熱泵技術(shù)在熔硫節(jié)汽改造中的應(yīng)用

瞿明軍，趙志立

（1.龍蟒佰利聯(lián)集團(tuán)股份有限公司，河南焦作454150；2.重慶大學(xué)，重慶 400044）

某公司硫磺制酸裝置生產(chǎn)規(guī)模600 kt/a，除外購液體硫磺作為原料，還需要通過蒸汽熔化固體硫磺180 kt/a。固體硫磺經(jīng)澄清、過濾工序后采用蒸汽保溫輸送到液體硫磺儲(chǔ)槽備用。熔硫用蒸汽來自0.80 MPa 主管網(wǎng)，該蒸汽主要由大量的背壓汽輪機(jī)來汽和少量的低溫余熱回收產(chǎn)汽混合而成，實(shí)際蒸汽溫度達(dá)200 ℃左右，熔硫時(shí)再將蒸汽減溫減壓到約0.60 MPa，175 ℃；液體硫磺管道和儲(chǔ)槽等設(shè)施的保溫蒸汽，需再次使用閥門將0.60 MPa 蒸汽減壓到0.35～0.45 MPa。

在硫磺熔化、輸送和儲(chǔ)存的過程中，根據(jù)固體硫磺的含水率、雜質(zhì)、游離酸等含量不同，1 t 固體硫磺需要消耗的飽和蒸汽大致在0.24～0.30 t。由于傳熱難以達(dá)到最佳效果，大量蒸汽不能冷凝利用，造成比較大的蒸汽浪費(fèi)。在當(dāng)前倡導(dǎo)節(jié)能降耗的大形勢(shì)下，企業(yè)蒸汽成本不斷升高，如何降低熔硫工序的蒸汽消耗，同時(shí)合理利用冷凝后的閃蒸汽就顯得很有必要。

1 改造前熔硫工序存在的問題

熔硫工序和硫磺保溫過程主要存在以下問題：

1）熔硫蒸汽采用減溫減壓、保溫蒸汽采用閥門節(jié)流減壓的方式都具有明顯的節(jié)流損失。

2）疏水閥經(jīng)常損壞，導(dǎo)致疏水閥后凝結(jié)水夾帶蒸汽嚴(yán)重，直接表現(xiàn)為現(xiàn)場(chǎng)大量的水夾汽和閃蒸汽（以下統(tǒng)稱閃蒸汽）一起外溢。

3）熔硫、保溫蒸汽參數(shù)偏高，導(dǎo)致盤管壁、槽壁容易結(jié)垢，不僅增加蒸汽消耗，還進(jìn)一步加劇閃蒸汽的外溢。根據(jù)閃蒸罐頂部排汽壓力及排汽管徑，初步核算閃蒸汽流量為1.5 t/h 左右。

2 改造后熔硫工序余熱余汽回收系統(tǒng)工作流程

針對(duì)上述問題，該公司聯(lián)合廣州盈運(yùn)節(jié)能科技有限公司利用蒸汽噴射式熱泵技術(shù)，優(yōu)化了熔硫工序的供汽、用汽的參數(shù)和流程，進(jìn)行了節(jié)汽改造工作。改造后熔硫工序的余熱余汽回收系統(tǒng)工作流程示意見圖1。

熔硫初期，熔硫和保溫都采用從熱電聯(lián)產(chǎn)工序來的0.80 MPa，200 ℃低壓蒸汽。當(dāng)正常熔硫用汽后，再切換硫磺制酸廢熱鍋爐汽包來的3.60 MPa飽和蒸汽作為熱泵抽吸蒸汽，其中一組熱泵抽吸熔硫過程中0.60 MPa 飽和蒸汽換熱冷凝后形成的閃蒸汽，再次生成0.60 MPa 的蒸汽，繼續(xù)供熔硫槽使用。由熔硫槽出來的凝結(jié)水是含汽比例較高的汽水混合物，由起疏水作用的孔板閥門減少部分水夾汽后進(jìn)入閃蒸罐，在閃蒸罐內(nèi)進(jìn)行汽水分離，閃蒸汽被熱泵抽吸，凝結(jié)水由凝結(jié)水泵送至除氧器。為了減少凝結(jié)水夾帶蒸汽，在熱泵機(jī)組的前面增加1套孔板閥門組，根據(jù)熔硫負(fù)荷及參數(shù)變化，進(jìn)行人工手動(dòng)適當(dāng)調(diào)節(jié)。

為保證閃蒸罐的水位，凝結(jié)水泵必須安裝變頻調(diào)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)。1#閃蒸罐底部未安裝凝結(jié)水泵，其較高的系統(tǒng)壓力將凝結(jié)水壓至2#閃蒸罐。1#蒸汽熱泵機(jī)組對(duì)蒸汽進(jìn)行抽吸，產(chǎn)生的0.60 MPa 蒸汽基本在飽和蒸汽溫度165 ℃左右進(jìn)入熔硫槽，由于蒸汽加熱在管內(nèi)是冷凝換熱，飽和溫度有利于換熱；2#熱泵機(jī)組抽吸管道和液體硫磺儲(chǔ)槽0.40 MPa 保溫蒸汽冷凝后的閃蒸汽，再次生成0.40 MPa 飽和蒸汽供熔硫槽、管道和液體硫磺儲(chǔ)槽保溫使用。為了防止工作蒸汽在異常情況下出現(xiàn)超溫，分別在2套蒸汽熱泵機(jī)組出口各安裝1 套蒸汽減溫器，必要時(shí)通過自動(dòng)噴水控制蒸汽的溫度以保證不出現(xiàn)燃燒事故，同時(shí)該減溫器還具有使加熱蒸汽不會(huì)出現(xiàn)過熱從而強(qiáng)化換熱的作用。

按照該系統(tǒng)的工作流程，如果在操作上沒有失誤，大量的閃蒸汽均可以被回收利用，充分體現(xiàn)了熱力系統(tǒng)的能量高位高用、循環(huán)利用的高效用能的合理性。

圖1 熔硫工序余熱余汽回收系統(tǒng)工作流程示意

3 主要設(shè)備

節(jié)汽改造新增2 套熱泵機(jī)組、孔板閥門組、閃蒸罐、減溫器、過濾器、供電及負(fù)荷、參數(shù)控制系統(tǒng)。為了確保在實(shí)際工況下系統(tǒng)能穩(wěn)定工作，要求凝結(jié)水泵必須增加變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)，并與閃蒸罐水位進(jìn)行聯(lián)鎖調(diào)節(jié)。

熱泵機(jī)組核心設(shè)備蒸汽噴射式熱泵的噴射器工作原理示意見圖2。

圖2 蒸汽噴射式熱泵噴射器工作原理示意

蒸汽噴射式熱泵是對(duì)熔硫工序的蒸汽進(jìn)行梯級(jí)利用、循環(huán)利用的核心部件，通過不同參數(shù)的熱泵機(jī)組新蒸汽抽吸物料換熱冷凝后的汽水混合物中的閃蒸汽。在第一臨界面和第二臨界面分別達(dá)到當(dāng)?shù)匾羲賲?shù)，使低參數(shù)的閃蒸汽被提升為需求參數(shù)的蒸汽，梯級(jí)品位得到提升并實(shí)現(xiàn)了蒸汽的循環(huán)利用，遠(yuǎn)高于原減溫減壓裝置作用的效果?？紤]到工作蒸汽的壓力會(huì)隨熔硫負(fù)荷的變化及參數(shù)波動(dòng)而變化，因此必須將噴射器設(shè)計(jì)成2 個(gè)以上熱泵的噴射機(jī)組，以適應(yīng)熔硫工序用汽負(fù)荷可能產(chǎn)生的波動(dòng)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

蒸汽熱泵機(jī)組的單個(gè)噴射器是由拉法爾噴管與超音速壓縮噴管兩大部分組成。為提高蒸汽抽力，同時(shí)達(dá)到熔硫所需0.60 MPa 壓力，蒸汽噴射器內(nèi)部必須形成較高的真空度，通過拉法爾噴管形成的真空流體通過壓縮噴管達(dá)到升壓的作用，在拉法爾噴管出口和壓縮噴管進(jìn)口之間是蒸汽超音速流動(dòng)區(qū)域，流動(dòng)十分復(fù)雜，對(duì)熱泵性能影響極大，造成此類熱泵的負(fù)荷、參數(shù)適應(yīng)性較差，即當(dāng)負(fù)荷偏離設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)造成熱泵失效。因此需要按照可能出現(xiàn)的負(fù)荷及參數(shù)變化編制相應(yīng)的控制邏輯，形成熱泵轉(zhuǎn)換的自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。

高壓新蒸汽通過拉法爾噴管并在噴射腔室內(nèi)形成負(fù)壓超音速流動(dòng)，與被抽吸進(jìn)入噴射腔室的閃蒸罐頂部來的閃蒸汽進(jìn)行迅速混合，當(dāng)離開壓縮噴管出口時(shí)（第二臨界面）達(dá)到當(dāng)?shù)匾羲??；旌险羝M(jìn)入用汽管網(wǎng)系統(tǒng)為亞音速狀態(tài)，此時(shí)蒸汽再膨脹達(dá)到用戶使用工作蒸汽壓力。當(dāng)工作蒸汽加熱物料后，形成高溫冷凝水和水夾帶蒸汽匯流入孔板閥門組，孔板閥門組阻止部分蒸汽流出，其余汽水混合物進(jìn)入閃蒸罐后，先汽水分離，再被新蒸汽抽吸形成工作蒸汽，循環(huán)往復(fù)。當(dāng)然，新蒸汽對(duì)閃蒸汽的抽吸也不是無限量的，與抽汽系數(shù)有關(guān)，抽汽系數(shù)與新蒸汽、被抽蒸汽的壓力成正比關(guān)系，與用戶工作蒸汽的壓力成反比關(guān)系。各個(gè)蒸汽壓力一旦確定，就確定了相應(yīng)的抽汽參數(shù)，在新蒸汽進(jìn)汽量最大的前提下，該熱泵機(jī)組的最大抽吸能力也已確定。

4 節(jié)汽改造效果

4.1 運(yùn)行情況

經(jīng)過調(diào)試，熔硫工序余熱余汽回收系統(tǒng)進(jìn)入正常運(yùn)行模式。新蒸汽來自中壓廢熱鍋爐汽包出口的3.60 MPa 飽和蒸汽，熔硫蒸汽的壓力為0.60 MPa，保溫蒸汽的壓力為0.40 MPa。閃蒸罐正常壓力在15～40 kPa，由于熱泵機(jī)組對(duì)蒸汽的抽吸作用，閃蒸罐實(shí)際壓力降到5 kPa以下，出口處呈微負(fù)壓狀態(tài)。

凝結(jié)水通過凝結(jié)水泵送到除氧器進(jìn)行回用。為防止凝結(jié)水中漏入硫磺污染鍋爐水質(zhì)，在凝結(jié)水泵進(jìn)口管道上增加濾網(wǎng)，在進(jìn)、出口管道增加壓力表，定期觀察濾網(wǎng)處的壓差變化，一旦出現(xiàn)壓差異常，就地排水檢查。凝結(jié)水泵通過變頻調(diào)速運(yùn)行，與閃蒸罐水位聯(lián)鎖自動(dòng)控制。熱泵運(yùn)行自動(dòng)控制，以避免用汽負(fù)荷波動(dòng)導(dǎo)致閃蒸罐凝結(jié)水被抽干而破壞整個(gè)節(jié)汽系統(tǒng)正常運(yùn)行。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

利用蒸汽熱泵機(jī)組代替減壓閥、疏水閥，增加孔板閥門組、閃蒸罐、凝結(jié)水泵等設(shè)備，發(fā)揮閃蒸罐的分離作用，定期清除系統(tǒng)的結(jié)垢，基本解決了大量閃蒸汽外排的問題，同時(shí)也減少了凝結(jié)水的外排損失，節(jié)約的經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

在連續(xù)運(yùn)行1 個(gè)月后，進(jìn)行了96 h 數(shù)據(jù)收集。前48 h 未投用蒸汽熱泵機(jī)組，熔硫1 160.5 t 消耗0.60～0.65 MPa 飽和蒸汽281 t，折計(jì)1 t 硫磺消耗飽和蒸汽0.242 t；后48 h 投用蒸汽熱泵機(jī)組，熔硫1 152.5 t，消耗新蒸汽204 t，考慮到3.60 MPa飽和蒸汽和0.60 MPa 飽和蒸汽約有36 kJ/kg 的焓差，換算為0.60 MPa 飽和蒸汽的消耗量實(shí)際為206.7t，折計(jì)1 t 硫磺消耗飽和蒸汽0.179 t。熔硫量按180 kt/a 計(jì)，改造后可節(jié)約蒸汽11.34 kt/a。蒸汽按120 元/t 計(jì)，可節(jié)約蒸汽費(fèi)用136 萬元/a。該項(xiàng)目總投資90 余萬元，運(yùn)行不到1 年就可收回投資費(fèi)用，具有非常優(yōu)異的經(jīng)濟(jì)性。

根據(jù)資料顯示[1]，2018 年國內(nèi)硫磺制酸產(chǎn)量44 320 kt，使用固體硫磺的硫磺制酸企業(yè)按80%計(jì)，約有35 460 kt/a 生產(chǎn)規(guī)模，需要熔化硫磺約11 820 kt/a 左右。如果在固體硫磺熔化和液體硫磺儲(chǔ)存過程中全部按1 t 硫磺消耗0.60 MPa 飽和蒸汽0.24 t計(jì)，全年需要消耗蒸汽2 837 kt 左右，采用熱泵節(jié)汽技術(shù)則可以實(shí)現(xiàn)節(jié)汽721 kt/a，蒸汽按120元/t計(jì)，可節(jié)約蒸汽費(fèi)用8 652 萬元/a。采用熱泵節(jié)汽技術(shù)不僅具有較大的經(jīng)濟(jì)效益，也會(huì)產(chǎn)生明顯的社會(huì)環(huán)保效益。

5 結(jié)語

蒸汽噴射式熱泵技術(shù)應(yīng)用于硫磺制酸裝置熔硫工序蒸汽及凝結(jié)水余熱余汽回收系統(tǒng)，相較于熔硫蒸汽采用減溫減壓、保溫蒸汽采用閥門節(jié)流減壓的方式，蒸汽的利用率得到大幅提高，基本解決了大量閃蒸汽和凝結(jié)水外排的問題，可明顯降低企業(yè)的蒸汽成本，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)環(huán)保效益。該改造案例充分說明，硫磺制酸裝置熔硫工序的蒸汽消耗總量雖小，但是采用能源梯級(jí)利用的創(chuàng)新理念進(jìn)行系統(tǒng)用汽分析，特別是在大型硫磺制酸裝置上仍然具有較大的挖潛增效空間。