三聚氰胺/氯化铵装置低品位蒸汽综合利用技改方案

肖 宇

(广西川化天禾钾肥有限责任公司，广西 北海 536017)

0 引 言

当前，我国在能源利用中存在着许多不合理的现象，其中最突出的是对能源没有“量材而用”，同时大量低温余热弃之不用，既造成了惊人的能源浪费，又造成了环境热污染。所以，对能源 “量材而用”及回收利用低品位热能具有重要的现实意义。

现阶段我国化工装置生产过程中热能利用率普遍偏低，且存在高质低用、低质无用的现象，不能充分、有效地实现热能的梯级利用，尤其是大量的低品位余热(如低压蒸汽及低压蒸汽冷凝液等)往往未能得到有效利用。广西川化天禾钾肥有限责任公司(简称川化天禾)优质钾肥项目(一期)包括50 kt/a三聚氰胺装置和150 kt/a氯化铵装置，生产过程中就存在低品位余热资源较多而未合理利用的现象，同时还存在部分用汽设备与蒸汽等级匹配不合理的问题。为此，川化天禾通过对三聚氰胺/氯化铵装置热能利用情况进行统计分析，计划实施相应的技改(目前本技改项目已进入可研阶段)，以使生产系统在热能供需上尽量做到能级匹配、温度对口、梯级利用，相信本技改项目实施后，不仅能给企业带来一定的经济效益，而且对企业的节能减排和后续发展亦有深远的意义。

1 三聚氰胺/氯化铵装置蒸汽系统简介

1.1 三聚氰胺/氯化铵装置蒸汽系统简况

川化天禾三聚氰胺/氯化铵装置蒸汽系统管网分为高压(2.2 MPa、219 ℃)、中压(1.0 MPa、184 ℃)、低压(0.45 MPa、155 ℃)3个压力等级。高压蒸汽为三聚氰胺装置的副产蒸汽，分别由熔盐供热工序高温烟气和热气冷却工序高温工艺气换热副产，共副产高压蒸汽6 t/h；中压蒸汽分为两部分，一部分是由副产的高压蒸汽经调节阀(PV1001)减压产生，另一部分由园区1.0 MPa蒸汽管网提供；低压蒸汽则由中压蒸汽管网经调节阀(PV1002)减压而来。目前，三聚氰胺/氯化铵装置蒸汽用户共有6个，蒸汽用量共计22 t/h；其中，低压蒸汽用户4个、蒸汽用量17 t/h(尿素熔融系统蒸汽用量6 t/h、液氨蒸发加热器蒸汽用量1.5 t/h、系统夹套及伴热蒸汽用量3.5 t/h、氯化铵装置一效浓缩加热器蒸汽用量6 t/h)，中压蒸汽用户(氮气加热器)1个、蒸汽用量1 t/h，高压蒸汽用户(氯化铵干燥系统)1个、蒸汽用量4 t/h。总之，三聚氰胺/氯化铵装置正常生产时副产高压蒸汽6 t/h，而2套装置高压、中压、低压蒸汽用量合计22 t/h，需外购园区1.0 MPa蒸汽16 t/h。

1.2 氯化铵装置一效浓缩加热器用汽状况

川化天禾150 kt/a氯化铵装置双效浓缩工序主要是对氯化铵离心母液进行蒸发提浓：氯化铵离心母液首先送入二效浓缩分离罐，罐内母液通过二效循环泵经二效浓缩加热器建立循环，二效浓缩加热器的加热蒸汽为一效浓缩分离罐产生的二次蒸汽，经二效浓缩加热器预热后的母液进入一效浓缩分离罐，罐内母液通过一效循环泵经一效浓缩加热器建立循环，一效浓缩加热器的加热蒸汽为0.45 MPa蒸汽经调节阀(TV3401)减压形成的0.2 MPa蒸汽，蒸汽用量为6 t/h。

1.3 三聚氰胺装置副产低品位蒸汽简况

2 低品位蒸汽综合利用的必要性及可行性分析

2.1 必要性分析

2.1.1减少外购蒸汽量，降低生产成本

目前，三聚氰胺/氯化铵装置所用1.0 MPa蒸汽由园区提供，1.0 MPa蒸汽的结算价格约为250元/t，正常生产时需外购园区1.0 MPa蒸汽16 t/h，按年运行7 200 h计算，每年外购园区蒸汽量约为115.2 kt，外购蒸汽费用约为2 880万元。若将三聚氰胺装置副产的低品位蒸汽加以利用，通过市场调研与测算，新增蒸汽管道和蒸汽压缩机的购置费、安装工程费、建筑工程费以及其他基建费用约850万元，新增蒸汽压缩机回收利用副产低品位蒸汽的生产成本约100元/t，抵扣掉每年新增的生产成本约720万元后，年可减少蒸汽费用2 160万元。

2.1.2提升装置运行的稳定性

目前园区外售蒸汽的企业只有一家，川化天禾没有选择权，在遇到园区蒸汽管道维修、恶劣天气、煤炭价格波动等情况时就会限汽，造成装置减负荷生产，而三聚氰胺装置副产低品位蒸汽回收利用后，可有效避免外界不稳定因素对装置生产的影响。

2.1.3响应国家“双碳”政策

2021年4月举行的中国能源“金三角”“十四五”区域协同发展论坛上，中国工程院院士谢克昌表示：“相比拓展二氧化碳资源化利用途径，节能提效才是实现‘碳达峰、碳中和’的第一优选”，“要科学研究二氧化碳过量排放问题的系统性解决方案，包括循环和资源化利用的‘顺治’，而不是简单粗暴地封存‘逆治’”。谢克昌院士认为，实现目标的技术路径有优劣之分，优劣顺序依次为：节能提效>降低碳排放强度>增加低碳能源和减少高碳能源>通过植树造林强化自然碳汇>二氧化碳捕集、封存和利用。

今年其他弟子运气并不好，也只余下他们三个来做第七试了，可为什么忽然改换到明天呢？太阳才刚刚偏西，离西北方向的终南诸峰尚远。三人百思不得其解，也只能辞别宇晴师父，回来小心准备。三人收了曲风送来的莲子，将宋歌生捞的白鱼去喂了小鲲，闷闷地晚饭，直到晚饭后被宇晴寻到，一路乘鲲来到这摘星楼上。

谢克昌院士称，2020年我国非化石能源占一次能源消费的比重为15.8%，在84.2%的化石能源消费中，煤炭消费占比56.8%。据中国工程院的战略研究，到2030年，我国煤炭消费比重仍将在50%左右，依然是主体能源。此外，我国还面临能源利用效率偏低的现实问题，单位GDP能耗是世界平均水平的1.4～1.5倍。谢克昌院士讲到，若我国单位GDP能耗能达到世界平均水平，每年可少用13×108t标准煤、减排34×108t二氧化碳，约为我国2020年碳排放总量的1/3，因此，相较于拓展二氧化碳资源化利用途径，节能提效才是实现“碳达峰、碳中和”的第一优选。

如谢克昌院士所言，我国煤炭消耗占能源消耗比重由目前的56.8%减至2030年预计的50%的过程中，煤炭依然是能源消耗主体，而蒸汽(用于发电及工业装置等)是煤炭消耗的主要产物，因此，提升蒸汽利用效率和对蒸汽系统节能提效应是我国实现“双碳”目标的重要途径，尤其是对于耗汽量巨大的化工行业而言，蒸汽系统节能提效的意义重大。

2.2 可行性分析

50 kt/a三聚氰胺装置尿洗塔三段换热器副产0.1～0.2 MPa低品位蒸汽约20 t/h，其中，三段换热器上段副产蒸汽压力0.2 MPa、温度133 ℃、流量7 t/h，中、下段副产蒸汽压力0.10～0.15 MPa、温度120～127 ℃、流量13 t/h，副产低品位蒸汽全部进入空气冷却器与空气换热，热能排入大气，造成极大的能源浪费。而与此同时，150 kt/a氯化铵装置双效浓缩工序氯化铵母液浓缩需用0.2 MPa的加热蒸汽6 t/h，该蒸汽为0.45 MPa压力等级的蒸汽减压而来，氯化铵母液浓缩需用加热蒸汽的压力等级刚好与三聚氰胺装置尿洗塔换热器上段副产低品位蒸汽压力吻合，完全可以直接使用，换言之，三聚氰胺装置副产的低品位蒸汽具备回收利用的条件；而且，通过市场调研得知，目前成熟的国产蒸汽压缩机已经成功应用于三聚氰胺生产领域，可采用蒸汽压缩机升压技术将三聚氰胺装置尿洗塔三段换热器中、下段低品位蒸汽升压至满足工艺要求后供各蒸汽用户使用。另外，三聚氰胺装置和氯化铵装置具备增设蒸汽压缩机及新增配管所需的条件，包括场地、相关配套设施、公用工程等资源，均能满足建设需求。

3 副产低品位蒸汽综合利用技改方案

3.1 技改方案具体内容

三聚氰胺装置尿洗塔换热器分为上、中、下三段，据上、中、下三段换热器副产低品位蒸汽的参数，计划将上段与中、下段副产蒸汽分为两部分进行综合利用，技改后三聚氰胺/氯化铵装置蒸汽系统供需平衡示意见图1(虚线为新增设备及管线)。

图1 技改后三聚氰胺/氯化胺装置蒸汽系统供需平衡示意图

3.1.1尿洗塔换热器上段副产蒸汽利用方案

因三聚氰胺装置尿洗塔换热器上段副产蒸汽参数与氯化铵装置双效浓缩工序一效浓缩加热器所需蒸汽参数吻合，故可直接从三聚氰胺装置尿洗塔换热器上段副产蒸汽气相管道压力调节阀(PV0203)前引出1条管线，接至氯化铵装置双效浓缩工序一效浓缩加热器原蒸汽调节阀(TV3401)后管线上，正常生产时，关闭原0.45 MPa蒸汽管线调节阀(TV3401)，利用尿洗塔上段气相管压力调节阀(PV0203)将副产蒸汽压力自动控制在0.2 MPa，副产蒸汽通过新增管线送往氯化铵装置一效浓缩加热器，蒸汽流量通过新增调节阀(HV3401)调节，副产蒸汽量不足时，可适当开启原0.45 MPa蒸汽调节阀(TV3401)补入蒸汽，满足正常生产所需。

3.1.2尿洗塔换热器中、下段副产蒸汽利用方案

从三聚氰胺装置尿洗塔三段换热器副产蒸汽气相总管上引出1条管线，将尿洗塔换热器中、下段副产的0.10～0.15 MPa蒸汽约10 t/h送入新增的蒸汽压缩机升压至0.45 MPa，之后再通过新增管线将蒸汽引至蒸汽闪蒸罐，闪蒸后并入低压蒸汽管网，供装置内所有低压蒸汽用户使用；低压蒸汽产量由蒸汽压缩机电机变频调节控制，低压蒸汽管网压力由蒸汽闪蒸罐上新增放空调节阀(PV1007)自动控制在0.45 MPa。技改后，三聚氰胺/氯化铵装置除开/停车及设备故障时需少量引用园区蒸汽外，正常生产时无需外购园区蒸汽。

3.1.3富余低品位蒸汽的处置

三聚氰胺装置尿洗塔换热器副产低品位蒸汽按照上述方案利用后，会有4 t/h的低品位蒸汽富余，富余低品位蒸汽仍进入空气冷却器与空气换热，其蒸汽冷凝液回尿洗塔换热器循环利用。

3.2 蒸汽压缩机选型

蒸汽压缩机是热回收系统对产生的蒸汽通过压缩提高其温度和压力的关键设备，其作用是将低压(或低温)蒸汽加压升温，以达到工艺或者工程所需的温度和压力，蒸汽压缩机类型选择取决于相关应用的操作条件，其中的关键参数是需要达到的压缩比和待压缩蒸汽的流量。

常用的气体压缩机主要有活塞式压缩机、螺杆式压缩机、罗茨压缩机、离心式压缩机等型式。理论上所有型式的压缩机都可以用作蒸汽压缩机，实际上现有工业用蒸汽压缩机主要采用的是离心式压缩机，其次是罗茨压缩机。为此，对于三聚氰胺装置尿洗塔换热器副产低品位蒸汽利用技改方案之蒸汽压缩机选型，主要对离心式蒸汽压缩机和罗茨蒸汽压缩机进行比较。

3.2.1罗茨蒸汽压缩机

罗茨蒸汽压缩机属于容积型风机，相较于普通离心式蒸汽压缩机而言，压缩比高，一般可达2.0左右，单级压缩温升可达16 ℃；罗茨蒸汽压缩机转速较低，一般在980～1 450 r/min，因而具有更好的稳定性。不过，罗茨蒸汽压缩机的劣势也很明显，其不仅存在单级体积流量小、效率低、密封易泄漏、工艺介质易带油、转子高温易变形、保养周期短(一般运行2 000 h需保养1次)等先天缺陷，而且其噪声频谱较宽，以63～8 000 Hz的低中频噪音为主，运行中其噪声达100 dB以上，对操作人员健康伤害较大。

3.2.2离心式蒸汽压缩机

离心式蒸汽压缩机又分为普通离心式蒸汽压缩机和高速离心式蒸汽压缩机，不同的机型具有不同的特点，在不同的应用条件下各有优势：普通离心式蒸汽压缩机一般压缩温升为8～10 ℃，目前主要应用机型基本为进口产品，优点是效率高、性能稳定，在需要较高压缩比的工况下可通过2台离心式蒸汽压缩机串联获得更高的压缩温升，但其效率会有所下降；高速离心式蒸汽压缩机的显著特点是转速高、压缩比高、压缩温升较高，具有效率高、能耗低、处理量大、设备保养周期长、噪音(频率在8 000～12 000 Hz，为高频次生波噪音，超出了人耳敏感区)对操作人员健康伤害不大等优点，应用范围更广。

目前，许多业内人士还抱有国产高速离心式蒸汽压缩机技术不成熟的观念，其实不成熟的是叶片式离心式蒸汽压缩机；高速离心式压缩机，尤其是钛合金三元流叶轮离心式压缩机，其在蒸汽压缩中的应用情况非常不错。国产钛合金三元流叶轮离心式压缩机技术源于氧气压缩机，国内该型氧气压缩机已有20多年的制造经验，产品是完全成熟的，其叶轮转速高达20 000 r/min甚至更高，叶轮外沿线速度最高可达430 m/s，单级压缩温升最高可达23～25 ℃，相当于压缩比2.6～2.8，同等压缩能力下比进口产品价格低30%以上。大部分企业生产的三元流离心式压缩机均采用两级电机配升速器来获得叶轮的高转速，近年来也有企业在开发直接由高速电机(频率高达350 Hz)启动的机型，值得期待。单级三元流叶轮离心式压缩机受制于钛合金材料的强度，压缩温升很难超过25 ℃，但可以采用两级或多级串联的方式来解决这个问题，两级压缩可以是2台压缩机串联使用，也可以采用1台电机驱动双头升速器的办法将两级压缩集成于单台设备。更有企业采用双头高速电机来驱动两级压缩机，压缩机结构更加紧凑、精巧。采用两级三元流叶轮离心式压缩机，其压缩比最高可达6.0，可将蒸汽从120 ℃升温到165 ℃，压缩温升可达45 ℃，完全可满足低品位蒸汽升温升压使用的要求。

因此，蒸汽流量较小时可选用罗茨蒸汽压缩机，蒸汽流量较大、温升较小时可选择普通离心式蒸汽压缩机，蒸汽流量大、温升大的工况宜选用单级或多级高速离心式蒸汽压缩机。据各类型蒸汽压缩机的特点，以及川化天禾三聚氰胺/氯化铵装置低品位蒸汽供需参数，本技改方案宜选用国产两级高速三元流叶轮离心式压缩机作为蒸汽升压设备。

4 低品位蒸汽综合利用效益估算

4.1 投资估算

经市场调研及测算，三聚氰胺装置尿洗塔换热器上段新增管线至氯化铵装置一效浓缩加热器预计投资约50万元(含税)，新增蒸汽压缩机的设备购置费、安装工程费、建筑工程费以及其他基建费用预计投资约800万元(含税)，即川化天禾低品位蒸汽综合利用技改项目总投资约850万元(含税)。

4.2 经济效益估算

(1)三聚氰胺/氯化铵装置所用1.0 MPa蒸汽由园区外购，该蒸汽的结算价为250元/t，而氯化铵装置一效浓缩加热蒸汽用量为6 t/h，按年运行7 200 h计算，年蒸汽用量为43.2 kt，每年的蒸汽采购费用为1 080万元(含税)[技改新增蒸汽管线的一次性投资(含材料采购费、工程安装费等)约50万元，该投资分摊后计入每年的折旧费，因占比极小，在此忽略不计]；增设蒸汽压缩机回收三聚氰胺装置尿洗塔换热器中、下段副产低品位蒸汽的成本[含水、电、气、设备检维修费用，以及技改新增蒸汽压缩机及相关管线的一次性投资(含材料采购费、工程安装费等)约800万元的折旧费等]约为100元/t，比外购园区蒸汽价格低150元/t，蒸汽压缩机蒸汽回收量为10 t/h，按年运行7 200 h计算，每年可回收低品位蒸汽72 kt、可节省蒸汽采购费约1 080万元(含税)。两项合计年可减少外购蒸汽115.2 kt，每年可节省蒸汽采购费2 160万元(含税)。

(2)2021年7月15日，上海环境能源交易所发布关于全国碳排放权交易开市的公告，全国碳排放交易于2021年7月16日开市，光伏行业所产生的CCER(中国核证减排量)开始正式进入可交易时代。虽然目前碳排放交易只包含了电力行业，但未来几年必将在石化、化工、水泥、钢铁、有色金属、纸浆和造纸、航空建材等行业推广，结合国家对碳排放的严格控制力度，未来碳权将是工业企业均需关注的重点问题，碳权价格将有所提升，本项目产生的约25 kt/a的碳权若今后参与市场化交易，将会给企业带来一定的额外收入。

4.3 预期社会效益

川化天禾三聚氰胺装置尿洗塔换热器副产低品位蒸汽综合利用技改方案实施后，每年可减少外购园区1.0 MPa蒸汽115.2 kt，年节约标煤约10 kt，年减少二氧化碳排放约25 kt，节能减碳效果明显。

5 结束语

针对川化天禾三聚氰胺/氯化铵装置蒸汽用户用能特点，利用三聚氰胺装置尿洗塔副产的低品位蒸汽，采用先进成熟的蒸汽压缩机升压技术及合理的流程优化，遵循温度对口、梯级利用的原则对装置所产低位余热进行综合利用，拟定的方案技术成熟，经济效益可观，具备一定的可行性，实施后预期可带来良好的经济效益、社会效益、环保效益：可实现三聚氰胺/氯化铵装置“零”外购蒸汽，每年可减少外购蒸汽115.2 kt，降低生产成本2 160万元，降本增效明显；可减少二氧化碳排放(净购入蒸汽隐含二氧化碳排放)25 kt/a，实现碳减排；每年可节约10 kt的标煤，节约的能耗指标可用于川化天禾的后续项目开发。在如今能源供应紧张、能源价格飞涨、企业成本不断上涨的形势下，化工生产中副产低品位蒸汽综合利用不仅可降本增效，而且符合国家“双碳”政策，相信川化天禾三聚氰胺/氯化铵装置副产低品位蒸汽综合利用技改项目实施后，将具有较好的示范效应，可为“双碳”目标的推进落实贡献一份力量。