三聚氰胺/氯化銨裝置低品位蒸汽綜合利用技改方案

肖 宇

(廣西川化天禾鉀肥有限責(zé)任公司，廣西 北海 536017)

0 引 言

當(dāng)前，我國在能源利用中存在著許多不合理的現(xiàn)象，其中最突出的是對能源沒有“量材而用”，同時大量低溫余熱棄之不用，既造成了驚人的能源浪費，又造成了環(huán)境熱污染。所以，對能源 “量材而用”及回收利用低品位熱能具有重要的現(xiàn)實意義。

現(xiàn)階段我國化工裝置生產(chǎn)過程中熱能利用率普遍偏低，且存在高質(zhì)低用、低質(zhì)無用的現(xiàn)象，不能充分、有效地實現(xiàn)熱能的梯級利用，尤其是大量的低品位余熱(如低壓蒸汽及低壓蒸汽冷凝液等)往往未能得到有效利用。廣西川化天禾鉀肥有限責(zé)任公司(簡稱川化天禾)優(yōu)質(zhì)鉀肥項目(一期)包括50 kt/a三聚氰胺裝置和150 kt/a氯化銨裝置，生產(chǎn)過程中就存在低品位余熱資源較多而未合理利用的現(xiàn)象，同時還存在部分用汽設(shè)備與蒸汽等級匹配不合理的問題。為此，川化天禾通過對三聚氰胺/氯化銨裝置熱能利用情況進(jìn)行統(tǒng)計分析，計劃實施相應(yīng)的技改(目前本技改項目已進(jìn)入可研階段)，以使生產(chǎn)系統(tǒng)在熱能供需上盡量做到能級匹配、溫度對口、梯級利用，相信本技改項目實施后，不僅能給企業(yè)帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益，而且對企業(yè)的節(jié)能減排和后續(xù)發(fā)展亦有深遠(yuǎn)的意義。

1 三聚氰胺/氯化銨裝置蒸汽系統(tǒng)簡介

1.1 三聚氰胺/氯化銨裝置蒸汽系統(tǒng)簡況

川化天禾三聚氰胺/氯化銨裝置蒸汽系統(tǒng)管網(wǎng)分為高壓(2.2 MPa、219 ℃)、中壓(1.0 MPa、184 ℃)、低壓(0.45 MPa、155 ℃)3個壓力等級。高壓蒸汽為三聚氰胺裝置的副產(chǎn)蒸汽，分別由熔鹽供熱工序高溫?zé)煔夂蜔釟饫鋮s工序高溫工藝氣換熱副產(chǎn)，共副產(chǎn)高壓蒸汽6 t/h；中壓蒸汽分為兩部分，一部分是由副產(chǎn)的高壓蒸汽經(jīng)調(diào)節(jié)閥(PV1001)減壓產(chǎn)生，另一部分由園區(qū)1.0 MPa蒸汽管網(wǎng)提供；低壓蒸汽則由中壓蒸汽管網(wǎng)經(jīng)調(diào)節(jié)閥(PV1002)減壓而來。目前，三聚氰胺/氯化銨裝置蒸汽用戶共有6個，蒸汽用量共計22 t/h；其中，低壓蒸汽用戶4個、蒸汽用量17 t/h(尿素熔融系統(tǒng)蒸汽用量6 t/h、液氨蒸發(fā)加熱器蒸汽用量1.5 t/h、系統(tǒng)夾套及伴熱蒸汽用量3.5 t/h、氯化銨裝置一效濃縮加熱器蒸汽用量6 t/h)，中壓蒸汽用戶(氮氣加熱器)1個、蒸汽用量1 t/h，高壓蒸汽用戶(氯化銨干燥系統(tǒng))1個、蒸汽用量4 t/h。總之，三聚氰胺/氯化銨裝置正常生產(chǎn)時副產(chǎn)高壓蒸汽6 t/h，而2套裝置高壓、中壓、低壓蒸汽用量合計22 t/h，需外購園區(qū)1.0 MPa蒸汽16 t/h。

1.2 氯化銨裝置一效濃縮加熱器用汽狀況

川化天禾150 kt/a氯化銨裝置雙效濃縮工序主要是對氯化銨離心母液進(jìn)行蒸發(fā)提濃：氯化銨離心母液首先送入二效濃縮分離罐，罐內(nèi)母液通過二效循環(huán)泵經(jīng)二效濃縮加熱器建立循環(huán)，二效濃縮加熱器的加熱蒸汽為一效濃縮分離罐產(chǎn)生的二次蒸汽，經(jīng)二效濃縮加熱器預(yù)熱后的母液進(jìn)入一效濃縮分離罐，罐內(nèi)母液通過一效循環(huán)泵經(jīng)一效濃縮加熱器建立循環(huán)，一效濃縮加熱器的加熱蒸汽為0.45 MPa蒸汽經(jīng)調(diào)節(jié)閥(TV3401)減壓形成的0.2 MPa蒸汽，蒸汽用量為6 t/h。

1.3 三聚氰胺裝置副產(chǎn)低品位蒸汽簡況

2 低品位蒸汽綜合利用的必要性及可行性分析

2.1 必要性分析

2.1.1減少外購蒸汽量，降低生產(chǎn)成本

目前，三聚氰胺/氯化銨裝置所用1.0 MPa蒸汽由園區(qū)提供，1.0 MPa蒸汽的結(jié)算價格約為250元/t，正常生產(chǎn)時需外購園區(qū)1.0 MPa蒸汽16 t/h，按年運行7 200 h計算，每年外購園區(qū)蒸汽量約為115.2 kt，外購蒸汽費用約為2 880萬元。若將三聚氰胺裝置副產(chǎn)的低品位蒸汽加以利用，通過市場調(diào)研與測算，新增蒸汽管道和蒸汽壓縮機的購置費、安裝工程費、建筑工程費以及其他基建費用約850萬元，新增蒸汽壓縮機回收利用副產(chǎn)低品位蒸汽的生產(chǎn)成本約100元/t，抵扣掉每年新增的生產(chǎn)成本約720萬元后，年可減少蒸汽費用2 160萬元。

2.1.2提升裝置運行的穩(wěn)定性

目前園區(qū)外售蒸汽的企業(yè)只有一家，川化天禾沒有選擇權(quán)，在遇到園區(qū)蒸汽管道維修、惡劣天氣、煤炭價格波動等情況時就會限汽，造成裝置減負(fù)荷生產(chǎn)，而三聚氰胺裝置副產(chǎn)低品位蒸汽回收利用后，可有效避免外界不穩(wěn)定因素對裝置生產(chǎn)的影響。

2.1.3響應(yīng)國家“雙碳”政策

2021年4月舉行的中國能源“金三角”“十四五”區(qū)域協(xié)同發(fā)展論壇上，中國工程院院士謝克昌表示：“相比拓展二氧化碳資源化利用途徑，節(jié)能提效才是實現(xiàn)‘碳達(dá)峰、碳中和’的第一優(yōu)選”，“要科學(xué)研究二氧化碳過量排放問題的系統(tǒng)性解決方案，包括循環(huán)和資源化利用的‘順治’，而不是簡單粗暴地封存‘逆治’”。謝克昌院士認(rèn)為，實現(xiàn)目標(biāo)的技術(shù)路徑有優(yōu)劣之分，優(yōu)劣順序依次為：節(jié)能提效>降低碳排放強度>增加低碳能源和減少高碳能源>通過植樹造林強化自然碳匯>二氧化碳捕集、封存和利用。

今年其他弟子運氣并不好，也只余下他們?nèi)齻€來做第七試了，可為什么忽然改換到明天呢？太陽才剛剛偏西，離西北方向的終南諸峰尚遠(yuǎn)。三人百思不得其解，也只能辭別宇晴師父，回來小心準(zhǔn)備。三人收了曲風(fēng)送來的蓮子，將宋歌生撈的白魚去喂了小鯤，悶悶地晚飯，直到晚飯后被宇晴尋到，一路乘鯤來到這摘星樓上。

謝克昌院士稱，2020年我國非化石能源占一次能源消費的比重為15.8%，在84.2%的化石能源消費中，煤炭消費占比56.8%。據(jù)中國工程院的戰(zhàn)略研究，到2030年，我國煤炭消費比重仍將在50%左右，依然是主體能源。此外，我國還面臨能源利用效率偏低的現(xiàn)實問題，單位GDP能耗是世界平均水平的1.4～1.5倍。謝克昌院士講到，若我國單位GDP能耗能達(dá)到世界平均水平，每年可少用13×108t標(biāo)準(zhǔn)煤、減排34×108t二氧化碳，約為我國2020年碳排放總量的1/3，因此，相較于拓展二氧化碳資源化利用途徑，節(jié)能提效才是實現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的第一優(yōu)選。

如謝克昌院士所言，我國煤炭消耗占能源消耗比重由目前的56.8%減至2030年預(yù)計的50%的過程中，煤炭依然是能源消耗主體，而蒸汽(用于發(fā)電及工業(yè)裝置等)是煤炭消耗的主要產(chǎn)物，因此，提升蒸汽利用效率和對蒸汽系統(tǒng)節(jié)能提效應(yīng)是我國實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要途徑，尤其是對于耗汽量巨大的化工行業(yè)而言，蒸汽系統(tǒng)節(jié)能提效的意義重大。

2.2 可行性分析

50 kt/a三聚氰胺裝置尿洗塔三段換熱器副產(chǎn)0.1～0.2 MPa低品位蒸汽約20 t/h，其中，三段換熱器上段副產(chǎn)蒸汽壓力0.2 MPa、溫度133 ℃、流量7 t/h，中、下段副產(chǎn)蒸汽壓力0.10～0.15 MPa、溫度120～127 ℃、流量13 t/h，副產(chǎn)低品位蒸汽全部進(jìn)入空氣冷卻器與空氣換熱，熱能排入大氣，造成極大的能源浪費。而與此同時，150 kt/a氯化銨裝置雙效濃縮工序氯化銨母液濃縮需用0.2 MPa的加熱蒸汽6 t/h，該蒸汽為0.45 MPa壓力等級的蒸汽減壓而來，氯化銨母液濃縮需用加熱蒸汽的壓力等級剛好與三聚氰胺裝置尿洗塔換熱器上段副產(chǎn)低品位蒸汽壓力吻合，完全可以直接使用，換言之，三聚氰胺裝置副產(chǎn)的低品位蒸汽具備回收利用的條件；而且，通過市場調(diào)研得知，目前成熟的國產(chǎn)蒸汽壓縮機已經(jīng)成功應(yīng)用于三聚氰胺生產(chǎn)領(lǐng)域，可采用蒸汽壓縮機升壓技術(shù)將三聚氰胺裝置尿洗塔三段換熱器中、下段低品位蒸汽升壓至滿足工藝要求后供各蒸汽用戶使用。另外，三聚氰胺裝置和氯化銨裝置具備增設(shè)蒸汽壓縮機及新增配管所需的條件，包括場地、相關(guān)配套設(shè)施、公用工程等資源，均能滿足建設(shè)需求。

3 副產(chǎn)低品位蒸汽綜合利用技改方案

3.1 技改方案具體內(nèi)容

三聚氰胺裝置尿洗塔換熱器分為上、中、下三段，據(jù)上、中、下三段換熱器副產(chǎn)低品位蒸汽的參數(shù)，計劃將上段與中、下段副產(chǎn)蒸汽分為兩部分進(jìn)行綜合利用，技改后三聚氰胺/氯化銨裝置蒸汽系統(tǒng)供需平衡示意見圖1(虛線為新增設(shè)備及管線)。

圖1 技改后三聚氰胺/氯化胺裝置蒸汽系統(tǒng)供需平衡示意圖

3.1.1尿洗塔換熱器上段副產(chǎn)蒸汽利用方案

因三聚氰胺裝置尿洗塔換熱器上段副產(chǎn)蒸汽參數(shù)與氯化銨裝置雙效濃縮工序一效濃縮加熱器所需蒸汽參數(shù)吻合，故可直接從三聚氰胺裝置尿洗塔換熱器上段副產(chǎn)蒸汽氣相管道壓力調(diào)節(jié)閥(PV0203)前引出1條管線，接至氯化銨裝置雙效濃縮工序一效濃縮加熱器原蒸汽調(diào)節(jié)閥(TV3401)后管線上，正常生產(chǎn)時，關(guān)閉原0.45 MPa蒸汽管線調(diào)節(jié)閥(TV3401)，利用尿洗塔上段氣相管壓力調(diào)節(jié)閥(PV0203)將副產(chǎn)蒸汽壓力自動控制在0.2 MPa，副產(chǎn)蒸汽通過新增管線送往氯化銨裝置一效濃縮加熱器，蒸汽流量通過新增調(diào)節(jié)閥(HV3401)調(diào)節(jié)，副產(chǎn)蒸汽量不足時，可適當(dāng)開啟原0.45 MPa蒸汽調(diào)節(jié)閥(TV3401)補入蒸汽，滿足正常生產(chǎn)所需。

3.1.2尿洗塔換熱器中、下段副產(chǎn)蒸汽利用方案

從三聚氰胺裝置尿洗塔三段換熱器副產(chǎn)蒸汽氣相總管上引出1條管線，將尿洗塔換熱器中、下段副產(chǎn)的0.10～0.15 MPa蒸汽約10 t/h送入新增的蒸汽壓縮機升壓至0.45 MPa，之后再通過新增管線將蒸汽引至蒸汽閃蒸罐，閃蒸后并入低壓蒸汽管網(wǎng)，供裝置內(nèi)所有低壓蒸汽用戶使用；低壓蒸汽產(chǎn)量由蒸汽壓縮機電機變頻調(diào)節(jié)控制，低壓蒸汽管網(wǎng)壓力由蒸汽閃蒸罐上新增放空調(diào)節(jié)閥(PV1007)自動控制在0.45 MPa。技改后，三聚氰胺/氯化銨裝置除開/停車及設(shè)備故障時需少量引用園區(qū)蒸汽外，正常生產(chǎn)時無需外購園區(qū)蒸汽。

3.1.3富余低品位蒸汽的處置

三聚氰胺裝置尿洗塔換熱器副產(chǎn)低品位蒸汽按照上述方案利用后，會有4 t/h的低品位蒸汽富余，富余低品位蒸汽仍進(jìn)入空氣冷卻器與空氣換熱，其蒸汽冷凝液回尿洗塔換熱器循環(huán)利用。

3.2 蒸汽壓縮機選型

蒸汽壓縮機是熱回收系統(tǒng)對產(chǎn)生的蒸汽通過壓縮提高其溫度和壓力的關(guān)鍵設(shè)備，其作用是將低壓(或低溫)蒸汽加壓升溫，以達(dá)到工藝或者工程所需的溫度和壓力，蒸汽壓縮機類型選擇取決于相關(guān)應(yīng)用的操作條件，其中的關(guān)鍵參數(shù)是需要達(dá)到的壓縮比和待壓縮蒸汽的流量。

常用的氣體壓縮機主要有活塞式壓縮機、螺桿式壓縮機、羅茨壓縮機、離心式壓縮機等型式。理論上所有型式的壓縮機都可以用作蒸汽壓縮機，實際上現(xiàn)有工業(yè)用蒸汽壓縮機主要采用的是離心式壓縮機，其次是羅茨壓縮機。為此，對于三聚氰胺裝置尿洗塔換熱器副產(chǎn)低品位蒸汽利用技改方案之蒸汽壓縮機選型，主要對離心式蒸汽壓縮機和羅茨蒸汽壓縮機進(jìn)行比較。

3.2.1羅茨蒸汽壓縮機

羅茨蒸汽壓縮機屬于容積型風(fēng)機，相較于普通離心式蒸汽壓縮機而言，壓縮比高，一般可達(dá)2.0左右，單級壓縮溫升可達(dá)16 ℃；羅茨蒸汽壓縮機轉(zhuǎn)速較低，一般在980～1 450 r/min，因而具有更好的穩(wěn)定性。不過，羅茨蒸汽壓縮機的劣勢也很明顯，其不僅存在單級體積流量小、效率低、密封易泄漏、工藝介質(zhì)易帶油、轉(zhuǎn)子高溫易變形、保養(yǎng)周期短(一般運行2 000 h需保養(yǎng)1次)等先天缺陷，而且其噪聲頻譜較寬，以63～8 000 Hz的低中頻噪音為主，運行中其噪聲達(dá)100 dB以上，對操作人員健康傷害較大。

3.2.2離心式蒸汽壓縮機

離心式蒸汽壓縮機又分為普通離心式蒸汽壓縮機和高速離心式蒸汽壓縮機，不同的機型具有不同的特點，在不同的應(yīng)用條件下各有優(yōu)勢：普通離心式蒸汽壓縮機一般壓縮溫升為8～10 ℃，目前主要應(yīng)用機型基本為進(jìn)口產(chǎn)品，優(yōu)點是效率高、性能穩(wěn)定，在需要較高壓縮比的工況下可通過2臺離心式蒸汽壓縮機串聯(lián)獲得更高的壓縮溫升，但其效率會有所下降；高速離心式蒸汽壓縮機的顯著特點是轉(zhuǎn)速高、壓縮比高、壓縮溫升較高，具有效率高、能耗低、處理量大、設(shè)備保養(yǎng)周期長、噪音(頻率在8 000～12 000 Hz，為高頻次生波噪音，超出了人耳敏感區(qū))對操作人員健康傷害不大等優(yōu)點，應(yīng)用范圍更廣。

目前，許多業(yè)內(nèi)人士還抱有國產(chǎn)高速離心式蒸汽壓縮機技術(shù)不成熟的觀念，其實不成熟的是葉片式離心式蒸汽壓縮機；高速離心式壓縮機，尤其是鈦合金三元流葉輪離心式壓縮機，其在蒸汽壓縮中的應(yīng)用情況非常不錯。國產(chǎn)鈦合金三元流葉輪離心式壓縮機技術(shù)源于氧氣壓縮機，國內(nèi)該型氧氣壓縮機已有20多年的制造經(jīng)驗，產(chǎn)品是完全成熟的，其葉輪轉(zhuǎn)速高達(dá)20 000 r/min甚至更高，葉輪外沿線速度最高可達(dá)430 m/s，單級壓縮溫升最高可達(dá)23～25 ℃，相當(dāng)于壓縮比2.6～2.8，同等壓縮能力下比進(jìn)口產(chǎn)品價格低30%以上。大部分企業(yè)生產(chǎn)的三元流離心式壓縮機均采用兩級電機配升速器來獲得葉輪的高轉(zhuǎn)速，近年來也有企業(yè)在開發(fā)直接由高速電機(頻率高達(dá)350 Hz)啟動的機型，值得期待。單級三元流葉輪離心式壓縮機受制于鈦合金材料的強度，壓縮溫升很難超過25 ℃，但可以采用兩級或多級串聯(lián)的方式來解決這個問題，兩級壓縮可以是2臺壓縮機串聯(lián)使用，也可以采用1臺電機驅(qū)動雙頭升速器的辦法將兩級壓縮集成于單臺設(shè)備。更有企業(yè)采用雙頭高速電機來驅(qū)動兩級壓縮機，壓縮機結(jié)構(gòu)更加緊湊、精巧。采用兩級三元流葉輪離心式壓縮機，其壓縮比最高可達(dá)6.0，可將蒸汽從120 ℃升溫到165 ℃，壓縮溫升可達(dá)45 ℃，完全可滿足低品位蒸汽升溫升壓使用的要求。

因此，蒸汽流量較小時可選用羅茨蒸汽壓縮機，蒸汽流量較大、溫升較小時可選擇普通離心式蒸汽壓縮機，蒸汽流量大、溫升大的工況宜選用單級或多級高速離心式蒸汽壓縮機。據(jù)各類型蒸汽壓縮機的特點，以及川化天禾三聚氰胺/氯化銨裝置低品位蒸汽供需參數(shù)，本技改方案宜選用國產(chǎn)兩級高速三元流葉輪離心式壓縮機作為蒸汽升壓設(shè)備。

4 低品位蒸汽綜合利用效益估算

4.1 投資估算

經(jīng)市場調(diào)研及測算，三聚氰胺裝置尿洗塔換熱器上段新增管線至氯化銨裝置一效濃縮加熱器預(yù)計投資約50萬元(含稅)，新增蒸汽壓縮機的設(shè)備購置費、安裝工程費、建筑工程費以及其他基建費用預(yù)計投資約800萬元(含稅)，即川化天禾低品位蒸汽綜合利用技改項目總投資約850萬元(含稅)。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益估算

(1)三聚氰胺/氯化銨裝置所用1.0 MPa蒸汽由園區(qū)外購，該蒸汽的結(jié)算價為250元/t，而氯化銨裝置一效濃縮加熱蒸汽用量為6 t/h，按年運行7 200 h計算，年蒸汽用量為43.2 kt，每年的蒸汽采購費用為1 080萬元(含稅)[技改新增蒸汽管線的一次性投資(含材料采購費、工程安裝費等)約50萬元，該投資分?jǐn)偤笥嬋朊磕甑恼叟f費，因占比極小，在此忽略不計]；增設(shè)蒸汽壓縮機回收三聚氰胺裝置尿洗塔換熱器中、下段副產(chǎn)低品位蒸汽的成本[含水、電、氣、設(shè)備檢維修費用，以及技改新增蒸汽壓縮機及相關(guān)管線的一次性投資(含材料采購費、工程安裝費等)約800萬元的折舊費等]約為100元/t，比外購園區(qū)蒸汽價格低150元/t，蒸汽壓縮機蒸汽回收量為10 t/h，按年運行7 200 h計算，每年可回收低品位蒸汽72 kt、可節(jié)省蒸汽采購費約1 080萬元(含稅)。兩項合計年可減少外購蒸汽115.2 kt，每年可節(jié)省蒸汽采購費2 160萬元(含稅)。

(2)2021年7月15日，上海環(huán)境能源交易所發(fā)布關(guān)于全國碳排放權(quán)交易開市的公告，全國碳排放交易于2021年7月16日開市，光伏行業(yè)所產(chǎn)生的CCER(中國核證減排量)開始正式進(jìn)入可交易時代。雖然目前碳排放交易只包含了電力行業(yè)，但未來幾年必將在石化、化工、水泥、鋼鐵、有色金屬、紙漿和造紙、航空建材等行業(yè)推廣，結(jié)合國家對碳排放的嚴(yán)格控制力度，未來碳權(quán)將是工業(yè)企業(yè)均需關(guān)注的重點問題，碳權(quán)價格將有所提升，本項目產(chǎn)生的約25 kt/a的碳權(quán)若今后參與市場化交易，將會給企業(yè)帶來一定的額外收入。

4.3 預(yù)期社會效益

川化天禾三聚氰胺裝置尿洗塔換熱器副產(chǎn)低品位蒸汽綜合利用技改方案實施后，每年可減少外購園區(qū)1.0 MPa蒸汽115.2 kt，年節(jié)約標(biāo)煤約10 kt，年減少二氧化碳排放約25 kt，節(jié)能減碳效果明顯。

5 結(jié)束語

針對川化天禾三聚氰胺/氯化銨裝置蒸汽用戶用能特點，利用三聚氰胺裝置尿洗塔副產(chǎn)的低品位蒸汽，采用先進(jìn)成熟的蒸汽壓縮機升壓技術(shù)及合理的流程優(yōu)化，遵循溫度對口、梯級利用的原則對裝置所產(chǎn)低位余熱進(jìn)行綜合利用，擬定的方案技術(shù)成熟，經(jīng)濟(jì)效益可觀，具備一定的可行性，實施后預(yù)期可帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益、環(huán)保效益：可實現(xiàn)三聚氰胺/氯化銨裝置“零”外購蒸汽，每年可減少外購蒸汽115.2 kt，降低生產(chǎn)成本2 160萬元，降本增效明顯；可減少二氧化碳排放(凈購入蒸汽隱含二氧化碳排放)25 kt/a，實現(xiàn)碳減排；每年可節(jié)約10 kt的標(biāo)煤，節(jié)約的能耗指標(biāo)可用于川化天禾的后續(xù)項目開發(fā)。在如今能源供應(yīng)緊張、能源價格飛漲、企業(yè)成本不斷上漲的形勢下，化工生產(chǎn)中副產(chǎn)低品位蒸汽綜合利用不僅可降本增效，而且符合國家“雙碳”政策，相信川化天禾三聚氰胺/氯化銨裝置副產(chǎn)低品位蒸汽綜合利用技改項目實施后，將具有較好的示范效應(yīng)，可為“雙碳”目標(biāo)的推進(jìn)落實貢獻(xiàn)一份力量。