蒸汽连续压缩装置在氯碱化工行业节能中的应用

奚儒伟,王石柱

(上海毅知实业有限公司,上海200434)

工业生产线经常需要不同压力等级的蒸汽,目前普遍采用阀门进行节流减压,将高压(高品位)蒸汽节流减压至生产所需(低品位)的蒸汽压力后,向工业生产中的用热部位供汽,造成蒸汽火用的大量损耗,热能品位降低。传统节流减压方式是一种典型的不可逆过程,蒸汽经过换热设备换热后产生的冷凝水通过疏水系统排水,冷凝水系统产生的二次蒸发气及疏水系统产生的泄漏蒸汽,这些低压蒸汽品位更低,如果要进行预热回收投资大、经济性差,因此只能对空排放。连续可调蒸汽喷射二次压缩技术供汽系统利用低压蒸汽对高压蒸汽减压,可以替代传统的阀门节流装置,高压蒸汽减压导致的火用损失可以在低品位二次蒸发气火用的提高中得到补偿,这样就可以在满足生产线对各种压力的蒸汽要求的同时,充分回收冷凝水中的蒸汽潜热,提高系统的能源利用效率,达到节能减排和降低生产成本的目的,具有显著的经济效益、社会效益和环保效益。

上海氯碱化工股份有限公司某工艺段的供汽系统,原来采用阀门节流的方法通过一台调节阀把0.80MPa/252℃(h1=2953 k J/kg)高压供汽减压到工艺需要的0.30 MPa/220℃(h2=2896 k J/kg)低压蒸汽,流量10～18 t/h,如图1所示。经过加热器换热后蒸汽冷凝水平均温度尽管高于100℃,但大多直接排放或只进行简单的热回收。

图1 原来采用阀门节流的减压方法

为了减少能源浪费,氯碱公司决定对引进上海毅知实业有限公司研制的蒸汽连续压缩引射式减压装置对该供汽系统进行节能改造。改造后的供汽系统见图2,其中蒸汽喷射二次压缩减压回收装置见图3。基本的蒸汽喷射二次压缩技术供汽系统由蒸汽喷射二次压缩技术、高效扩容闪蒸罐、压差疏水器、换热器、自动控制系统等组成。蒸汽喷射二次压缩技术供汽系统全部采用自动化控制技术,各压力、温度、液位等参数的采集均使用相应的变送传感器,控制执行机构为气动或电动调节阀门,控制中心为工控机或可编程控制器(PLC)。系统设定好各个参数后,自动稳定运行。

图2 改造后供汽系统

图3 蒸汽喷射二次压缩系统

引射减压器是蒸汽喷射二次压缩技术的关键设备,运行中利用蒸汽减压前后的能量差为动力,将高品位蒸汽和低品位蒸汽在蒸汽喷射二次压缩系统内部进行速度均衡和能量均衡,扩压后进入热力管网供用汽用户使用。其中蒸汽喷射二次压缩系统由喷嘴、接受室、混合室和扩压室共4个部分组成,结构见图4。

图4 蒸汽喷射二次压缩装置

系统经过改造后可以把蒸汽压力从0.80 MPa减压到0.30 MPa。由于冷凝水供水温度130℃(h3=546 kJ/kg),闪蒸管的排水温度80℃(h4= 334 k J/kg),供水量15～20 t/h;引射减压器可以从闪蒸罐获得的低压蒸汽1.5～1.8 t/h。

根据热力学的第二定律计算可以得出减压过程的不可逆火用损失。根据公式:

式中:h,e和s为蒸汽减压前或者减压后的焓、火用和火商;假定环境为零态参数,即空气性质 T0=288 K, h0=42 k J/kg,s0=0.22 kJ/(kg·K),以及P0=0.1 kPa。

该工段平均蒸汽消耗量10～15 t/h,减压前蒸汽平均压力0.80 MPa平均温度252℃,减压后蒸汽平均压力0.30 MPa平均温度220℃;减压系统进行的是等焓减压,减压前后的焓2953 k J/kg不变,但是火商从 7.07 k J/(kg·K)增加到7.53 kJ(kg·K),代入公式可以得到减压前的火用为938.5 k J/kg,减压后为806.0 k J/kg,由此可见蒸汽的火用损失为132.5 k J/kg,占减压前蒸汽总可用能的13.8%,蒸汽减压运行造成了能量品位比较大的损失,这种损失采用节流方式是得不到补偿的。但是采用引射减压,低品位的冷凝水闪蒸汽品位有所提高,系统总的火用损失将减少。

采用引射减压系统后,由于减压后从冷凝水中回收了10%的闪蒸汽,供热低压蒸汽的总焓值从2953 k J/kg增加到3219 k J/kg,增加了9%;减压后火用也从806 k J/kg增加到1113 k J/kg,减压后火用的值大于减压前火用的值,这是因为引射系统具有一定的热泵效应,可以把蒸汽的品位提高。

根据系统现场情况,蒸汽减压能回收装置设计的引射系数为15%,可以从冷凝水中回收1.75 t/h闪蒸汽,闪蒸汽的参数为90℃,焓值2660 kJ/kg,折合0.8MPa/252℃的蒸汽约为1.57 t/h,全年节约蒸汽126000 t,折合标煤1245 t,年经济效益约为244.8万元。氯碱股份聚氯乙烯厂20万吨蒸汽减压节能项目投资为210万元,改造费一年就可以回收。

常规的阀门节流减压造成了能量的无效贬值,使高品位(压力)的蒸汽在没有对外做功的情况下转化为低品位(压力)的蒸汽,这属于用能在质量上的浪费。供汽系统产生的二次蒸发气(或副产蒸汽)以及疏水系统产生的泄漏蒸汽,通常直接对空排放,或者没有进行合理的回收利用,这属于用能在数量上的浪费。常规的阀门节流供汽系统从用能质量和用能数量上,都存在着用能不合理和不能综合利用能量的问题。同时在生产中,冷凝水的排放主要是依靠蒸汽冷凝后造成的压力差为排放动力,由于排水压差通常不大,经常造成换热设备积存冷凝水,导致换热设备换热效率下降,也造成影响设备的生产能力的问题。蒸汽连续压缩装置在氯碱股份聚氯乙烯厂20万吨蒸汽减压的成功应用,表明这种装置在工业节能中可以得到广泛的应用,诸如造纸行业纸机干燥、化工脱水蒸发、蒸馏塔供热、啤酒生产酿化工段和酒精蒸馏的蒸汽供热、焦化生产蒸汽供热技术、石化涤纶丝蒸汽供热技术等方面,实现能级的梯级利用和能量平衡,最大限度的减少蒸汽减压过程中的能量损失,实现蒸汽能量的梯级利用,实现对蒸汽所含火用值(对外作功能力)进行合理和充分的使用,从而实现低压热力系统用汽数量和质量上的均衡,提高企业能源综合效益。