热交换技术在蒸氨废液余热回收中的应用前景分析

2020-02-17张浩波夏金方朱立国黄汇林刘建路

盐科学与化工 2020年3期

张浩波，夏金方，朱立国，黄汇林，刘建路

(山东海化集团有限公司，山东潍坊 262737)

1 前言

能源短缺、环境污染已发展为世界范围的问题[1-3]，节能减排、降低能耗、提高能源的综合利用率是解决能源问题的根本途径。我国工业领域的能源消耗量约占全国能源消耗总量的70%[4]。除了生产工艺相对落后、产业结构不合理的因素外，工业余热利用率低，能源没有得到充分综合利用是造成单位GDP能耗高的重要原因。随着能源危机的压力不断加大和人们追求循环经济、可持续性发展的要求越来越高，如何合理地利用工业余热，成为节能减排工作的重要内容。

热交换技术的应用不但能节约能源、保护环境，而且能大大节约投资成本。换热器又称热交换器，是一种将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，也是实现化工生产过程中热量交换和传递不可或缺的设备。随着经济发展，各种不同结构和种类的换热器发展很快，新结构、新材料的换热器不断涌现。

2 余热的特点

余热资源属于二次能源，是一次能源或可燃物料转换后的产物，或是燃料燃烧过程中所发出的热量在完成某一工艺过程后所过剩的热量，但是这些看似低品位的能量仍有被利用的可能和价值。按照温度高低分类，工业余热一般分为600 ℃以上的高温余热，230 ℃～600 ℃的中温余热和230 ℃以下的低温余热3种；按照来源，工业余热又可被分为烟气余热、冷却介质余热、废汽废水余热、化学反应热、高温产品和炉渣余热以及可燃废气、废料余热[5-6]。

余热资源来源广泛、温度范围广、存在形式多样，余热的回收量与工艺生产过程、环境条件的变化密切相关，余热的回收利用受施工环境的限制，对余热回收设备要求较高。工业余热资源的利用对设备有如下要求：具有较宽且稳定的运行范围；能适用多变的生产工艺的要求；设备部件可靠性高，布局合理；能够综合利用能量，以提高余热利用率。

3 换热器简介

换热器又称热交换器，是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，换热器按传热原理和实现热交换的方法可分三种类型换热器：间壁式、混合式、蓄热式等三大类。

混合式。混合式换热器是通过冷、热流体直接接触、混合进行热量交换的换热器，又称接触式换热器。

蓄热式。蓄热式换热器是利用冷、热流体交替流经蓄热室中的蓄热体(填料)表面，从而进行热量交换的换热器。

间壁式。随间壁式换热器的冷、热流体被固体间壁隔开，并通过间壁进行热量交换的换热器，因此又称表面式换热器，这类换热器应用最广。

间壁式换热器根据传热面的结构不同可分为管式和板面式。管式换热器以管子表面作为传热面，包括套管式换热器和管壳式换热器等；板面式换热器以板面作为传热面，包括板式换热器、螺旋板换热器、板翅式换热器、板壳式换热器和伞板换热器等。

4 板式换热器的特点

(1)传热系数高。

由于不同的波纹板相互倒置，构成复杂的流道，使流体在波纹板间流道内呈旋转三维流动，能在较低的雷诺数(一般Re=50～200)下产生紊流，所以传热系数高，一般认为是管壳式的3倍～5倍。

(2)对数平均温差大，末端温差小。

在管壳式换热器中，两种流体分别在管程和壳程内流动，总体上是错流流动，对数平均温差修正系数小，而板式换热器多是并流或逆流流动方式，其修正系数也通常在0.95左右，此外，冷、热流体在板式换热器内的流动平行于换热面、无旁流，因此使得板式换热器的末端温差小，对水换热可低于1 ℃，而管壳式换热器一般为5 ℃。

(3)占地面积小。

板式换热器结构紧凑，单位体积内的换热面积为管壳式的2倍～5倍，也不像管壳式那样要预留抽出管束的检修场所，因此实现同样的换热量，板式换热器占地面积约为管壳式换热器的1/5～1/10。

(4)容易改变换热面积或流程组合。

只要增加或减少几张板，即可达到增加或减少换热面积的目的；改变板片排列或更换几张板片，即可达到所要求的流程组合，适应新的换热工况，而管壳式换热器的传热面积几乎不可能增加。

(5)重量轻。

板式换热器的板片厚度仅为0.4 mm～0.8 mm，而管壳式换热器的换热管的厚度为2.0 mm～2.5 mm，管壳式的壳体比板式换热器的框架重得多，板式换热器一般只有管壳式重量的1/5左右。

(6)价格低。

采用相同材料，在相同换热面积下，板式换热器价格比管壳式约低40%～60%。

(7)制作方便。

板式换热器的传热板是采用冲压加工，标准化程度高，并可大批生产，管壳式换热器一般采用手工制作。

(8)容易清洗。

框架式板式换热器只要松动压紧螺栓，即可松开板束，卸下板片进行机械清洗，这对需要经常清洗设备的换热过程十分方便。

(9)热损失小。

板式换热器只有传热板的外壳板暴露在大气中，因此散热损失可以忽略不计，也不需要保温措施。而管壳式换热器热损失大，需要隔热层。

(10)容量较小。

容量是管壳式换热器的10%～20%。

(11)单位长度的压力损失大。

由于传热面之间的间隙较小，传热面上有凹凸，因此比传统的光滑管的压力损失大。

(12)不易结垢。

由于内部充分湍动，所以不易结垢，其结垢系数仅为管壳式换热器的1/3～1/10。

(13)工作压力不宜过大，介质温度不宜过高，有可能泄露。

板式换热器采用密封垫密封，工作压力一般不宜超过2.5 MPa，介质温度应在低于250 ℃以下，否则有可能泄露。

(14)易堵塞。

由于板片间通道很窄，一般只有2 mm～5 mm，当换热介质含有较大颗粒或纤维物质时，容易堵塞板间通道[7-8]。

5 板式换热器的现状

国内外板式换热器的发展是欧美发达国家于20世纪80年代起开始竞相开发、研制各种型式的板式换热器。其中具有代表性的为法国Packinox公司，该公司于20世纪80年代首次在催化重整装置中用一台大型板式换热器替代传统的管壳式换热器组。20世纪90年代末期，Packinox公司又将大型板式换热器用于加氢装置。该公司的产品得到UOP(美国联合油)的认证，其产品主要用于的催化重整、芳烃及加氢装置。而板式换热器在中国的起步比较晚。1999年兰州石油机械研究所研制成功大型板式换热器，该产品(专利号(ZL98249056.9)具有国际先进水平、首创独特结构的全焊式板式换热器，并已在炼油厂重整装置，化肥厂水解解吸装置及集中供热换热站等场合得到应用。

作为一个高效紧凑式换热器，在加热、冷却、冷凝、蒸发和热回收过程中，除了高温、高压和特殊介质条件外，板式换热器均已替代管壳式换热器。经试验证明在板式换热器适用范围内，绝大多数工况下，用不锈钢板式换热器比一般碳钢换热器投资低，而且可以预见板式换热器与管壳式换热器的竞争会更加激烈。

随着科技的进步，板式换热器也有了飞速发展。自进入21世纪以来，常规对称形、非对称形，高NTU型(浅密波纹型)、免粘型、板式蒸发器、板式冷凝器等国外已有的可拆卸板式换热器均已实现国产化，并成功应用于不同领域。

可拆式板式换热器已成为板式换热器的潮流，它将朝着大规格、多品种、系列化、高性能、高可靠性、低成本以及生产企业的专业化、规模化发展。未来，随着国内市场的需求和国内经济发展所带来的良好机遇，以及进口产品巨大的可转化性共同预示着我国板式换热器行业良好的发展前景[9-10]。

6 板式换热器在高炉冲渣水热量回收中的应用

板式换热器在炼铁行业高炉冲渣水热量回收中有较为突出的进步。

高炉冲渣水是高炉炼铁熔渣经水淬后产生，其温度60 ℃～95 ℃蕴含了巨大热量，但其中含有大量固体颗粒和矿物纤维，并具有腐蚀性，很难利用其热量。

在高炉炉渣水余热回收及结合具体钢铁生产工艺精细节能方面国内外没有成熟的经验和技术，致使该领域的能源浪费非常严重。但是其作为一种低温废热源，具有温度稳定、流量大的特点，如何让冲渣水发挥余热利用，在钢铁行业具有重大意义。

国内板式换热器制造公司与炼钢企业投入技术力量，联合开发了高炉冲渣水专用板式换热器，解决了冲渣水硬度高，容易结垢，水质成分复杂，容易腐蚀等问题，高炉冲渣水专用板式换热器采用独特的板型及流道设计，有效防止换热板片磨损穿孔。使用该换热器后，不但冲渣水侧不会结垢、堵塞和磨损，而且对净水侧的水质无要求，可以使用工业新水(自来水)中水等作为循环水。新型换热器的开发实现了高炉冲渣水余热回收，冲渣水不需沉淀过滤装置即可直接进入“冲渣水换热器”与介质水进行换热，投入工业生产中，效果较好，已在行业中逐步推广。

7 板式换热器在蒸氨废液余热回收中的应用前景

氨碱法纯碱生产占有重要地位，能耗大、废热排放多。其中蒸氨是氨碱法制碱的一道重要工序，也是纯碱厂降低能耗的一个重点，蒸氨能耗约占全部生产总能耗的30%以上，而蒸氨工序消耗的能量中进塔蒸汽的热量约占90%。进入蒸氨塔的能量除一部分用于过程所需的反应热外，很大一部分由蒸氨废液带出，对于大型纯碱厂来说，废液带出热量的回收效益可观，目前国内外最切实可行的方法是在废液排放前利用废液喷射闪发装置回收废液闪发出的蒸汽。蒸氨废液经闪发蒸汽后温度降至约90 ℃，进一步闪发受到动力和成本的限制，其热量一直未得到充分利用，高温废液直接排放到渣场，造成极大的资源浪费，国内外同行业中均未对其进行热量回收，目前该部分蒸氨废液的热量回收成为氨碱法纯碱生产的行业性难题[11]。

蒸氨废液具有高盐度、高腐蚀性、高固含量、易结垢、易堵塞等特殊性质，同时蕴含有巨大热量，与炼铁行业中的高炉冲渣水有很大相似性。国内板式换热器厂商在高炉冲渣水余热回收中的成功经验，可为蒸氨废液热量回收提供良好的借鉴，同时该技术开发成功后具有较大的行业意义。