蒸汽余熱回收利用中試試驗

周玉青，李 強

（1.南京科技職業(yè)學院 環(huán)境工程學院，江蘇 南京 210048；2.梅山鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210039；3.墻州環(huán)境科技服務（南京）有限公 司，江蘇 南京 210048）

隨著社會經濟的持續(xù)發(fā)展，中國已經成為世界上第二大能源生產國和消費國，是能源市場不可或缺的重要組成部分，對維護全球能源安全發(fā)揮著越來越重要的積極作用[1-2]。工業(yè)生產對能源的需求越來越大，為了緩解能源壓力，在工業(yè)生產中應盡可能降低和重復利用現(xiàn)有能源，降低能源消耗。以電力、煤炭、鋼鐵、水泥、有色金屬、焦炭、造紙、制革、印染等行業(yè)為重點，按照《國務院關于印發(fā)節(jié)能減排綜合性工作方案的通知》、《產業(yè)結構調整指導目錄》以及國務院制訂的鋼鐵、有色金屬、輕工、紡織等產業(yè)調整和振興規(guī)劃等文件規(guī)定的淘汰落后產能的范圍和要求，按期淘汰落后產能[3-5]，從工藝技術和結構調整方面提高能源利用率，降低能源消耗。余熱利用正是在這樣的背景下，對工藝裝置生產過程中產生的能源進行重復利用，達到節(jié)能降耗的目的。

1 現(xiàn)有技術

某化工廠蒸氨及硫銨結晶裝置，余熱利用過程在系統(tǒng)工藝圖中處于氨水蒸餾-洗萘塔-酸洗塔-DTB結晶器段，見圖1。蒸氨裝置設計氨水最大處理量為120 m3/h，通過蒸氨塔將氨水中的揮發(fā)氣體蒸出，蒸氨塔氨蒸氣出口溫度控制在100～110℃，氨蒸氣的發(fā)生量為6～8 t。蒸氨產生的氨蒸氣直接送至酸洗塔與煤氣混合并與稀硫酸溶液反應，生成的硫銨母液送至DTB結晶器生產硫酸銨產品（該階段外用蒸氣通過母液加熱器對硫銨母液進行加熱蒸發(fā)，得到高濃度母液，生產硫銨顆粒）。結晶器母液加熱器由180℃蒸氣提供熱源，目前生產中結晶器蒸氣單耗為1.7 t/t硫銨，能耗較大。剩余母液放置母液循環(huán)槽儲存，見圖2。在這個高溫向低溫轉換過程中（氨氣溫度在90～110℃左右）進入煤氣凈化酸洗系統(tǒng)洗氨，會造成煤氣系統(tǒng)煤氣溫度增高，同時會使洗氨和煤氣終冷的負荷增加，造成能源浪費。

圖1 煤氣精制工藝示意圖

圖2 氨水蒸餾-洗萘塔-酸洗塔-DTB結晶器段部分原工藝流程示意圖

2 余熱利用技術

煤氣系統(tǒng)煤氣溫度高，易導致洗氨和煤氣終冷的負荷增加，而硫銨母液需要進行加熱蒸發(fā)操作，所以考慮利用高溫煤氣對母液進行加熱。改進試驗裝置如圖3所示。

圖3 改進試驗裝置布置示意圖

2.1 已有余熱利用技術

根據(jù)周玉青等的專利ZL 201420698770.3《一種 加熱爐系統(tǒng)》[6]中介紹的閉環(huán)工藝，利用換熱器預熱空氣和煤氣，其特點是回收的熱量又回到爐內被爐子利用（見圖4）。可以將該專利技術進行改進，用于實現(xiàn)蒸氨塔到酸洗塔氨蒸氣進入母液循環(huán)槽與DTB結晶器硫銨母液進行熱能轉換。

圖4 余熱利用專利圖

根據(jù)該專利技術原理，現(xiàn)將熱流體改為蒸氨后蒸氣，冷流體為硫酸銨溶液，以母液循環(huán)槽為中心載體將常溫的氨蒸氣直接送至酸洗塔與煤氣混合并與稀硫酸溶液反應，生成的硫銨母液供給泵壓入新增的換熱器。蒸氨塔的蒸汽進入換熱器與低溫母液換熱，產生的氨氣冷凝水由氨氣冷凝水泵壓入母液循環(huán)槽、結晶器等處，母液進入結晶器。經過換熱器工作后出口溫度65～70℃，經管線進入結晶器的母液溫度降至40～45℃。外接180℃蒸氣提供熱源，結晶器母液加熱器加熱至結晶溫度50℃，在這過程中換熱器對母液加熱升溫至40～45℃，外接蒸氣將常溫母液在加熱至40～45℃基礎上，加熱至結晶溫度50℃，對外接蒸氣需求大幅下降。目前生產現(xiàn)狀結晶器蒸氣單耗為1.7 t/t硫銨。

2.2 試驗條件及儀器設備

2.2.1 試驗用原料工藝參數(shù)

本試驗換熱分為冷熱兩種流體，熱流體為蒸氨后蒸氣，冷流體為硫酸銨溶液，具體參數(shù)見表1。余熱利用中用到的蒸氨氨氣工藝參數(shù)見表2。

表1 冷流體和熱流體的工藝參數(shù)

表2 蒸氨氨氣工藝參數(shù)

2.2.2 試驗設備

（1）硫銨母液換熱器

硫銨母液換熱器廠家為寧波科新化工工程技術有限公司，換熱器換熱面積為60 m2，設計壓力為殼程0.2 MPa，管程0.6 MPa；蒸汽進口管徑DN300，出口管徑DN300；硫銨溶液進口管徑DN80，硫銨溶液出口管徑DN80。介質條件和要求：管程，硫銨溶液，進口壓力0.4 MPa，允許壓降0.035 MPa，進口溫度40℃，出口溫度（主要控制對象）要求為70℃，流量20 m3/h；殼程，氨氣與蒸氣混合氣，進口壓力0.015 MPa，允許壓降0.003 MPa，進口溫度101℃。換熱器材質：與硫銨溶液接觸部件采用904，與蒸氨混合氣體接觸部件采用316 L。設備實物見圖5。

圖5 硫銨母液加熱器換熱器實物圖

（2）氨氣冷凝水槽

余熱利用裝置中，氨氣冷凝水槽容積為3 m3，材質為304 L，介質為90℃氨水。設備實物見圖6。

圖6 氨氣冷凝水槽實景圖

（3）氨冷凝水泵

余熱利用工藝中使用的氨冷凝水泵：Q=3 m3/h；h=50 m；進出口管徑為DN50、DN40，氨冷凝水，進口氨冷凝水壓力0.03 MPa（表壓），溫度95℃，揚程50 m，流量3 m3/h；進口管徑DN 50（φ57 mm×3 mm），出口DN 40（φ45 mm×2.5 mm）；泵體材質304 L。設備實物見圖7。

圖7 氨冷凝水泵實物圖

3 試驗工藝流程

3.1 余熱利用工藝流程

本試驗項目工藝系統(tǒng)主要包括熱流體和冷流體兩部分。

熱流體工藝流程：熱流體為蒸氨后蒸氣，蒸氨蒸氣從主管道引出經過換熱器降溫后，冷凝所得氨水溶液進入溶液罐，從罐中流出后經氨水泵加壓后分別送至母液循環(huán)槽、P42204結晶泵入口及P42205母液循環(huán)泵入口，未凝結部分回到原主管道。在主管道的換熱旁路之后設置備用接口，并配備閥門，供以后工藝使用。

冷流體工藝流程：冷流體為硫酸銨溶液，硫酸銨溶液自原有加壓泵出口引出，經過換熱器加熱后，送至管廊上的原硫酸銨溶液管道。

試驗要求：根據(jù)硫銨溶液的實際操作流量及實際進口溫度，調節(jié)熱源介質的流量，要求利用蒸氨后蒸氣的余熱將硫銨溶液加熱至65℃。

余熱利用的工藝流程如圖8所示。

圖8 余熱利用工藝流程示意圖

3.2 試驗步驟

3.2.1 試驗開工步驟

（1）開工前檢查現(xiàn)場母液換熱器、氨水冷凝液槽及氨水冷凝液泵放空閥是否關閉，以及各閥門開關是否到位。

（2）檢查現(xiàn)場儀表、中控顯示儀表是否準確有效，各操作點調節(jié)閥是否靈活有效。

（3）母液流程先貫通，在結晶系統(tǒng)正常生產的情況下，打開結晶供給泵至換熱器E42204的進出口閥門，關閉旁通閥門，母液補充切換至換熱器運行，中控關注現(xiàn)場進換熱器前流量計FI42210（25～30 m3/h），確保與進結晶器的母液流量一致。

（4）緩慢開啟蒸氨塔氨氣總管進、出換熱器E42204的氨氣閥門，并緩慢開啟進口閥門后氨氣進氣調節(jié)閥，慢慢關閉氨氣總管旁通閥門，同時密切關注進入換熱器的氨氣的溫度和壓力，確保蒸氨塔頂壓力、溫度正常。

（5）中控儀表通過對氨氣調節(jié)閥的控制來確保母液換熱后的溫度在65～70℃左右，結晶系統(tǒng)母液所需的流量、溫度穩(wěn)定后可切換至自動控制。

（6）氣相和母液換熱貫通后注意好氨水冷凝液槽的液位，當液位達到500 mm左右時，開啟一臺氨水冷凝液泵，將氨水冷凝液送往結晶器或者母液循環(huán)槽，槽位穩(wěn)定后可通過出口調節(jié)閥和冷凝液槽的液位設置自動控制。

3.2.2 試驗停工步驟

（1）當結晶系統(tǒng)停產清洗、檢修或蒸氨裝置停產時提前接到通知后先緩慢打開蒸氨塔氨氣總管旁通閥門，再慢慢關閉換熱器E42204的進、出口氨氣閥門，進氣閥后氨氣調節(jié)閥關死。

（2）氨水冷凝液槽T42213液位低于500 mm時停止氨水冷凝液泵的運行，關閉相關閥門，氨水冷凝液停止送往酸洗循環(huán)槽或結晶系統(tǒng)。

（3）關閉酸洗母液供給泵出口至換熱器E42204的進出口閥門，打開旁通閥門母液直接供給結晶系統(tǒng)，冬天或余熱利用長時間停工時要開啟水閥門對管線及換熱器進行清洗并放空。

3.3 試驗效果

在硫銨裝置區(qū)增加一臺換熱器，將蒸氨裝置出來的氨氣與硫銨供給泵出來的硫銨母液換熱。換熱后的氨氣仍通往酸洗塔，硫銨母液仍通往結晶器。增加一個氨冷凝水水封槽和兩臺氨冷凝水泵（一用一備），將換熱器冷凝的氨水通過氨冷凝水泵分別送往母液循環(huán)泵入口、結晶泵入口和母液循環(huán)槽。通過高溫氨蒸氣加熱部分母液，加熱能力可以將硫銨供給泵來的25 m3/h硫銨母液由50.7℃加熱至67.2℃。

蒸氨塔出來的高溫氨蒸汽混合物溫度約101～105℃，含有較高熱量，進入酸洗塔后使得酸洗塔內煤氣溫度達到55～70℃，而氨的吸收適宜溫度為50℃，故氨氣溫度較高會影響酸洗塔內氨的吸收；酸洗塔內煤氣溫度過高，亦將導致后續(xù)煤氣終冷耗費大量低溫水。

硫銨結晶需要通過加熱器對硫銨母液進行加熱蒸發(fā)，得到高濃度母液，生成硫銨顆粒。結晶器母液加熱器由180℃蒸汽提供熱源，結晶器蒸汽單耗由1.7 t/t硫銨降至1.486 t/t硫銨，表3中試驗結果論證余熱利用的工藝方案可行性，其運行效果較好，但設計負荷較小，僅利用了約10%的氨蒸汽熱量，有較大的擴容空間。試驗中蒸汽耗用見表3。

由表3數(shù)據(jù)可以計算增加余熱利用裝置后的經濟效益。試驗中增加一臺換熱器可節(jié)約蒸氣能耗，蒸汽平均節(jié)約0.214 t。

表3 硫銨裝置結晶器蒸汽耗用統(tǒng)計

經濟效益＝產量×（原蒸氣消耗量-試驗蒸氣消耗量）×蒸氣單價=47 327×（1.7-1.486）×150=1 519 196.7元

4 結論

（1）在蒸氨后蒸氣和硫銨母液之間增加換熱器裝置，將蒸氨蒸氣作為熱流體，硫銨母液為冷流體，達到降低蒸氨氨氣溫度，提高硫銨母液溫度的目的。

（2）余熱利用工藝應用于蒸氨后蒸氣和硫銨母液后，15個月為工廠帶來1 519 196.7元的經濟效益。

（3）經過中試試驗，證明余熱利用技術可以在工業(yè)生產過程中充分利用工廠原有的余熱資源，降低能源消耗，達到節(jié)能的目的。