jī)式殘液蒸發(fā)器其本質(zhì)是與空氣噴射蒸發(fā)器相同的?？諝鈬娚湔舭l(fā)器以壓縮機(jī)后原料空氣作熱源，當(dāng)機(jī)組發(fā)生故障時(shí)就會(huì)導(dǎo)致熱源中斷。而配套鼓風(fēng)機(jī)式殘液蒸發(fā)器恰好彌補(bǔ)了這一缺點(diǎn)，其機(jī)組不受啟停限制，同時(shí)熱源不需要太高壓力，這樣可以節(jié)省部分能耗。配套鼓風(fēng)機(jī)式殘液蒸發(fā)器其氣量可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，解決了來自空壓機(jī)后的原料空氣不太穩(wěn)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(duì)鼓風(fēng)機(jī)的質(zhì)量要求較高。配套鼓風(fēng)機(jī)不僅應(yīng)當(dāng)滿足各項(xiàng)性能參數(shù)的要求，還要注意鼓風(fēng)機(jī)的低溫運(yùn)行情況、電機(jī)的保護(hù)等級(jí)及絕緣等級(jí)、潤滑油脂性能 （適用于富氧環(huán)境）、靜電的產(chǎn)生環(huán)境 （三角皮帶傳動(dòng)時(shí)引起）和風(fēng)機(jī)葉輪葉片的強(qiáng)度、振動(dòng)等問題。因此，配套鼓風(fēng)機(jī)式殘液蒸發(fā)器在投資上相對(duì)較大。

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

節(jié)能型噴射蒸發(fā)器是對(duì)傳統(tǒng)的蒸汽 （或者空氣）噴射蒸發(fā)器的改進(jìn)。在傳統(tǒng)的噴射蒸發(fā)器蒸汽噴嘴處設(shè)置密封底板 （材質(zhì)為不銹鋼），可避免低溫液體滴灑直接落在水泥地面上。同時(shí)，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(dāng)不銹鋼底板上的測溫點(diǎn)溫度降低至某一值時(shí)，電加熱器啟動(dòng)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(fā)；當(dāng)溫度高于某一值時(shí)，電加熱器停止加熱，處于不運(yùn)行狀態(tài)。這樣既可節(jié)能，又可對(duì)低溫液體進(jìn)行安全處理。

2 節(jié)能型噴射蒸發(fā)器的研發(fā)

研發(fā)方案：對(duì)傳統(tǒng)的蒸汽 （空氣）噴射蒸發(fā)器進(jìn)行改進(jìn)，在其噴嘴處設(shè)置不銹鋼密封底板，同時(shí)在底板下面固定電加熱盤管用以進(jìn)行加熱；當(dāng)溫度低于一定值 （可以設(shè)置）時(shí)電加熱盤管啟動(dòng)運(yùn)行，當(dāng)溫度高于一定值時(shí)停止加熱，這樣既可防止低溫液體灑漏對(duì)水泥基礎(chǔ)造成損害，又可實(shí)現(xiàn)節(jié)能，使得少量蒸汽 （或者空氣）即可滿足正常運(yùn)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(shí)噪音可降至90 dB以下。

節(jié)能型噴射蒸發(fā)器研制項(xiàng)目的主要內(nèi)容如下：研究節(jié)能型噴射蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)，要求結(jié)構(gòu)合理、性能良好；計(jì)算所需電加熱盤管的總長度；完成不銹鋼底板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并確定其抱箍數(shù)量及其在不銹鋼底板上的布置。

3 節(jié)能型噴射蒸發(fā)器的工作原理

節(jié)能型噴射蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)由筒體、支座支腿、液體噴嘴、蒸汽噴嘴、擴(kuò)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(huì)導(dǎo)致未汽化的低溫液體下落。

圖1 節(jié)能型噴射蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)

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(jìn)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(huì)在局部形成低溫區(qū)而導(dǎo)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(dòng)其上行，又傳導(dǎo)熱量使其汽化。

擴(kuò)速錐體起降低噪音的作用。低溫液體汽化后，其體積擴(kuò)大800倍左右，流速激增，不擴(kuò)速就會(huì)導(dǎo)致噪音過大。

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

（1）低溫液體工作過程：低溫液體自冷箱內(nèi)排液管匯集至排放液體總管，通過V1閥 （見圖1）控制其進(jìn)入節(jié)能型噴射蒸發(fā)器的流量。在蒸汽量一定，且噪音達(dá)到限制值時(shí)，若所測筒體溫度TE1低于40℃ （可調(diào)節(jié)），V1閥開度開始關(guān)??；若所測筒體溫度TE1高于40℃ （可調(diào)節(jié)），V1閥開度開始開大。控制通過邏輯程序模塊UC001實(shí)現(xiàn)。

（2）蒸汽工作過程：蒸汽來自蒸汽管網(wǎng)，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(diào)節(jié)），V2閥開度開始開大；若所測筒體溫度TE1高于40℃ （可調(diào)節(jié)），V1閥開度開始關(guān)小。當(dāng)不銹鋼底板溫度TE2低于-50℃ （可調(diào)節(jié)）時(shí)，V1閥全開?？刂仆ㄟ^邏輯程序模塊UC001實(shí)現(xiàn)。

（3）電加熱盤管工作過程：當(dāng)不銹鋼底板溫度TE2低于10℃ （可調(diào)節(jié)）時(shí)，電加熱盤管啟動(dòng)加熱；當(dāng)不銹鋼底板溫度TE2高于10℃ （可調(diào)節(jié)）時(shí)，電加熱盤管停止加熱。控制通過邏輯程序模塊UC002實(shí)現(xiàn)。

節(jié)能型噴射蒸發(fā)器與其他類型噴射蒸發(fā)器的比較如表1所示。

表1 幾種類型蒸發(fā)器的比較

4 結(jié)束語

隨著空分裝置規(guī)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(fā)器，其熱源消耗也各不相同。當(dāng)前各空分廠家基本上均選用以上四種形式的蒸發(fā)器。對(duì)于6萬等級(jí)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(dāng)裝置啟動(dòng)后有液體出現(xiàn)時(shí)，液體可以倒灌入塔內(nèi)，減少裝置開車積液時(shí)間，從而節(jié)省能耗。

節(jié)能型噴射蒸發(fā)器是一項(xiàng)創(chuàng)新產(chǎn)品。掌握節(jié)能型噴射蒸發(fā)器的核心技術(shù)，在國內(nèi)外空分設(shè)備領(lǐng)域就具有技術(shù)領(lǐng)先的優(yōu)勢，有利于開拓新的市場。毫無疑問，該技術(shù)在大中型空氣分離成套設(shè)備中有著廣闊的市場前景，對(duì)于節(jié)能也具有較大的意義。