氨水再循環(huán)系統(tǒng)中的材料選擇與耐久性分析

＊吳道興 聶志強(qiáng) 黃保光

（神華巴彥淖爾能源有限責(zé)任公司 內(nèi)蒙古 015300）

引言

氨水再循環(huán)系統(tǒng)中的材料選擇與耐久性分析是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行的重要問題，因?yàn)樵撓到y(tǒng)中的材料不僅要承受高溫和腐蝕等惡劣條件，還要保證系統(tǒng)的安全性和可靠性[1]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于氨水再循環(huán)系統(tǒng)中的材料選擇與耐久性分析的研究主要根據(jù)不同部件的工作條件和功能，選擇合適的金屬或非金屬材料；考慮氨水溶液對(duì)材料的腐蝕機(jī)理和影響因素。盡管已經(jīng)取得了一些研究成果，但是氨水再循環(huán)系統(tǒng)中的材料選擇與耐久性分析仍然存在一些問題和挑戰(zhàn)，缺乏對(duì)于不同工況下氨水溶液對(duì)材料腐蝕行為的深入理解和預(yù)測(cè)模型、對(duì)于不同材料之間界面相容性和耦合效應(yīng)的考慮和分析。因此，有必要進(jìn)一步開展氨水再循環(huán)系統(tǒng)中的材料選擇與耐久性分析方面的研究，以提高該系統(tǒng)的技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)效益。

1.氨水再循環(huán)系統(tǒng)中材料選擇的重要性

氨水再循環(huán)系統(tǒng)，通常簡(jiǎn)稱為NH3-H2O系統(tǒng)，是一種熱力循環(huán)系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于制冷、供熱和廢水處理等多個(gè)領(lǐng)域[2]。其核心特性在于利用氨氣（NH3）和水（H2O）的混合物來實(shí)現(xiàn)熱能的傳遞和轉(zhuǎn)化[3]。材料選擇在氨水再循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行中具有至關(guān)重要的地位。這一過程不僅關(guān)系到系統(tǒng)的性能和效率，還直接影響到系統(tǒng)的可靠性、安全性及整體成本。

正確選擇材料可以確保系統(tǒng)在長(zhǎng)期運(yùn)行中具備出色的耐久性[4]。氨水再循環(huán)系統(tǒng)通常在各種環(huán)境條件下工作，可能會(huì)遇到高溫、高壓、腐蝕性物質(zhì)等不利因素。如果所選材料無法承受這些挑戰(zhàn)，系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)損壞、泄漏或性能下降，從而導(dǎo)致不必要的維護(hù)和停機(jī)時(shí)間。因此，耐久性是材料選擇的首要考慮因素，應(yīng)確保所選材料能夠在系統(tǒng)的整個(gè)壽命周期內(nèi)保持穩(wěn)定性和完整性。材料選擇對(duì)系統(tǒng)的性能和效率有直接影響。不同材料的導(dǎo)熱性、熱膨脹系數(shù)、耐磨性等特性各不相同，這些特性將影響到系統(tǒng)的熱傳導(dǎo)、能量轉(zhuǎn)換效率和流體動(dòng)力學(xué)性能。通過選擇合適的材料，可以最大程度地提高系統(tǒng)的性能，減少能源消耗，并降低運(yùn)行成本。

材料選擇還涉及到環(huán)保和持續(xù)性考慮[5]。隨著對(duì)環(huán)境友好和可持續(xù)發(fā)展的日益重視，選擇符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的材料變得尤為重要。這包括材料的可回收性、可再利用性及對(duì)環(huán)境的潛在影響。正確的材料選擇可以有助于減少系統(tǒng)的環(huán)境足跡，符合可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。材料選擇還與安全性直接相關(guān)。氨水再循環(huán)系統(tǒng)通常包含高壓和高溫的工作環(huán)境，如果所選材料不具備足夠的強(qiáng)度和耐高壓能力，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的泄漏或破裂，帶來潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，為確保系統(tǒng)的安全性，必須謹(jǐn)慎選擇符合規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的材料。

2.氨水再循環(huán)系統(tǒng)中的材料選擇分析

(1)常用材料的優(yōu)缺點(diǎn)分析

在氨水再循環(huán)系統(tǒng)的材料選擇過程中，需要綜合考慮不同材料的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，以確保滿足特定應(yīng)用和工作條件的需求。以下是一些常見的材料選項(xiàng)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)（如表1所示）。

不銹鋼是一種耐腐蝕、堅(jiān)固耐用的材料，適用于許多再循環(huán)系統(tǒng)，尤其是那些需要長(zhǎng)期使用并要求材料抗腐蝕性能的系統(tǒng)。銅合金也具有出色的抗腐蝕性，而且對(duì)于傳熱非常有效，因此在冷卻系統(tǒng)中常常得到應(yīng)用。鋁合金則常用于輕型應(yīng)用，例如散熱器和一些輕型管道系統(tǒng)。它輕巧且具有良好的導(dǎo)熱性，使得其在某些需要高效散熱的場(chǎng)合非常有用。而塑料材料通常在輕型應(yīng)用中使用，它們輕便、易于加工，但通常不適合高溫或高壓環(huán)境。因此，它們常見于一些水循環(huán)系統(tǒng)的次要組件，如管道連接、閥門等?？傊?，以上所述的材料在水再循環(huán)系統(tǒng)中具有各自的特點(diǎn)和適用性。選擇合適的材料取決于具體的應(yīng)用需求，包括環(huán)境條件、使用壽命和性能要求等因素。綜合考慮這些因素，可以為水再循環(huán)系統(tǒng)選擇最合適的材料以確保其穩(wěn)定性。

(2)選擇氨水再循環(huán)系統(tǒng)材料的方法和注意事項(xiàng)

選擇氨水再循環(huán)系統(tǒng)的材料是一個(gè)關(guān)鍵性決策，因?yàn)檫@將直接影響系統(tǒng)的性能。在做出這個(gè)決策時(shí)，需要考慮多個(gè)因素，并采取一系列方法和注意事項(xiàng)來確保系統(tǒng)的成功運(yùn)行。

相容性考慮：氨水（NH3水溶液）在高濃度下具有強(qiáng)腐蝕性，因此必須選擇能夠抵抗其侵蝕的材料。不銹鋼、鎳基合金和玻璃鋼通常被選為首選材料，因?yàn)樗鼈儽憩F(xiàn)出出色的耐腐蝕性。不銹鋼（如304或316不銹鋼）對(duì)氨水的腐蝕性較低，同時(shí)在許多工業(yè)應(yīng)用中也廣泛使用。鎳基合金（如蒙乃爾合金）和玻璃鋼（如玻璃纖維增強(qiáng)塑料）在特定情況下也能提供出色的耐腐蝕性。

溫度和壓力：氨水再循環(huán)系統(tǒng)通常在相對(duì)較低的溫度和壓力下運(yùn)行。在低溫低壓條件下，聚丙烯、聚乙烯和聚四氟乙烯等塑料材料是常見選擇。這些材料能夠在低溫下維持強(qiáng)度和彈性，并且不易受到氨水的侵蝕。對(duì)于高溫高壓條件，鋼材和各種合金（如不銹鋼、鉻鉬鋼、鈷基合金等）是更合適的選擇。

可持續(xù)性：選擇可持續(xù)性材料有助于減少系統(tǒng)的環(huán)境影響。這包括考慮材料的生命周期成本和環(huán)境友好性?？稍偕牧虾突厥詹牧?，如再生塑料或回收金屬，有助于降低資源消耗。此外，使用符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的材料有助于減少?gòu)U棄物產(chǎn)生和環(huán)境污染。

3.氨水再循環(huán)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的材料分析

某焦化廠循環(huán)氨水余熱利用系統(tǒng)的項(xiàng)目旨在實(shí)現(xiàn)廢熱的高效回收和再利用，以提高能源利用效率并降低環(huán)境影響。該系統(tǒng)的核心概念是將高溫循環(huán)氨水作為寶貴的熱源，通過特制的溴化鋰吸收式制冷機(jī)組（如圖1所示），將其轉(zhuǎn)化為同時(shí)滿足化工生產(chǎn)冷量和冬季采暖需求的冷水和熱水。此外，該系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了對(duì)焦?fàn)t荒煤氣中潛在能源的回收，以達(dá)到節(jié)能減排和降低相應(yīng)熱源能耗的目標(biāo)。

圖1 溴化鋰吸收式制冷機(jī)組

(1)關(guān)鍵組件材料選擇和耐久性分析

本項(xiàng)目的氨水再循環(huán)系統(tǒng)中，關(guān)鍵組件的材料選擇是基于系統(tǒng)的工作原理和工況條件，以實(shí)現(xiàn)廢熱的高效回收和再利用，提高能源利用效率并降低環(huán)境影響。以下是對(duì)各個(gè)組件的材料選擇和耐久性分析。

蒸發(fā)器：蒸發(fā)器的材料選擇主要考慮了低溫低壓條件下的水蒸氣蒸發(fā)過程，需要具備較好的耐腐蝕性和熱傳導(dǎo)性能。因此，選用了不銹鋼或者銅合金作為材料，這些材料都能夠保證蒸發(fā)器的長(zhǎng)期運(yùn)行。此外，為了提高蒸發(fā)器的吸熱效率，并減少結(jié)霜的影響，還在蒸發(fā)器表面采用了石墨涂層來改善其性能。石墨涂層不僅具有較高的熱傳導(dǎo)性，還具有較高的耐磨性和抗氧化性，能夠延長(zhǎng)蒸發(fā)器的使用壽命。

吸收器：吸收器的材料選擇主要考慮了水蒸氣與溴化鋰溶液之間的吸收反應(yīng)過程，需要具備較好的耐腐蝕性和熱傳導(dǎo)性。因此，選用了不銹鋼或特殊合金作為材料，這些材料都能夠抵御溴化鋰溶液的腐蝕，保證吸收器的穩(wěn)定性。同時(shí)，由于吸收器內(nèi)部會(huì)釋放出大量的熱量，需要通過冷卻水或其他冷卻介質(zhì)來帶走，因此還在吸收器外壁采用了鈦合金作為材料。鈦合金具有極高的強(qiáng)度和耐腐蝕性，能夠有效地帶走吸收器內(nèi)部產(chǎn)生的熱量，防止吸收器過熱。

溴化鋰溶液泵：溴化鋰溶液泵的材料選擇主要考慮了將低濃度溶液泵送到發(fā)生器中的過程，需要具備較好的耐腐蝕性和密封性。因此，選用了不銹鋼或特殊合金作為材料，這些材料都能夠承受溴化鋰溶液的侵蝕，保證泵的可靠性。同時(shí)，為了防止泵內(nèi)部的泄漏，還在泵的密封件上采用了聚四氟乙烯作為材料。聚四氟乙烯具有優(yōu)異的耐溫性和耐化學(xué)性，能夠有效地防止泵內(nèi)部的泄漏。

發(fā)生器：發(fā)生器的材料選擇主要考慮了將溴化鋰溶液中的水蒸發(fā)出來的過程，需要具備較高的耐溫性和耐壓性。因此，選用了鎳基合金作為材料，這種材料具有極高的耐溫性和耐壓性，能夠在高溫高壓條件下保持穩(wěn)定。同時(shí)，由于溶液中可能存在一些腐蝕性物質(zhì)，還需要注意發(fā)生器的耐腐蝕性。鎳基合金還具有較好的耐腐蝕性和抗氧化性，能夠抵御溶液中可能存在的腐蝕性物質(zhì)。

冷凝器：冷凝器的材料選擇主要考慮了水蒸汽的冷卻和凝結(jié)過程，需要具備較高的耐溫性和耐壓性。因此，選用了不銹鋼或特殊合金作為材料，這些材料都具有較高的耐溫性和耐壓性，能夠在高溫高壓條件下保持冷凝器的完整性。同時(shí)，由于冷凝器內(nèi)部產(chǎn)生的熱量需要通過冷卻水來帶走，還需要考慮冷凝器外壁的耐腐蝕性和熱傳導(dǎo)性。因此，還在冷凝器外壁采用了銅鎳合金或者鈦合金作為材料。這些材料都具有良好的耐腐蝕性和熱傳導(dǎo)性，能夠有效地帶走冷凝器內(nèi)部產(chǎn)生的熱量，保證冷凝器的效率。

節(jié)流閥：節(jié)流閥的材料選擇主要考慮了控制液態(tài)水的壓力和溫度，使其進(jìn)入蒸發(fā)器的過程，需要具備較高的硬度和耐磨性。因此，選用了陶瓷或者硬質(zhì)合金作為閥芯材料，這些材料都具有較高的硬度和耐磨性，能夠在不斷變化的溫度和壓力條件下保持閥門的靈敏度和精確度。同時(shí)，為了防止閥門內(nèi)部的泄漏，還采用了特殊的密封結(jié)構(gòu)。

(2)效果分析

項(xiàng)目成功實(shí)現(xiàn)了焦?fàn)t氣的廢熱回收和再利用，有效提高了能源利用效率。通過充分利用循環(huán)氨水的廢熱來供應(yīng)制冷機(jī)組所需的熱能，成功回收了廢熱資源，這在一定程度上降低了噸焦的能耗。同時(shí)，這一項(xiàng)目的實(shí)施有助于降低生產(chǎn)成本。通過廢熱回收產(chǎn)生的低溫冷水滿足了工藝生產(chǎn)的需求，減少了對(duì)原有蒸汽的消耗。這不僅使生產(chǎn)成本降低，還提高了生產(chǎn)效率。最重要的是，該項(xiàng)目減少了環(huán)境污染。通過有效地回收焦?fàn)t氣的廢熱，項(xiàng)目降低了焦?fàn)t氣的排放量，從而減少了對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。這與我國(guó)的環(huán)保政策相符，同時(shí)也突顯了公司的社會(huì)責(zé)任感。

4.結(jié)語(yǔ)

在本文中，通過對(duì)常用材料的優(yōu)缺點(diǎn)分析，我們強(qiáng)調(diào)了在材料選擇方面的權(quán)衡考慮，以確保系統(tǒng)在不同工作條件下能夠穩(wěn)定運(yùn)行。氨水再循環(huán)系統(tǒng)的材料選擇與耐久性分析對(duì)于提高能源效率和環(huán)保意識(shí)具有重要意義。我們期望這項(xiàng)研究能夠?yàn)橄嚓P(guān)領(lǐng)域的決策制定者和從業(yè)者提供有用的指導(dǎo)，推動(dòng)氨水再循環(huán)系統(tǒng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)更加可持續(xù)和環(huán)保的工業(yè)生產(chǎn)。