全焊板式換熱器在氨基酸廢水處理中的應(yīng)用

李 健，宋金虎，王海波

(上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司，上海 201518)

目前，氨基酸廢水資源化[1]處理已經(jīng)成功工業(yè)化，國內(nèi)資源化處理工藝主要有[2]：提取菌體蛋白后生產(chǎn)有機(jī)無機(jī)復(fù)混肥、生產(chǎn)飼料酵母蛋白后回收硫酸銨生產(chǎn)有機(jī)無機(jī)肥及家禽飼料添加劑，以上工藝流程均為提取蛋白—蒸發(fā)濃縮[3]—結(jié)晶提鹽—噴漿造?！繕?biāo)產(chǎn)品。其中噴漿造粒熱風(fēng)溫度在400 ℃左右[4]，外排尾氣溫度130～140 ℃，同時(shí)含有較多塵粒、含硫臭氣及大量水蒸氣。目前，噴漿造粒熱風(fēng)一般通過兩級(jí)噴淋降溫至70～80 ℃，在經(jīng)靜電除塵降溫至60 ℃形成尾氣排放，由于尾氣中含低沸點(diǎn)有機(jī)物，仍然會(huì)揮發(fā)至大氣中形成惡臭，針對(duì)這個(gè)問題有廠家[2]通過在噴淋[5]工序后增加板式氣-液換熱器將尾氣溫度降低至50 ℃以下，并增加生物吸附、臭氧氧化等工序?qū)⑽矚膺M(jìn)一步處理后排放，在熱量回收和深度除臭方面有明顯改善。

板式換熱器[6]是以金屬薄板壓制成型后作為傳熱元件的一種高效熱交換器，19世紀(jì)60年代中期，蘭州石油機(jī)械研究所研制生產(chǎn)了我國第一臺(tái)板式換熱器[7]，自此板式換熱器在我國各行各業(yè)的傳熱領(lǐng)域作出了巨大貢獻(xiàn)。隨著研究、設(shè)計(jì)和制造的水平不斷提高，板式換熱器形式不斷增多，有可拆式、全焊接式、螺旋板式和蜂窩式。如今板式換熱器在產(chǎn)品類型方面的發(fā)展趨勢(shì)主要是大型可拆式板殼式換熱器和新型節(jié)能全焊接式板式換熱器，全焊接板式換熱器[8]具有傳熱系數(shù)高、流道間距可調(diào)、耐高溫、耐壓等諸多優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，相比傳統(tǒng)管殼式換熱器在某些場(chǎng)合體現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。

1 全焊接板式換熱器

全焊接板式換熱器的“板管”由兩張壓制成型的波紋板片疊合后焊接而成，多個(gè)“板管”疊合后焊接就組成了“板束”，配合板框及支撐部件就組成了全焊接板式換熱器本體。與管式換熱器相似，全焊接板式換熱器同樣有冷熱兩側(cè)流道，可設(shè)置逆流、混流等流動(dòng)模式，也可設(shè)置單程、雙程及多程流程模式，可用于氣-氣、氣-液、液-液、液-固熱交換。根據(jù)使用介質(zhì)情況，板片材質(zhì)可選用300系列奧氏體不銹鋼、雙相鋼、ND鋼以及Ti材，模塊化設(shè)計(jì)，占地面積小，板片采用自動(dòng)電阻焊加弧焊的焊接方式，也可以直接采用激光焊的焊接型式，焊接效率高、密封可靠性好。

用于煙氣換熱的錯(cuò)流式全焊接板式換熱器的流程及結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 全焊接板式換熱器流程及結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Process and schematic diagram of all-welded plate heat exchanger

由圖1可知：全焊接板式換熱器，由于波紋形狀不同，其板片能夠在較薄的情況下依然具有較大強(qiáng)度，從而有效減小壁面熱阻、節(jié)省金屬材料消耗；波紋的存在可使“板管”內(nèi)流體在較低雷諾數(shù)下達(dá)到湍流，有效提高傳熱系數(shù)的同時(shí)減少輸送功耗；根據(jù)不同流體介質(zhì)可設(shè)置不等寬度流道，在滿足工藝要求前提下進(jìn)一步節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用。用于氣-液換熱的板式熱交換器，氣側(cè)需要較大的波紋深度，以增大流道間距降低氣側(cè)阻力損失，同時(shí)適應(yīng)高固含量下的減緩結(jié)構(gòu)和方便清灰的要求，而液體側(cè)需要較小的流道寬度，以提高對(duì)流傳熱系數(shù)和減少液體循環(huán)量。

2 氨基酸廢水處理中噴漿造粒尾氣特性及處理工藝

發(fā)酵法生產(chǎn)氨基酸產(chǎn)生大量的高濃度廢水[9]，目前，氨基酸廢水資源化過程中的噴漿造粒工序產(chǎn)生了大量高溫尾氣，這些高溫尾氣含空氣、水蒸氣、粉塵、二氧化碳、二氧化硫、含硫有機(jī)物等成分，排放前需經(jīng)過文丘里除塵、噴淋洗滌、脫霧、除臭等工序進(jìn)行深度處理才能夠排放。

徐太海等[2]通過在文丘里除塵等工序前設(shè)置換熱器，將洗滌水降溫以減少惡臭氣體揮發(fā)；在二次洗滌塔后繼續(xù)設(shè)置換熱器進(jìn)一步降低尾氣溫度至50 ℃，以減少電除霧及臭氧發(fā)生器負(fù)荷，通過以上改善將粉塵的產(chǎn)生質(zhì)量濃度由180 mg/m3降低至100 mg/m3，臭氣排放濃度從20(無量綱)降低到15(無量綱)。煙塵和臭氣排放濃度均能滿足并低于GB 9078—1996《工業(yè)爐窯大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中煙塵200 mg/m3、臭氣20(無量綱)限值，應(yīng)用效果良好。

3 全焊接板式換熱器工程應(yīng)用

基于內(nèi)蒙古某企業(yè)氨基酸廢水處理中噴漿造粒尾氣特點(diǎn)(尾氣成份及含量如表1所示)，設(shè)計(jì)了全焊接板式換熱器(設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示)，并結(jié)合表2參數(shù)將傳統(tǒng)管殼式換熱器與全焊接板式換熱器進(jìn)行了等目標(biāo)設(shè)計(jì)對(duì)比，設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)比如表3所示。對(duì)比表明，全焊接板式換熱器在占地面積、冷源循環(huán)量、金屬材料消耗(投資)等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，因此業(yè)主最終選擇了該全焊接板式換熱器(現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用如圖2所示)，運(yùn)行顯示該全焊接板式換熱器完全達(dá)到工藝要求，應(yīng)用成功。

表1 內(nèi)蒙古某企業(yè)噴漿造粒尾氣成份及含量

表2 設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 Design parameters

表3 設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)比Table 3 Comparison of design results

圖2 全焊接板式換熱器工程應(yīng)用實(shí)例Fig.2 An engineering application example of all welded plate heat exchanger

針對(duì)尾氣中含有較多固體顆粒，設(shè)計(jì)了單程錯(cuò)流工藝，以盡可能地減小氣側(cè)壓降，進(jìn)口處設(shè)置布風(fēng)器，以減緩沖刷腐蝕及氣體分布不均造成的傳熱惡化。長(zhǎng)期運(yùn)行氣側(cè)會(huì)出現(xiàn)結(jié)灰、垢下腐蝕等現(xiàn)象，影響傳熱效果及設(shè)備使用壽命，因此設(shè)計(jì)了氣側(cè)清洗裝置和不停車清洗工藝，如圖3所示。為了更好地回收熱量，建議嘗試如圖4所示的工藝路線。

圖3 氣側(cè)清洗及不停車清洗工藝示意圖Fig.3 Schematic diagram of airside cleaning and no-stop cleaning process

圖4 建議工藝方案Fig.4 Proposed process

4 結(jié) 論

全焊接板式換熱器以其良好的傳熱性能、相對(duì)較低的造價(jià)及較低的運(yùn)行成本在氨基酸廢水處理中噴漿造粒尾氣降溫工段成功工業(yè)化應(yīng)用。但是，在工程應(yīng)用中全焊接板式換熱器僅作為傳熱單元引入，用于進(jìn)一步降低噴淋塔尾氣溫度，整體節(jié)能效果一般，如果在噴漿造粒尾氣處理工藝中用兩級(jí)全焊接板式換熱器將高溫尾氣直接冷卻到45 ℃，將省掉噴淋段涼水塔和換熱器，同時(shí)，冷源用氨基酸廢水原水逆流換熱，二級(jí)全焊接板式換熱器將原水加熱到70 ℃后閃蒸，閃蒸母液與一級(jí)全焊接板式換熱器換熱至95 ℃，然后將95 ℃廢水加入閃蒸罐或三效蒸發(fā)系統(tǒng)，節(jié)能效果將更加明顯。