尿素高壓甲銨洗滌器余熱回收可行性研究

何光琳

(青海云天化國(guó)際化肥有限公司，青海 西寧 810000)

1 高壓甲銨洗滌器余熱情況

1.1 高壓甲銨洗滌器作用及高壓調(diào)溫水流程

高壓甲銨洗滌器(203-C)主要作用是將尿素合成塔(201-D)未反應(yīng)的氨和二氧化碳冷凝、吸收，冷凝過(guò)程中放出的熱能，由殼側(cè)高壓調(diào)溫水帶走。

高壓調(diào)溫水在一個(gè)封閉的加壓系統(tǒng)中用高壓調(diào)溫水泵(902-J/JS)循環(huán)流動(dòng)，經(jīng)高調(diào)水冷卻器(902C)循環(huán)水冷卻后，溫度降至80～90 ℃，再送回高壓甲銨洗滌器繼續(xù)循環(huán)，流程見圖1。

圖1 尿素裝置高壓調(diào)溫水流程

1.2 高壓甲銨洗滌器余熱量計(jì)算

高壓甲銨洗滌器熱量計(jì)算采用裝置滿負(fù)荷的數(shù)據(jù)。高壓調(diào)溫水流量：490 t/h；溫差(203-C進(jìn)出口調(diào)溫水)：23 ℃；水的比熱：4.2 MJ/(t·℃)。

尿素調(diào)溫水余熱量為：490 t/h×23 ℃×4.2 MJ/(t·℃)=47334 MJ/h，折算成 3.8 MPa 蒸汽，約為 18 t。

2 供熱裝置除氧器蒸汽使用情況

2.1 除氧器流程及原理

界外脫鹽水進(jìn)入供熱界區(qū)，經(jīng)并聯(lián)的冷渣機(jī)(C119/219/319/419)預(yù)熱后分配到供熱裝置除氧器(U801/802)。工作壓力 0.02 MPa，工作溫度 104 ℃。

除氧器利用蒸汽將給水加熱至飽和狀態(tài)，此時(shí)水蒸汽分壓增至最大，而氧及其他分壓減至最小，保證溶解氧在指標(biāo)范圍內(nèi)[1]。

2.2 除氧器蒸汽用量

1)除氧器自用蒸汽量實(shí)際統(tǒng)計(jì)，見表1。

表1 供熱裝置除氧器自用蒸汽量實(shí)際統(tǒng)計(jì)表

表1數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)為00∶00～12∶00的平均值，其中：FI801/802：脫鹽水/冷凝液流量；FI153A/253A/353A/453A：1#/2#/3#/4#爐產(chǎn)汽量；FI154：總輸出汽量；供熱總產(chǎn)汽量(總產(chǎn)汽量)=1#爐+2#爐+3#爐+4#爐的產(chǎn)汽量；自用汽=總產(chǎn)汽量-總輸出汽量；脫鹽水溫度：冷渣機(jī)出口溫度的平均值；冷凝液溫度：按冷凝液槽(909-F)現(xiàn)場(chǎng)溫度；管道與冷凝液站熱損失在 1℃ 以下，故未考慮熱損失。

由表1看出，U801/802自用蒸汽量為：13.68 t/h。

2)U801/802加入蒸汽量理論計(jì)算。脫氧槽的水溫為 105 ℃，根據(jù) 3.8 MPa 蒸汽減壓后的壓力及溫度，得知冷凝成 105 ℃ 水，放熱量為 2640 MJ/t。

3 除氧器的脫鹽水回收高壓甲銨洗滌器余熱流程及熱量設(shè)計(jì)

鑒于高壓調(diào)溫水有大量余熱，而冷渣機(jī)出口脫鹽水仍需加熱，將高壓調(diào)溫水余熱用于加熱鍋爐給水，可減少自用蒸汽耗量，故設(shè)計(jì)以下余熱回用流程。

1)余熱回收流程，見圖2。

圖2 尿素高壓甲銨洗滌器余熱回用流程(藍(lán)色為新增流程)

新增脫鹽水預(yù)熱器(C819)；將高壓調(diào)溫水用DN200管線送至供熱(C819)，經(jīng)冷渣機(jī)(C119/219/319/419)出口脫鹽水冷卻后，再送回高壓調(diào)溫水系統(tǒng)；在回水管新增(902-JA/JB)，提供輸送動(dòng)力，同時(shí)增設(shè)冷凝液充液管，用于充液投用。

2)回收熱量設(shè)計(jì)

設(shè)：高壓調(diào)溫水溫度為 102 ℃，出冷渣機(jī)(C119/219/319/419)脫鹽水溫度為 41 ℃，冷渣機(jī)出口脫鹽水溫度提高 50 ℃。設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)平衡圖見圖3。

圖3 設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)平衡圖

4 回收項(xiàng)目可行性分析

4.1 項(xiàng)目實(shí)施后高壓甲銨洗滌器結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)分析

經(jīng)分析，高壓甲銨洗滌器結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)不會(huì)增加，分析如下：

1)在圖3中，新增預(yù)熱器(C819)傳熱系數(shù)K=1087.8 MJ/℃；該傳熱系數(shù)隨脫鹽水流量的變化非常小，以下視其不變。

2)調(diào)溫水、脫鹽水的比熱以下均取4.2 MJ/(t·℃)，脫鹽水溫度取 25 ℃。

3)新增預(yù)熱器(C819)進(jìn)口溫度為t2，出口溫度為t1，調(diào)溫水進(jìn)口溫度為T1，出口溫度為T2，對(duì)數(shù)平均溫差為Tm=(ΔT1-ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)[2]。

4)調(diào)溫水的流量按 166.7 t/h 進(jìn)行分析。

4.1.1 新增預(yù)熱器(C819)脫鹽水突然增大時(shí)，高壓調(diào)溫水溫度變化

若脫鹽水量突然增加 20 t/h，根據(jù)能量守恒定律，用試差法求出：t1=85.9 ℃；T2=67.7 ℃。

新增預(yù)熱器(C819)出口調(diào)溫水從 72 ℃ 降至 67.7 ℃，即：進(jìn)C819溫度下降 2.7 ℃，出C819回水溫度將降下 4.3 ℃。數(shù)據(jù)平衡圖見圖4。

圖4 脫鹽水突然增大數(shù)據(jù)平衡圖

從歷史數(shù)據(jù)來(lái)看，增加 20 t/h 脫鹽水的影響要小得多，僅 2.6 ℃。

4.1.2 冷渣機(jī)突然停運(yùn)，新增預(yù)熱器(C819)出口高壓調(diào)溫水溫度情況

若遇兩臺(tái)冷渣機(jī)同時(shí)停運(yùn)時(shí)，每臺(tái)冷渣機(jī)脫鹽水量均按 25 t/h 考慮，脫鹽水進(jìn)冷渣機(jī)的溫度取 25 ℃。根據(jù)能量守恒定律，用試差法求出：t1=89.6 ℃；T2=68 ℃。

新增預(yù)熱器(C819)出口調(diào)溫水從 72 ℃ 降至 68 ℃，即：兩臺(tái)冷渣機(jī)突然停運(yùn)，出C819溫度TI-806下降 4.0 ℃。該溫降小于冷渣機(jī)脫鹽水突然增大 20 t/h 的溫度變化。見圖5。

圖5 兩臺(tái)冷渣機(jī)跳車數(shù)據(jù)平衡圖

同理：3臺(tái)冷渣機(jī)突然停運(yùn)，出新增脫鹽水預(yù)熱器(C819)高壓調(diào)溫水溫度將降低 5.9 ℃；4臺(tái)冷渣機(jī)突然停運(yùn)，出C819高壓調(diào)溫水溫度將降低 7.9 ℃，在該情況下尿素裝置停運(yùn)新增循環(huán)泵902-JA。

4.1.3 高壓甲銨洗滌器內(nèi)介質(zhì)結(jié)晶溫度點(diǎn)

203-C出液設(shè)計(jì)組分：氨42.26%，二氧化碳39.9%，水17.82%。在相圖中，結(jié)晶溫度約 93 ℃，NH3-CO2-H2O結(jié)晶溫度[3]見圖6。

4.1.4 新增預(yù)熱器(C819)出口高壓調(diào)溫水溫度降低后，203-C進(jìn)口高壓調(diào)溫水溫度變化情況

1)系統(tǒng)在低負(fù)荷(FY210：31000 m3/h)時(shí)，高調(diào)水冷卻器(902C)出口溫度變化情況。

①項(xiàng)目實(shí)施前高調(diào)水冷卻器(902C)低負(fù)荷下?lián)Q熱數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)見圖7。

圖7 實(shí)測(cè)低負(fù)荷數(shù)據(jù)平衡圖

從2013年4月數(shù)據(jù)看出，高壓調(diào)溫水冷卻器(902C)出口溫度非常接近循環(huán)水溫度。

②項(xiàng)目實(shí)施后低負(fù)荷下高調(diào)水冷卻器(902C)換熱分析，數(shù)據(jù)見圖8。

圖8 實(shí)施后低負(fù)荷數(shù)據(jù)平衡圖

項(xiàng)目實(shí)施后，調(diào)溫水量視為不變，170 t/h 從供熱裝置回到TV207的調(diào)溫水約 76 ℃，經(jīng)高調(diào)水(902C)冷卻后，溫度必將低于高調(diào)水冷卻器(902C)出口溫度 29 ℃，但肯定高于入口循環(huán)水溫度 26 ℃，在此估計(jì)為 27 ℃。以此為依據(jù)進(jìn)行熱量平衡后，見平衡圖8。

2)系統(tǒng)在高負(fù)荷(FY210：37500 m3/h)時(shí)，冷卻器(902C)出口水溫變化情況

①項(xiàng)目實(shí)施前高調(diào)水冷卻器(902C)滿負(fù)荷換熱數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)見圖9。

圖9 實(shí)測(cè)滿負(fù)荷數(shù)據(jù)平衡圖

圖9中，溫度與流量數(shù)據(jù)收集為2013年4月。從數(shù)據(jù)看出，高調(diào)水冷卻器(902C)出口溫度非常接近循環(huán)水溫度。

②項(xiàng)目實(shí)施后滿負(fù)荷下高調(diào)水冷卻器(902C)換熱情況分析，見圖10。

圖10 實(shí)施后高負(fù)荷數(shù)據(jù)平衡圖

項(xiàng)目實(shí)施后，調(diào)溫水總量視為不變，170 t/h 從供熱裝置回到TV207的調(diào)溫水為 73.5 ℃。故經(jīng)高調(diào)水冷卻器(902C)冷卻后，溫度必將低于出口溫度(33 ℃)，但肯定高于入口循環(huán)水溫度(27.5 ℃)，在此估計(jì)為 30 ℃。見平衡圖10。

3)203-C進(jìn)口高壓調(diào)溫水溫度變化情況

從上述不同負(fù)荷下，實(shí)施后數(shù)據(jù)看出，高調(diào)水冷卻器(902C)出口溫度將非常接近循環(huán)水進(jìn)口溫度。

高調(diào)水冷卻器(902C)出口溫度視為不變，則供熱回尿素調(diào)溫水溫度變化產(chǎn)生的影響，只會(huì)體現(xiàn)在從FV206流走的那部分水量上。以 31.3 t/h 計(jì)算，則高壓甲銨洗滌器(203-C)進(jìn)口溫度會(huì)降低 0.28 ℃。

因203-C換熱面積不夠，工藝設(shè)計(jì)中只有增加高壓甲銨洗滌器傳熱溫差，使得當(dāng)前高壓甲銨洗滌器進(jìn)口調(diào)溫水溫度(最低 80 ℃)低于高壓甲銨洗滌器介質(zhì)結(jié)晶溫度(93 ℃ 左右，見4.1.3部分)。目前，出口甲銨液溫度高達(dá) 165 ℃，說(shuō)明在當(dāng)前的溫度范圍內(nèi)，高壓甲銨洗滌器是很難出現(xiàn)結(jié)晶事故。

同時(shí)，若TI806出現(xiàn)大幅度下降，尿素主控將提前 11 min 知曉(調(diào)溫水流速 1.5 m/s，供熱至尿素管道長(zhǎng) 1000 m)，操作人員可以及時(shí)提高調(diào)溫水溫度，不會(huì)導(dǎo)致高壓甲銨洗滌器結(jié)晶。

4.2 項(xiàng)目實(shí)施后調(diào)溫水系統(tǒng)抗壓力波動(dòng)能力分析

分析項(xiàng)目實(shí)施后，最大溫度變化時(shí)引起調(diào)溫水體積變化的情況。

4.2.1 高壓調(diào)溫水系統(tǒng)容量

正因如此，黨的十八屆三中全會(huì)通過(guò)的《中共中央關(guān)于全面深化改革若干重大問(wèn)題的決定》提出“堅(jiān)持用制度管權(quán)管事管人，讓人民監(jiān)督權(quán)力，讓權(quán)力在陽(yáng)光下運(yùn)行，是把權(quán)力關(guān)進(jìn)制度籠子的根本之策”的同時(shí)，進(jìn)一步明確指示，“必須構(gòu)建決策科學(xué)、執(zhí)行堅(jiān)決、監(jiān)督有力的權(quán)力運(yùn)行體系，健全懲治和預(yù)防腐敗體系”，才能建設(shè)廉潔政治，實(shí)現(xiàn)干部清正、政府清廉、政治清明的目標(biāo)［35］。

目前，高調(diào)溫水管道為DN250，長(zhǎng)度約 250 m，容積為 12.3 m3，設(shè)備水側(cè)容積估計(jì)為 4 m3，即調(diào)溫水總?cè)萘繛?16.3 m3。

改造后，新增加管道為DN200，長(zhǎng)度 2000 m，管道容積為 62.8 m3，新增脫鹽水預(yù)熱器(C819)調(diào)溫水側(cè)容積估計(jì)為 1 m3，改造后總?cè)萘繛?80.1 m3。

4.2.2 增減新增脫鹽水預(yù)熱器(C819)脫鹽水量對(duì)高壓調(diào)溫水系統(tǒng)壓力的影響

根據(jù)4.1.2條的分析，若3臺(tái)冷渣機(jī)突然停運(yùn)，會(huì)使TI806從 72 ℃ 下降至 66.1 ℃，分析此時(shí)體積的變化。

新增預(yù)熱器(C819)處調(diào)溫水壓力為 1.0 MPa，溫度 72 ℃ 時(shí)，比容為 0.0010235 m3/kg，質(zhì)量流量為 46.306 kg/s，流量為 0.047394 m3/s；溫度為 66.1 ℃ 時(shí)，在此忽略壓力變化對(duì)比容影響，比容為 0.0010200 m3/kg，質(zhì)量流量視為不變，即 46.306 kg/s，體積流量為 0.047232 m3/s；則調(diào)溫水體積減少的速率為：

0.047394-0.047232=16.19×10-5m3/s=0.583 m3/h

即高壓調(diào)溫水的體積將會(huì)以 0.583 m3/h 的速率縮小，使系統(tǒng)壓力下降。而現(xiàn)有高壓調(diào)溫水恒壓泵最大打量為 1.47 m3/h，調(diào)溫水壓力調(diào)節(jié)閥PV209流量為 1.85 m3/h，可見調(diào)溫水的恒壓裝置完全有能力平衡新增脫鹽水預(yù)熱器(C819)處引起的壓力波動(dòng)；改造后比現(xiàn)在大4倍的高壓調(diào)溫水系統(tǒng)容量，也會(huì)對(duì)壓力波動(dòng)起到顯著的緩沖作用。

4.3 項(xiàng)目實(shí)施操作可行性分析

4.3.1 供熱裝置操作及應(yīng)急處理

1)供熱界內(nèi)新增的管道設(shè)備，為冷渣機(jī)脫鹽水送至脫氧槽提供了另一條流程。投用新流程后，即使尿素高壓調(diào)溫水突然中斷，供熱裝置也可以不切除新增預(yù)熱器(C819)而保持正常運(yùn)行，只有少數(shù)特定情況下(比如檢修C819)才需要切除C819；若發(fā)生泄漏，調(diào)溫水壓力較高，其水質(zhì)本身為蒸汽冷凝液，不會(huì)影響供熱蒸汽品質(zhì)。總體來(lái)說(shuō)，操作上簡(jiǎn)單又安全。

2)正常運(yùn)行中，LIC801B保持關(guān)閉狀態(tài)。用LIC801A、LIC802調(diào)整脫氧槽液位，并盡可能平穩(wěn)，不要使新增脫鹽水量變化過(guò)快。

3)遇到脫氧槽突然需要大量增加脫鹽水的情況，應(yīng)先開LIC801B來(lái)調(diào)整，穩(wěn)定脫氧槽液位后，再逐步關(guān)閉LIC801B，開大LIC801A或LIC802。

4)供熱在大幅度調(diào)節(jié)新增脫鹽水預(yù)熱器(C819)脫鹽水量前，必須通知尿素主控。

5)若尿素裝置因故切除高壓調(diào)溫水，供熱主控及時(shí)調(diào)節(jié)脫氧槽加熱蒸汽即可。

6)若供熱四臺(tái)冷渣機(jī)均停運(yùn)，則立即停新增循環(huán)泵902-JA。

4.3.2 尿素操作及應(yīng)急處理

1)尿素投用技改后，正常運(yùn)行中應(yīng)將TIC207自控，使調(diào)溫水溫度自動(dòng)保持穩(wěn)定。

2)若TI806出現(xiàn)大幅降低或升高，TDI206將報(bào)警，尿素主控應(yīng)及時(shí)根據(jù)TI806的變化情況，手動(dòng)調(diào)節(jié)TIC207，保持高壓甲銨洗滌器進(jìn)口調(diào)溫水溫度穩(wěn)定。根據(jù)設(shè)計(jì)流速 1.5 m/s，調(diào)溫水從供熱新增預(yù)熱器(C819)回到尿素裝置需要約 11 min，操作人員有足夠的時(shí)間提前進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3)正常停車時(shí)，提前緩慢切斷至供熱調(diào)溫水，并通知供熱主控。

4)若循環(huán)泵902-JA跳車，尿素主控通知供熱主控，并將調(diào)溫水溫度調(diào)節(jié)穩(wěn)定，之后再重新投用該流程。

5)若供熱4臺(tái)冷渣機(jī)均停運(yùn)，則立即停循環(huán)泵902-JA。

5 實(shí)施后效益計(jì)算

設(shè)備投資費(fèi)用約95萬(wàn)元，另外每年需要約10萬(wàn)元的設(shè)備運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，設(shè)備安裝調(diào)試費(fèi)用以25萬(wàn)元估算，按10年回收投資，則成本為：

成本=(95+25)÷10年+10/年=22萬(wàn)/年

脫鹽水吸收的熱量折合 3.8 MPa 蒸汽為 8 t/h，蒸汽按120元/t計(jì)算，則有：

經(jīng)濟(jì)效益=8 t/h×7000 h/年×120元/t-22萬(wàn)/年=650萬(wàn)/年

另外，回收的熱量折合標(biāo)煤 5072 t/a，對(duì)減排二氧化碳有較大貢獻(xiàn)。調(diào)溫水熱能進(jìn)入尿素循環(huán)水的量減少了約一半，減輕了涼水塔的熱負(fù)荷，減少對(duì)環(huán)境熱輻射污染。