炼化装置蒸汽梯级利用及余热回收的工业研究

兰勇 张鹤锋 张建创 唐小平 刘斌

摘要：本文以某炼化装置蒸汽热力系统为例，提出蒸汽梯级利用及余热回收技术，以可行的方式合理回收闪蒸罐的二次闪蒸汽和冷凝水余热再利用工业技术，充分利用凝结水及乏汽中的优质热能，减少热污染，降低设备外腐蚀，实现节能降耗和环境保护。

关键词：蒸汽梯级利用  凝结水  余热回收   节能降耗  环保

一、前言

蒸汽是炼油化工企业生产中采用的主能源，为装置的正常生产提供了热能和动力。炼化装置蒸汽管网系统一般分为中压蒸汽管网和低压蒸汽管网两种，每个管网都存在多种不同类型的用汽设备，中压蒸汽管网压力≧3.2Mpa，主要是为炼化装置再沸器提供热源、为大型离心压缩机组提供动力等，蒸汽通过汽轮机降温、降压释放能量来做功，透平后产生压力和温度较高的冷凝水。低压蒸汽管网压力≧0.5Mpa，主要是为炼化装置低压透平设备、汽提饱和蒸汽、重质油工艺管道伴热等提供热源，使用后的低压蒸汽也会产生压力和温度较高的冷凝水。大多数企业使锅炉产生的高压蒸汽供高压用汽设备使用后，通过布置闪蒸罐，让高压冷凝水进入闪蒸罐后，将低压用汽设备产生的冷凝水回收并重新打回锅炉给水系统循环使用。

凝结水闪蒸罐通常为常压、敞口或半敞口罐，二次闪蒸乏汽从罐顶喷出，凝结水白白浪费的同时造成环境热污染。数据显示，该凝结水所含有的热量为蒸汽全部热量的20～30%左右，如果不能有效回收凝结水中所含的优质热能而直接打回锅炉给水系统循环使用，则大大降低了热水资源的利用率。

本文通过对蒸汽及冷凝水闪蒸系统进一步研究分析，通过蒸汽梯级利用系统工艺改造，以炼化装置实例提出可行的优化方法和工艺，解决凝结水罐罐顶闪二次闪蒸乏汽较多、水量充足、水温高、回收率低等问题。

二、某厂目前蒸汽能源现状

某厂地处西北部，低温天气覆盖时间长，每套装置在设计的时候为了做好防冻防凝工作，工艺管道、部分仪表和液位计均设有蒸汽伴热。厂内动力车间安装有三台35t/h燃气锅炉，锅炉额定压力3.82MPa，出口温度450℃。运行情况：夏季一运两备，冬季两运一备。随着生产规模的不断扩大和装置的不断增多，冬季随着低压蒸汽用量的逐渐加大，高峰时期用汽量已经超过70t/h，三台锅炉运行，总能耗居高不下，达到供需矛盾日益严重。

厂内现有开式凝结水罐JF-CW45C一台，处理能力40～50 t/h，凝结水泵两台，流量：44.4m3/h，扬程：50.5m，目前夏季凝结水泵出口流量表显约为25～30t/h，冬季凝结水泵出口流量表显约为30～35t/h，部分装置伴热的使用量和凝结水进罐流量数据具体如下：

1、加氢改质装置：使用低压蒸汽（0.5MPa），主要用于工艺管线、仪表伴热及各蒸汽服务点，蒸汽用量为2～3t/h，凝结水回到凝结水罐中。

2、PSA提氢装置：主要用中压蒸汽为压缩机提供动力，两台压缩机蒸汽总耗量约13t/h。凝结水送开式水罐，同时装置内的低压蒸汽伴热凝结水也回到了开式水罐。

3、苯抽提装置：中压蒸汽用于塔底再沸器热源，总耗量约6～7t/h，再沸器凝结水及蒸汽伴热凝结水回到凝结水罐。

4、气分装置：气分装置使用低压蒸汽（0.5MPa）用于塔底再沸器热源。蒸汽用量为5t/h，凝结水均回到开式水罐。

5、MTBE装置：MTBE装置使用低压蒸汽（0.5MPa）用于再沸器热源。蒸汽用量约为6～8t/h，凝结水均回到开式水罐。

三、存在问题

上述的五套装置凝结水混合后进入凝结水罐，再经凝结水泵加压后送至动力车间锅炉作为锅炉补水。通过对高温凝结水回收装置的研究和分析，发现凝结水罐存在以下问题：

1、凝结水罐顶二次闪蒸乏汽较多，回收率低

凝结水罐运行过程中有大量的二次闪蒸乏汽从罐顶喷出，凝结水以闪蒸乏汽的形式外溢，白白浪费的同时带来热污染，回收效率大大降低。

一直以來没有人重视凝结水二次闪蒸形成的乏汽，其实乏汽具有较高的热焓值，虽然压力低，但是其生成水时可以放出较高的凝结热，此热值接近除氧器所用的新蒸汽。

由上表可以看出：

（1）随着压力的增加，饱和蒸汽的比焓也随着增大，但增加的幅度逐步减小。

（2）随着压力的增加，饱和蒸汽汽化潜热不断的减小。

（3）常压下饱和蒸汽的比焓与1.0MPa饱和蒸汽的比焓相差很小（29.84 kcal），由此可见乏汽的经济价值。

2、闪蒸乏汽外溢导致环境污染日趋加重，同时乏汽外溢到空中再冷凝之后的液滴飘落在下方的设备及管道上，导致设备及管道腐蚀速率加快。

3、从凝结水罐液位和凝结水泵出口流量来看，凝结水量充足，且经过长期观测，水温能够保持在70～90℃，凝结水热能未得到充分利用，造成能源浪费。

综上所述，急需实施投资相对较小、建设周期短、满足生产的同时能降低冬季锅炉负荷、实现开源节流的方案，以可行的方式合理利用凝结水，通过技术改造，回收凝结水及二次闪蒸乏汽的热能，以满足生产需求，顺利实现节能降耗。

四、解决措施

针对厂内能源短缺和能源不合理利用的突出问题，开发和应用了经济有效的蒸汽梯级利用及余热回收节能新技术、新材料、新方法，对做好能源高效管理具有重大的意义。

1、原有的凝结水回收系统工艺流程

中、低压蒸汽经凝汽式压缩机、塔底再沸器或伴热系统做功冷凝后，凝结水混合进入凝结水罐的中上部，PSA装置凝结水自凝结水罐上部进入管内，作为罐顶喷淋，罐底的凝结水经泵升压后直接送至动力车间（详见下图）。

2、改造后的凝结水回收系统工艺流程

利用蒸汽梯级利用原理，将中压蒸汽先作为压缩机和塔底再沸器热源，低压蒸汽伴热后混合凝结水进入凝结水罐，对凝结水泵出口工艺流程进行改造，将凝结水作为装置伴热，代替原有的蒸汽伴热，从而减少低压蒸汽耗量。

伴热后的低温凝结水一部分作为动力车间锅炉用水，另一部分低溫凝结水返回凝结水罐顶作为喷淋，吸收罐顶二次闪蒸乏汽的热量，减小乏汽外排、回收乏汽中的凝结水、降低凝结水罐的温度（详见下图）。

凝结水伴热代替低压蒸汽伴热又一优点是伴热温度适中，不会将界面板或界位计、水包中的水加热汽化而出现假液位。全面实现凝结水余热回收，减小凝结水罐顶乏汽外排为目标。

五、成果及效益

1.成果

蒸汽梯级利用及余热回收技术的实施后取得了以下成果：

（1）凝结水代替低压蒸汽伴热可节约低压蒸汽3吨/小时。

（2）伴热后的低温凝结水返罐作为喷淋，吸收二次闪蒸乏汽热量，回收乏汽中的凝结水1～1.5吨/小时，水质优良，作为锅炉用水。

（3）预期目标：减少和消除乏汽外排，减小外排的湿性乏汽造成的设备外表面腐蚀，目前凝结水罐顶乏汽外排已明显减小。

（4）通过环保创新实现节能减排。

2、经济效益

蒸汽梯级利用及余热回收的技术实施后主要的经济效益分析如下：

（1）项目实施后可节约低压蒸汽3吨/小时

3吨/小时×24小时×365天×70元/吨=183.96万元/年

（2）回收罐顶二次闪蒸乏汽中的凝结水1～1.5吨/小时

1.5吨/小时×24小时×365天×7.5元/吨=9.855万元/年

总经济效益=（183.96+9.855）万元/年=193.815万元/年（税后）。

3、社会效益

通过蒸汽梯级利用及余热回收的工业研究后，减小了乏汽造成的周围设备和工艺管线外腐蚀，同时避免环境污染、加强环境保护，为生态文明建设和“碧水蓝天”做出应有的贡献。

六、结论

蒸汽梯级利用及余热回收的技术投入运行后取得了明显的效果，低压蒸汽用量和锅炉负荷得到了全面改善，全年实现单台锅炉运行。

（1）蒸汽梯级利用及余热回收的工业研究是对原有的凝结水工艺进行改造，正常生产时进行改造完毕后即可与原系统进行对接，具有良好的契合匹配性。

（2）通过给凝结水罐增加返回线，提高喷淋的低温凝结水流量，吸收二次闪蒸乏汽热量，回收乏汽中的凝结水，减小乏汽外排量。

（3）减少和降低二次闪蒸乏汽造成的周围设备外表面腐蚀，降低设备维护成本。

（4）减少环境污染，保护生态环境。

参考文献：

[1] 黄飚.蒸汽冷凝水的回收问题及措施[J].企业科技与发展，2009，（6）：31-33;

[2] 尹新，郁鸿凌，李明君等.蒸汽梯级利用技术在大型蒸汽管网系统中的应用[J].上海理工大学学报，2010，（3）：281-284;

[3] 杨辉，陈贵军，马庆海，等.高温凝结水回收及热能的梯级利用[J].节能，2010，（1）：69-72;