合成氨装置乏汽热能利用探讨

张丽香

摘要：针对化工装置运行过程中存在的乏汽排放问题，探讨了乏汽热能的利用方法。提出了利用新型乏汽热能装置解决乏汽排放的途径、热能利用的场所，以实现在确保安全生产前提下的乏汽热能的充分利用。

关键词：乏汽；热能利用；途径

中图分类号：TE646 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2014）04-0310-03

1、引言

目前，中国的现代化建设正在面临来自资源供应方面的严重制约，而对自然资源无节制的消耗、浪费和破坏，正在使我们的现代化建设滑向不可持续的边缘，不仅现代化建设难以持续，人类的生存也将发生危机。

节能降耗已经成为关系到国民经济安全、国际市场竞争能力、资源保护和环境保护等社会经济可持续发展的重大问题。党的十七大明确指出：“资源开发与节约并举，把节约放在首位，提高资源利用效率。”“节能减排、保护环境”已经成为中国当前的重要国策。

2、问题的提出

化工装置，特别是化肥装置要消耗大量蒸汽和水，用以满足生产过程化学反应所需热量和化学过程。尽管设计考虑了热平衡、水平衡、蒸汽平衡和蒸汽等级利用，在实际生产中，由于生产工艺、生产负荷、原料成分和设计余量等综合因素，除氧器、一段转化炉必须排放无压蒸汽，综合排放在系统压力不平衡时也要排放多余的蒸汽。根据经验估算，每台除氧器排汽量约2.0t/h；每台一段转化炉冷却夹套排汽量约1.5t/h；生产运行正常时每台综合排放口排汽量约1.5t/h；如生产运行不正常时每台综合排放口排汽量可达到10t/h以上。

上述排放蒸汽有如下特点。

除氧器排放的蒸汽压力低，温度接近100℃，且含有部分氧气，既不利于远送，也不能直接密闭凝结利用，目前绝大多数工厂只好直接排放。

一段转化炉排放的蒸汽，由于夹套是常压设备，除蒸汽压力低，温度接近100℃外，在利用时绝对不允许产生背压。

综合低压蒸汽排放点排放的蒸汽，蒸汽压力时高时低，流量忽大忽小，没有办法正常稳定运行。3解决的路径

低压蒸汽利用是当前社会节能减排的重要课题，归纳有如下方法。

（1）如果低压蒸汽压力在1.0～0.3MPa之间，流量稳定的低压蒸汽可以用低压透平或螺杆发电，虽然效率较低，但能回收部分能量。

（2）如果低压蒸汽压力在0.3MPa之下，就只好采用乏汽热能回用，将乏汽的热量二次利用，或直接回输到生产系统，节约新蒸汽或燃料；或外输作为生活利用、供暖、洗澡等。

合成氨装置排放的蒸汽无法用于发电，但可进行热能的综合利用。

4、乏汽热能回收方法

乏汽热能回收利用是近年发展的新技术，比较成熟的方法有两种：负压射水抽吸法和空间直混法。

负压射水抽吸法原理如下。

从射水泵来的具有一定压力的工作水经水室进入喷嘴，喷嘴将压力水的压力能转变为速度能，水流高速从喷嘴射出，使空气吸入室内产生高度真空，抽出排放装置的排汽，一起进入扩散管，水流速度减慢，压力逐渐升高，最后略高于大气压力排至扩散管。

负压射水抽吸法优点：设备体积小；启动性好，无需另配辅抽；寿命长，抽吸内效率不受运行时间影响，检修间隔期长；对工作水所含杂质的质量、浓度及体积浓度要求低。

负压射水抽吸法缺点：射水抽吸器在故障状态时，气相通道很小，需要在装置中增加压力释放阀。如果原排汽装置允许的背压很低，就要求压力传感器精度很高，但是在长期运行中，传感器的精度会下降，这就有可能导致原排汽装置憋压，对安全生产造成影响，不适合汽量和水压变化较大场合。

空间直混法原理如下。

一定压力的水在混合器混合腔内与蒸汽垂直流动空间接触混合。

空间直混法优点：所有排汽管道不需缩径，在蒸汽量大幅波动时，多余蒸汽可通过常压排放口直接排大气。不会导致原排汽装置憋压，做到本质安全。

空间直混法缺点：设备体积略大于负压射水抽吸法。

4.1 合成氨装置乏汽热能回收工艺、设备的选型要求

（1）安全可靠性要高。运行中不管系统蒸汽压力、流量如何变化，都不需切换操作。同时可方便地实现多个排汽点合用一套回收装置。绝对保证在任何时候不会影响排汽设备的安全运行。

（2）操作简单。由于乏汽节能在生产运行中不像主系统那样重视，所以要求操作简单，操作调整越少越好。能实现自动控制的要全部实现自动控制。

（3）蒸汽热能利用充分，不产生二次污染。

4.2 选用的工艺流程

4.2.1 工艺系统

工艺系统如图1。

在Ⅰ系列合成氨装置除氧器框架分析小屋西侧地面安装1台脱气贮水罐D101，上方安装汽水混合器C101，用以回收Ⅰ系列合成氨装置除氧器的排汽。在回收装置就近安装1台换热器E101，2台循环热水泵P101A/B。在工系列合成氨装置转化炉夹套排汽点31m处平台用H槽钢加固后，安装1台脱气贮水罐D102，上方安装汽水混合器C102，用以回收Ⅰ系列合成氨装置转化炉夹套的排汽。

在Ⅱ系列合成氨装置转化炉夹套排汽点31m平台用H槽钢加固后，安装1台脱气贮水罐D103，上方安装汽水混合器C103，用以回收Ⅰ系列除氧器的排汽，将转化炉夹套排汽引至脱气贮水罐C104，用以回收Ⅱ系列转化炉夹套排汽。

合成氨生产装置分一期和二期建设，两系列各有3个排汽点，排汽点距离较远，按正常回收方式，要建设6套回收装置，要增加6套设备，不但管理增加麻烦，而且占地较多，影响今后合成氨装置检修。为了方便管理，减少占地，经过优化，结合设备特点，两系列合成氨装置乏汽回收，只建1套综合乏汽热能回收装置。先在各排汽点建分部回收设备，利用Ⅱ系列地理位置高于Ⅰ系列的有利条件，和排汽点与回收装置位置高差，将热水自流回回收装置。为回收蒸汽的凝结水，装置设置了板式换热器，让回收的冷凝液与原水进行间接换热。本系统利用乏汽凝结水循环吸收蒸汽热量，吸收热量后的凝结水通过回收装置的换热器与原水进行换热，将原水加热40～45℃，在进入原水池之前再与原水进行二次混合，使进入原水池的原水水温达到30～35℃。多余的冷凝液送凝结水回收系统，达到回收热量的同时回收凝结水，实现零排放。endprint

4.2.2 回收系统流程

在工系列合成氨装置综合排放消音器框架上安装1台脱气贮水罐D104，上方安装汽水混合器C105，将Ⅱ系列合成氨装置综合排放汽引至工系列合成氨装置综合排放的排汽口，合并后进入汽水混合器C105，用以回收Ⅰ系列Ⅱ系列合成氨装置综合排放的排汽。

从换热器来冷却过的冷冷凝液，分5路，分别进入汽水混合器C101、C102、C103、C104、C105。冷冷凝液与乏汽在混合器中进行传热传质混合，C101混合后的气一水混合物直接进入脱气贮水罐D101中，C102、C103、C104、C105混合后的气一水混合物从Ⅰ系列、Ⅱ系列合成氨装置转化炉夹套排汽点31m平台脱气贮水罐（D102、D103）和工系列合成氨装置综合排放的排汽口平台脱气贮水罐D104，靠位差流进I系列合成氨装置除氧器框架分析小屋西侧地面脱气贮水罐D101，脱气贮水罐D101中气～水混合物经D101中的脱气装置，将不凝气体分离出来。不凝气体经脱气贮水罐上部的常压排放口排出。140t/h热水经热水泵加压后送至E101换热器。从原水母管引来10℃ 140t/h原水进换热器，热水与原水进行热交换。热水冷却到40～45℃，原水加热到45～50℃。冷却的热水回到C101、C102、C103、C104混合器，再吸收乏汽热量，多余的10t/h蒸汽冷凝液由控制阀控制送脱盐水装置冷凝水收集系统冷却后进混床。

4.2.3 乏汽回收技术参数计算

设乏汽混合后的温度为79℃，冷却后的冷冷凝水为40℃，原水温度10℃，出换热器原水温度49℃。乏汽量为10t/h，蒸汽压力为O.002MPa，温度105℃，焓值为2683.4kJ/kg（642kcal/kg）：

需吸收水量X=（642×10-790）/39=144t/h。

换热器需原水冷水量Y=154×（79-40）/（49-10）=154t/h。

5、设备选型

本次采用的乏汽热能回收装置为南京兆泉科技公司空间直混法专利。整套回收装置由4个功能件组成，包括：水汽混合器、脱气贮水罐、安全排放口、自动控制系统。

5.1 高效水汽混合器

回收效率高，可在瞬间将乏汽和冷却水均匀分布至混合器腔内各部分，乏汽中的热能瞬间完全传递给水，并以水气混合物的形式进入脱气贮水罐；实现了乏汽中热能与水的完全回收。在水汽混合器的结构上特别考虑了排放蒸汽汽量不稳定时能保证排放安全问题，采取了特别措施。

混合器是能量回收装置的核心设备，其设备全部为不锈钢制造，其侧面为蒸汽人口，顶部为冷凝结水人口，上部为混合腔，水和蒸汽在混合腔内进行空间混合。下部为水汽辅助混合段（图2）。

5.2 脱气贮水罐

上部是蒸汽安全通道和分离的不凝气体释放腔，中部为不凝气体分离设备部分和二次蒸汽吸收部分，下部为贮水罐。

顶部安装水汽混合器和安全排放口，便于蒸汽量大或冷水中断时安全、无背压排放蒸汽。下部为热水出口，溢流口，排放口。侧面装液位计。

从水汽混合器出口的水一气混合物，经不凝气体分离设备，实现完全的气水分离，不凝气体通过脱气贮水罐上的常压排放管排放。热水垂直进入贮水罐。贮水罐的二次蒸汽经二次吸收后再次进入贮水罐，保证了无二次蒸汽冒汽（图3）。

5.3 安全排放口

由安全蒸汽排放管和罐内热水高位溢流管组成，保障了在正常工作状态，进气异常、来水不正常、突然停电等各种非正常工况原系统运行毫无影响。

5.4 自动控制系统

采用自动控制调整贮水罐水位，保证脱气贮水罐水位正常运行。在水位超高、超低时联锁快速切断进水，确保水位处于控制状态。

工作过程如下。

将排放蒸汽按原管径接至混合器，排放蒸汽进入混合器后，与冷水在混合器中进行直接混合，蒸汽被冷凝成气一水混合物。气一水混合物进入脱气贮水罐上方的脱气装置，分离不凝气体。不凝气体通过与原排放蒸汽管径相同的常压排放口排大气，热水进入脱气贮水罐，通过加压泵送用户。

正常运行时，先转移蒸汽排放，关闭原乏汽排汽阀门，排汽经汽水混合器的不凝气体排放管排入大气，此时运行和现在一样，加入冷水就可以实现回收能量。

6、效益分析（按市场价格理论计算）

6.1 回收蒸汽经济效益

设备年运行时间为7200h；蒸汽价格100元/t；电0.32元/kW·h；凝结水价格12元/t。经济效益如表2。

6.2 环境效益

实现清洁生产，现场不再有二次蒸汽的排放，消除了厂区热污染和二次汽排放发出噪音。

6.3 社会间接效益

回收1.0t/h的乏汽，即可年回收乏汽7000～8000t，节省混合煤（4500～5000kcal/kg）1200～1300t/年。有利于改善企业清洁文明生产环境。

7、结语

合成氨装置乏汽热能的回收利用技术上可靠，经济上可行，如有合理的热能使用方向是很好的节能途径。endprint