节流膨胀效应在蒸汽管网改造中的应用

袁强强,王柄

(山西晋丰煤化工有限责任公司,山西 高平 048400)

山西晋丰煤化工有限责任公司(简称山西晋丰)是晋能控股装备制造集团下属全资子公司,2003年8月建成投产一套180 kt/a合成氨、60 kt/a甲醇、300 kt/a尿素装置(一期装置),2008年10月又建成投产一套180 kt/a合成氨、60 kt/a甲醇、300 kt/a尿素装置(二期装置)。山西晋丰以晋城无烟块煤为原料,一、二期合成氨装置均采用常压固定层间歇气化炉(UGI气化炉)、煤气间接冷却、半水煤气湿法脱硫,全低温耐硫变换、NHD脱碳、双甲精制工艺及湖南安淳中压氨合成工艺;一、二期尿素高压装置均采用CO2汽提工艺,一期尿素装置采用高塔造粒,产品为中颗粒尿素,二期尿素装置采用挪威海德鲁流化床造粒,产品为大颗粒尿素。

尿素装置正常运行时,高压甲铵冷凝器副产压力0.35 MPa(G)、温度147 ℃的饱和蒸汽,蒸汽经自调阀减压后送出界区。该部分低品质蒸汽原设计送往常压气化炉与蒸汽双效溴化锂机组,实际运行中因自调阀减压后温度不足,影响造气气化炉与溴化锂机组的正常运行。

为解决副产蒸汽利用过程中存在的问题,生产中对管线实际运行参数测量,结合生产装置特点制定蒸汽管线改造方案。本次技改结合焦耳-汤姆逊原理,对尿素蒸汽、吹风气产汽管网进行改造,技改项目投运后达到预定效果,实现了蒸汽管网优化与副产低品端蒸汽的高效利用。

1 原尿素副产蒸汽的利用及存在问题

尿素合成塔、气提塔、高压甲铵冷凝器和高压洗涤器四台设备组成的高压圈是二氧化碳气提法的核心,高压甲铵冷凝器列管中,氨与二氧化碳反应生成甲铵,放出大量的反应热。设备内壳程加冷凝液用以移走反应热,冷凝液吸收热量后副产蒸汽。生产中通过控制蒸汽压力调整甲铵合成反应在预定指标内进行,正常工况下高甲冷壳程汽包副产压力0.35 MPa低压饱和蒸汽25 t/h,该部分蒸汽因压力与温度偏低,长期以来一直是低品质蒸汽利用中的难题。为实现该部分蒸汽的高效利用,山西晋丰新增溴化锂机组,设计使用参数为0.35 MPa饱和蒸汽10 t/h。原计划溴化锂机组投运后,消耗尿素副产蒸汽10 t/h,有效缓解尿素副产蒸汽送造气造成的缓冲罐温度偏低问题。

双效溴化锂机组投运后,用于加热溴化锂溶液的高压发生器内温度无法达到正常运行指标。经现场排查发现,尿素副产蒸汽经外送自调阀减压后压力至40 kPa、温度130 ℃,该蒸汽在输送中部分损失,该温度下溴化锂机组无法正常运行。在无法使用尿素副产蒸汽情况下,溴化锂机组被迫改用品质较好的低压蒸汽(0.7 MPa,170 ℃),尿素蒸汽全部送造气蒸汽缓冲罐。受节流降温效应、管线保温影响,尿素副产蒸汽外送至造气后温度进一步降至110 ℃,导致造气蒸汽缓冲罐温度偏低,影响气化炉的正常运行。蒸汽降温后部分冷凝,造气缓冲罐存在冷凝水,必须不间断进行排污,造成热量、脱盐水的大量损耗。

2 蒸汽在节流减压过程中的能量变化

2.1 蒸汽节流膨胀中的焦耳-汤姆逊效应

焦耳-汤姆逊效应是指当高压气体在通过截面突然缩小的断面(如节流阀、管道上的针形阀、孔板等)时,由于局部阻力,气体的压力将会降低,温度会发生变化的现象。该现象广泛存在于日常生活与生产中,该效应同样存在于蒸汽的输送与节流膨胀中[1]。

焦耳-汤姆逊实验在绝热系统中进行,外界做的功等于系统内能的改变,即U2-U1=p1V1-p2V2,式中U为气体的内能,p为压强,V是气体的体积,根据热力学第一定律:U1+p1V1=U2+p2V2,U+pV=H是气体的状态函数称为焓,该公式表示节流前后气体的焓值(H)不变。蒸汽输送过程中,节流膨胀通常通过阀门进行,不考虑阀门散热影响,可近似认为绝热节流膨胀,根据以上分析可知在蒸汽节流前后焓值(H)同样不变。

为了研究节流后气体温度随压强变化的情况,用焦耳-汤姆逊系数μ=(ΔT/Δp)H=(∂T/∂P)H来描述,以(∂T/∂p)H表示等焓过程中温度随压强的变化率,气体节流后压强减小Δp<0,若节流后降温ΔT<0,则μ>0,称焦耳-汤姆逊正效应。若节流升温ΔT>0,则μ<0,称焦耳-汤姆逊负效应。若节流前后温度不变,ΔT=0,称为焦耳-汤姆逊零效应。根据热力学基本原理,气体的内能不仅是温度的函数,还是体积(或压强)的函数。当气体非常稀薄时,气体可认为为理想状态,ΔT→0,一定量理想气体的内能仅仅是温度的函数。在绝热状态下,减压后的蒸汽压力下降,焓不变,温度不变,比容增加,熵增加,做功能力下降。除氢气、氦气、氖气少部分气体外,对于蒸汽等大多数气体来说,从高压到低压经节流膨胀后,焦耳-汤姆逊效应为正效应,节流膨胀过程中气体分子间距离增加、势能增加,分子动能下降(宏观上体现为温度下降)。蒸汽节流前后压降越大,降温效应则越明显。

根据以上分析,可知蒸汽经历节流膨胀后,蒸汽干度增加,湿饱和蒸汽变成干饱和蒸汽或者过热蒸汽,饱和蒸汽减压后为过热蒸汽。实际生产中,受装置条件与节流膨胀效应影响,经现场测量3.8 MPa、415 ℃过热蒸汽节流降低至2.8 MPa后温度降为400 ℃左右,稳定工况下148 ℃尿素副产饱和蒸汽膨胀节流后降为130 ℃。

2.2 绝热节流效应对化工生产的影响

在化工生产操作单元中,蒸汽的用途主要有两类,第一类为利用一定温度、压力下的蒸汽驱动设备或直接参与化学反应,第二类为蒸汽用于化工操作单元过程中的加热。当蒸汽用于加热单元过程时,蒸汽温度是保证工艺条件的关键。蒸汽作为化工生产的动力源,为适应不同工艺条件下的蒸汽品质需求,蒸汽节流装置广泛应用于不同品质蒸汽需求的蒸汽管网中[2]。

特别是蒸汽用于加热时,蒸汽节流膨胀中能量转化与温度降低将直接影响蒸汽的可利用度,导致蒸汽的利用效率下降。在对尿素副产低压蒸汽的利用中,因焦耳-汤姆逊效应的存在导致截留降压后的蒸汽温度(130 ℃)无法达到双效溴化锂机组设计温度,机组无法正常运行。膨胀后的尿素副产蒸汽长距离输送后,用于电除尘瓷瓶干燥、脱硫溶液提温、熔硫时,均无法达到熔硫所需工艺温度[3]。

2.3 绝热膨胀对蒸汽管网设计的影响

尿素副产蒸汽节流膨胀后,由0.35 MPa(G)减压至0.04 MPa(G)。根据Boyle定律,蒸汽体积与实际流量增加为原来的3倍,同等蒸汽流速下需增加输送管线周表面积为原先的3倍,管径为减压前的1.732倍。根据蒸汽管线热损公式,以800 m直径为277 mm管线(岩棉保温层30 mm)计算,尿素副产蒸汽损耗0.34 t/h,膨胀减压后输送蒸汽管线管径增大将增加热损蒸汽0.24 t/h。

3 蒸汽管网改造与运行效果

3.1 尿素副产蒸汽管线技改

2022年,针对尿素蒸汽经减压膨胀后品质下降、无法高效利用等问题,晋丰煤化工公司与山西省化工设计院确定管线改造方案。具体改造内容为:尿素副产蒸汽外送管线原减压阀移至溴化锂机组、脱硫蒸汽用汽支路管线后,原两条DN250 mm改为一条DN350 mm管线,经溴化锂机组后减为一根DN250 mm管线,改造前后蒸汽管线材质均为标号为3087的20#钢。结合合成溴化锂机组设计参数,在尿素蒸汽节流减压前进行利用,保证溴化锂机组与熔硫蒸汽、脱硫溶液加热、瓷瓶加热蒸汽指标,实现对尿素低压副产蒸汽全部利用,按照500 m管线计算减少管线外表面积392 m2,按照30 mm岩棉保温计算减少蒸汽热损耗0.21 t/h。

3.2 尿素副产蒸汽改造后运行效果

尿素蒸汽管网改造完成后顺利投用,副产蒸汽在减压前输送至溴化锂机组、脱硫工段,该部分蒸汽压力仍然保持在0.35 MPa、147 ℃基本参数。溴化锂机组原使用的0.7 MPa(170 ℃)蒸汽10 t/h全部送往低压蒸汽管网,净化脱硫工段原使用的熔硫、瓷瓶、溶液10～15 t/h蒸汽(0.7 MPa、170 ℃)全部改用尿素副产蒸汽,各项运行指标均稳定。

原送往造气蒸汽缓冲罐的低品质副产蒸汽被替代后,改用更高品质的过热蒸汽用作煤气化反应的气化剂,气化炉工艺得到有效改善,长期存在的蒸汽缓冲罐疏水问题得以彻底解决。表1为尿素蒸汽管线改造后造气蒸汽缓冲罐运行数据。

表1 尿素蒸汽管线改造后造气蒸汽缓冲罐运行数据

如表1所示,改造后造气蒸汽缓冲罐温度平均上涨20 ℃,按照低压蒸汽恒压比热容1.85 kJ/(kg·K),造气全蒸汽用量按150 t/h计算,入炉蒸汽热量增加5 550 MJ/h,该部分热量可折标煤189 kg/h(4.5 t/d),按折标系数0.92计算折原煤4.9 t。造气炉内燃烧原煤产生热量用于制气反应,综合考虑间歇式气化炉蓄热时间减少,吹风阶段热量损耗同比减少,实际日省煤量大于4.9 t。以上数据显示,本次管线解决了长期以来对尿素副产蒸汽无法高效利用的问题,取得了良好的经济效益。

3.3 中压蒸汽管网改造中的应用

尿素蒸汽管网改造完成后,造气蒸汽缓冲罐温度顺利达到运行指标。为进一步减少节流膨胀效应对蒸汽品质的影响,2022年检修期间对造气吹风气余热回收装置及系统蒸汽管线进行技改提升。

作为常压间歇式气化炉能源回收与污染排放物治理装置,吹风气余热回收是合成氨系统蒸汽产汽与能源回收的关键设备设施。山西晋丰生产系统蒸汽主要来源于燃煤锅炉与造气吹风气余热回收装置,其产出蒸汽品质均为3.8 MPa、415 ℃过热蒸汽,该部分蒸汽除驱动凝汽式汽轮机(20 t/h)运转外,仍有150 t/h通过减温减压阀后调整至2.8 MPa、300 ℃后送往变换、尿素工段。根据焦耳-汤姆逊节流原理,生产装置大量的蒸汽节流造成了蒸汽品质的下降与可用能损耗,蒸汽梯度利用较差。

本次蒸汽系统改造中,将原生产3.8 MPa过热蒸汽的吹风气余热回收装置变更为生产3.0 MPa过热蒸汽,所产蒸汽不经减压,直接送往大量使用3.0 MPa蒸汽的变换、尿素工段。根据换热器热量衡算,吹风气余热装置产生的蒸汽压力降低后可拆除部分3.8 MPa蒸汽过热器。在前期尿素蒸汽管网改造后,造气蒸汽缓冲罐温度已实现达标运行,原设置在吹风气换热组件内的低压蒸汽过热器同样具备拆除条件。在拆除后的中压蒸汽过热器、低压蒸汽换热器位置处,增设中压蒸发器增加吹风气装置蒸发量,并增设直流锅炉产出0.7 MPa、190 ℃低压过热蒸汽送入气化炉蒸汽缓冲罐。

2022年底,吹风气余热回收装置及蒸汽管网改造完成。技改项目投用后,吹风气新增低压直流锅炉额外增产0.7 MPa、190 ℃低压过热蒸汽15 t/h。原3.8 MPa蒸汽过热段拆除2组过热器改为2.8 MPa蒸发管束后,提高锅炉10%产汽效率,增加4 t/h蒸汽量,技改项目达到预定目标。

4 结束语

流体的焦耳-汤姆逊效应作为基本的物理学原理,广泛存在于日常生产与生活中,该效应客观描述了真实气体或液体在节流膨胀中的温度变化。在工业设计与实际生产中,需充分考虑到蒸汽节流前后的温降效应,通过优化设计与工艺调整,尽可能减少节流膨胀效应,实现蒸汽的分级高效利用。

锅炉与生产系统蒸汽管网设计中,生产企业与设计单位需充分考虑用汽实际,不盲目追求高温、高压蒸汽,减少蒸汽在节流装置内的温度与可用能量损耗,同时减少高品质蒸汽所需的附加设备投资。在蒸汽设施与管线布置时,产、用汽装置尽可能减少压力等级差值,减少节流膨胀温度与可用能损耗。蒸汽输送中,结合节流体积膨胀后输送管道管径增加实际,在不提升管线材质前提下,尽可能将节流阀靠近用汽设备设置,减少管线热量散失损耗[4-5]。

山西晋丰在尿素副产蒸汽改造项目中,将生产实践与焦耳-汤姆逊原理结合,成功实现对低品质饱和蒸汽的高效利用,有效避免蒸汽节流降温后低温蒸汽对造气气化炉工艺的影响。在蒸汽系统的进一步改造中,对吹风气余热装置与蒸汽管网改造,同样减少蒸汽输送过程中的温降与可用能损耗,取得良好的能源利用效应与经济效益。当前CO2气提工艺仍是我国尿素主要的生产工艺,蒸汽绝热节流是生产过程中的常见过程,山西晋丰将节流膨胀效应在尿素副产蒸汽利用及吹风气余热装置改造中的科学应用,将对行业内副产蒸汽利用及蒸汽管网改造起到积极的借鉴作用。