周玉青，李 強(qiáng)

（1.南京科技職業(yè)學(xué)院 環(huán)境工程學(xué)院，江蘇 南京 210048；2.梅山鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210039；3.墻州環(huán)境科技服務(wù)（南京）有限公 司，江蘇 南京 210048）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，中國(guó)已經(jīng)成為世界上第二大能源生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，是能源市場(chǎng)不可或缺的重要組成部分，對(duì)維護(hù)全球能源安全發(fā)揮著越來(lái)越重要的積極作用[1-2]。工業(yè)生產(chǎn)對(duì)能源的需求越來(lái)越大，為了緩解能源壓力，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)盡可能降低和重復(fù)利用現(xiàn)有能源，降低能源消耗。以電力、煤炭、鋼鐵、水泥、有色金屬、焦炭、造紙、制革、印染等行業(yè)為重點(diǎn)，按照《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)節(jié)能減排綜合性工作方案的通知》、《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄》以及國(guó)務(wù)院制訂的鋼鐵、有色金屬、輕工、紡織等產(chǎn)業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃等文件規(guī)定的淘汰落后產(chǎn)能的范圍和要求，按期淘汰落后產(chǎn)能[3-5]，從工藝技術(shù)和結(jié)構(gòu)調(diào)整方面提高能源利用率，降低能源消耗。余熱利用正是在這樣的背景下，對(duì)工藝裝置生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的能源進(jìn)行重復(fù)利用，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

1 現(xiàn)有技術(shù)

某化工廠蒸氨及硫銨結(jié)晶裝置，余熱利用過(guò)程在系統(tǒng)工藝圖中處于氨水蒸餾-洗萘塔-酸洗塔-DTB結(jié)晶器段，見(jiàn)圖1。蒸氨裝置設(shè)計(jì)氨水最大處理量為120 m3/h，通過(guò)蒸氨塔將氨水中的揮發(fā)氣體蒸出，蒸氨塔氨蒸氣出口溫度控制在100～110℃，氨蒸氣的發(fā)生量為6～8 t。蒸氨產(chǎn)生的氨蒸氣直接送至酸洗塔與煤氣混合并與稀硫酸溶液反應(yīng)，生成的硫銨母液送至DTB結(jié)晶器生產(chǎn)硫酸銨產(chǎn)品（該階段外用蒸氣通過(guò)母液加熱器對(duì)硫銨母液進(jìn)行加熱蒸發(fā)，得到高濃度母液，生產(chǎn)硫銨顆粒）。結(jié)晶器母液加熱器由180℃蒸氣提供熱源，目前生產(chǎn)中結(jié)晶器蒸氣單耗為1.7 t/t硫銨，能耗較大。剩余母液放置母液循環(huán)槽儲(chǔ)存，見(jiàn)圖2。在這個(gè)高溫向低溫轉(zhuǎn)換過(guò)程中（氨氣溫度在90～110℃左右）進(jìn)入煤氣凈化酸洗系統(tǒng)洗氨，會(huì)造成煤氣系統(tǒng)煤氣溫度增高，同時(shí)會(huì)使洗氨和煤氣終冷的負(fù)荷增加，造成能源浪費(fèi)。

圖1 煤氣精制工藝示意圖

圖2 氨水蒸餾-洗萘塔-酸洗塔-DTB結(jié)晶器段部分原工藝流程示意圖

2 余熱利用技術(shù)

煤氣系統(tǒng)煤氣溫度高，易導(dǎo)致洗氨和煤氣終冷的負(fù)荷增加，而硫銨母液需要進(jìn)行加熱蒸發(fā)操作，所以考慮利用高溫煤氣對(duì)母液進(jìn)行加熱。改進(jìn)試驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖3 改進(jìn)試驗(yàn)裝置布置示意圖

2.1 已有余熱利用技術(shù)

根據(jù)周玉青等的專利ZL 201420698770.3《一種 加熱爐系統(tǒng)》[6]中介紹的閉環(huán)工藝，利用換熱器預(yù)熱空氣和煤氣，其特點(diǎn)是回收的熱量又回到爐內(nèi)被爐子利用（見(jiàn)圖4）。可以將該專利技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，用于實(shí)現(xiàn)蒸氨塔到酸洗塔氨蒸氣進(jìn)入母液循環(huán)槽與DTB結(jié)晶器硫銨母液進(jìn)行熱能轉(zhuǎn)換。

圖4 余熱利用專利圖

根據(jù)該專利技術(shù)原理，現(xiàn)將熱流體改為蒸氨后蒸氣，冷流體為硫酸銨溶液，以母液循環(huán)槽為中心載體將常溫的氨蒸氣直接送至酸洗塔與煤氣混合并與稀硫酸溶液反應(yīng)，生成的硫銨母液供給泵壓入新增的換熱器。蒸氨塔的蒸汽進(jìn)入換熱器與低溫母液換熱，產(chǎn)生的氨氣冷凝水由氨氣冷凝水泵壓入母液循環(huán)槽、結(jié)晶器等處，母液進(jìn)入結(jié)晶器。經(jīng)過(guò)換熱器工作后出口溫度65～70℃，經(jīng)管線進(jìn)入結(jié)晶器的母液溫度降至40～45℃。外接180℃蒸氣提供熱源，結(jié)晶器母液加熱器加熱至結(jié)晶溫度50℃，在這過(guò)程中換熱器對(duì)母液加熱升溫至40～45℃，外接蒸氣將常溫母液在加熱至40～45℃基礎(chǔ)上，加熱至結(jié)晶溫度50℃，對(duì)外接蒸氣需求大幅下降。目前生產(chǎn)現(xiàn)狀結(jié)晶器蒸氣單耗為1.7 t/t硫銨。

2.2 試驗(yàn)條件及儀器設(shè)備

2.2.1 試驗(yàn)用原料工藝參數(shù)

本試驗(yàn)換熱分為冷熱兩種流體，熱流體為蒸氨后蒸氣，冷流體為硫酸銨溶液，具體參數(shù)見(jiàn)表1。余熱利用中用到的蒸氨氨氣工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 冷流體和熱流體的工藝參數(shù)

表2 蒸氨氨氣工藝參數(shù)

2.2.2 試驗(yàn)設(shè)備

（1）硫銨母液換熱器

硫銨母液換熱器廠家為寧波科新化工工程技術(shù)有限公司，換熱器換熱面積為60 m2，設(shè)計(jì)壓力為殼程0.2 MPa，管程0.6 MPa；蒸汽進(jìn)口管徑DN300，出口管徑DN300；硫銨溶液進(jìn)口管徑DN80，硫銨溶液出口管徑DN80。介質(zhì)條件和要求：管程，硫銨溶液，進(jìn)口壓力0.4 MPa，允許壓降0.035 MPa，進(jìn)口溫度40℃，出口溫度（主要控制對(duì)象）要求為70℃，流量20 m3/h；殼程，氨氣與蒸氣混合氣，進(jìn)口壓力0.015 MPa，允許壓降0.003 MPa，進(jìn)口溫度101℃。換熱器材質(zhì)：與硫銨溶液接觸部件采用904，與蒸氨混合氣體接觸部件采用316 L。設(shè)備實(shí)物見(jiàn)圖5。

圖5 硫銨母液加熱器換熱器實(shí)物圖

（2）氨氣冷凝水槽

余熱利用裝置中，氨氣冷凝水槽容積為3 m3，材質(zhì)為304 L，介質(zhì)為90℃氨水。設(shè)備實(shí)物見(jiàn)圖6。

圖6 氨氣冷凝水槽實(shí)景圖

（3）氨冷凝水泵

余熱利用工藝中使用的氨冷凝水泵：Q=3 m3/h；h=50 m；進(jìn)出口管徑為DN50、DN40，氨冷凝水，進(jìn)口氨冷凝水壓力0.03 MPa（表壓），溫度95℃，揚(yáng)程50 m，流量3 m3/h；進(jìn)口管徑DN 50（φ57 mm×3 mm），出口DN 40（φ45 mm×2.5 mm）；泵體材質(zhì)304 L。設(shè)備實(shí)物見(jiàn)圖7。

圖7 氨冷凝水泵實(shí)物圖

3 試驗(yàn)工藝流程

3.1 余熱利用工藝流程

本試驗(yàn)項(xiàng)目工藝系統(tǒng)主要包括熱流體和冷流體兩部分。

熱流體工藝流程：熱流體為蒸氨后蒸氣，蒸氨蒸氣從主管道引出經(jīng)過(guò)換熱器降溫后，冷凝所得氨水溶液進(jìn)入溶液罐，從罐中流出后經(jīng)氨水泵加壓后分別送至母液循環(huán)槽、P42204結(jié)晶泵入口及P42205母液循環(huán)泵入口，未凝結(jié)部分回到原主管道。在主管道的換熱旁路之后設(shè)置備用接口，并配備閥門，供以后工藝使用。

冷流體工藝流程：冷流體為硫酸銨溶液，硫酸銨溶液自原有加壓泵出口引出，經(jīng)過(guò)換熱器加熱后，送至管廊上的原硫酸銨溶液管道。

試驗(yàn)要求：根據(jù)硫銨溶液的實(shí)際操作流量及實(shí)際進(jìn)口溫度，調(diào)節(jié)熱源介質(zhì)的流量，要求利用蒸氨后蒸氣的余熱將硫銨溶液加熱至65℃。

余熱利用的工藝流程如圖8所示。

圖8 余熱利用工藝流程示意圖

3.2 試驗(yàn)步驟

3.2.1 試驗(yàn)開(kāi)工步驟

（1）開(kāi)工前檢查現(xiàn)場(chǎng)母液換熱器、氨水冷凝液槽及氨水冷凝液泵放空閥是否關(guān)閉，以及各閥門開(kāi)關(guān)是否到位。

（2）檢查現(xiàn)場(chǎng)儀表、中控顯示儀表是否準(zhǔn)確有效，各操作點(diǎn)調(diào)節(jié)閥是否靈活有效。

（3）母液流程先貫通，在結(jié)晶系統(tǒng)正常生產(chǎn)的情況下，打開(kāi)結(jié)晶供給泵至換熱器E42204的進(jìn)出口閥門，關(guān)閉旁通閥門，母液補(bǔ)充切換至換熱器運(yùn)行，中控關(guān)注現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)換熱器前流量計(jì)FI42210（25～30 m3/h），確保與進(jìn)結(jié)晶器的母液流量一致。

（4）緩慢開(kāi)啟蒸氨塔氨氣總管進(jìn)、出換熱器E42204的氨氣閥門，并緩慢開(kāi)啟進(jìn)口閥門后氨氣進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥，慢慢關(guān)閉氨氣總管旁通閥門，同時(shí)密切關(guān)注進(jìn)入換熱器的氨氣的溫度和壓力，確保蒸氨塔頂壓力、溫度正常。

（5）中控儀表通過(guò)對(duì)氨氣調(diào)節(jié)閥的控制來(lái)確保母液換熱后的溫度在65～70℃左右，結(jié)晶系統(tǒng)母液所需的流量、溫度穩(wěn)定后可切換至自動(dòng)控制。

（6）氣相和母液換熱貫通后注意好氨水冷凝液槽的液位，當(dāng)液位達(dá)到500 mm左右時(shí)，開(kāi)啟一臺(tái)氨水冷凝液泵，將氨水冷凝液送往結(jié)晶器或者母液循環(huán)槽，槽位穩(wěn)定后可通過(guò)出口調(diào)節(jié)閥和冷凝液槽的液位設(shè)置自動(dòng)控制。

3.2.2 試驗(yàn)停工步驟

（1）當(dāng)結(jié)晶系統(tǒng)停產(chǎn)清洗、檢修或蒸氨裝置停產(chǎn)時(shí)提前接到通知后先緩慢打開(kāi)蒸氨塔氨氣總管旁通閥門，再慢慢關(guān)閉換熱器E42204的進(jìn)、出口氨氣閥門，進(jìn)氣閥后氨氣調(diào)節(jié)閥關(guān)死。

（2）氨水冷凝液槽T42213液位低于500 mm時(shí)停止氨水冷凝液泵的運(yùn)行，關(guān)閉相關(guān)閥門，氨水冷凝液停止送往酸洗循環(huán)槽或結(jié)晶系統(tǒng)。

（3）關(guān)閉酸洗母液供給泵出口至換熱器E42204的進(jìn)出口閥門，打開(kāi)旁通閥門母液直接供給結(jié)晶系統(tǒng)，冬天或余熱利用長(zhǎng)時(shí)間停工時(shí)要開(kāi)啟水閥門對(duì)管線及換熱器進(jìn)行清洗并放空。

3.3 試驗(yàn)效果

在硫銨裝置區(qū)增加一臺(tái)換熱器，將蒸氨裝置出來(lái)的氨氣與硫銨供給泵出來(lái)的硫銨母液換熱。換熱后的氨氣仍通往酸洗塔，硫銨母液仍通往結(jié)晶器。增加一個(gè)氨冷凝水水封槽和兩臺(tái)氨冷凝水泵（一用一備），將換熱器冷凝的氨水通過(guò)氨冷凝水泵分別送往母液循環(huán)泵入口、結(jié)晶泵入口和母液循環(huán)槽。通過(guò)高溫氨蒸氣加熱部分母液，加熱能力可以將硫銨供給泵來(lái)的25 m3/h硫銨母液由50.7℃加熱至67.2℃。

蒸氨塔出來(lái)的高溫氨蒸汽混合物溫度約101～105℃，含有較高熱量，進(jìn)入酸洗塔后使得酸洗塔內(nèi)煤氣溫度達(dá)到55～70℃，而氨的吸收適宜溫度為50℃，故氨氣溫度較高會(huì)影響酸洗塔內(nèi)氨的吸收；酸洗塔內(nèi)煤氣溫度過(guò)高，亦將導(dǎo)致后續(xù)煤氣終冷耗費(fèi)大量低溫水。

硫銨結(jié)晶需要通過(guò)加熱器對(duì)硫銨母液進(jìn)行加熱蒸發(fā)，得到高濃度母液，生成硫銨顆粒。結(jié)晶器母液加熱器由180℃蒸汽提供熱源，結(jié)晶器蒸汽單耗由1.7 t/t硫銨降至1.486 t/t硫銨，表3中試驗(yàn)結(jié)果論證余熱利用的工藝方案可行性，其運(yùn)行效果較好，但設(shè)計(jì)負(fù)荷較小，僅利用了約10%的氨蒸汽熱量，有較大的擴(kuò)容空間。試驗(yàn)中蒸汽耗用見(jiàn)表3。

由表3數(shù)據(jù)可以計(jì)算增加余熱利用裝置后的經(jīng)濟(jì)效益。試驗(yàn)中增加一臺(tái)換熱器可節(jié)約蒸氣能耗，蒸汽平均節(jié)約0.214 t。

表3 硫銨裝置結(jié)晶器蒸汽耗用統(tǒng)計(jì)

經(jīng)濟(jì)效益＝產(chǎn)量×（原蒸氣消耗量-試驗(yàn)蒸氣消耗量）×蒸氣單價(jià)=47 327×（1.7-1.486）×150=1 519 196.7元

4 結(jié)論

（1）在蒸氨后蒸氣和硫銨母液之間增加換熱器裝置，將蒸氨蒸氣作為熱流體，硫銨母液為冷流體，達(dá)到降低蒸氨氨氣溫度，提高硫銨母液溫度的目的。

（2）余熱利用工藝應(yīng)用于蒸氨后蒸氣和硫銨母液后，15個(gè)月為工廠帶來(lái)1 519 196.7元的經(jīng)濟(jì)效益。

（3）經(jīng)過(guò)中試試驗(yàn)，證明余熱利用技術(shù)可以在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中充分利用工廠原有的余熱資源，降低能源消耗，達(dá)到節(jié)能的目的。