節(jié)流膨脹效應(yīng)在蒸汽管網(wǎng)改造中的應(yīng)用

袁強(qiáng)強(qiáng),王柄

(山西晉豐煤化工有限責(zé)任公司,山西 高平 048400)

山西晉豐煤化工有限責(zé)任公司(簡(jiǎn)稱山西晉豐)是晉能控股裝備制造集團(tuán)下屬全資子公司,2003年8月建成投產(chǎn)一套180 kt/a合成氨、60 kt/a甲醇、300 kt/a尿素裝置(一期裝置),2008年10月又建成投產(chǎn)一套180 kt/a合成氨、60 kt/a甲醇、300 kt/a尿素裝置(二期裝置)。山西晉豐以晉城無煙塊煤為原料,一、二期合成氨裝置均采用常壓固定層間歇?dú)饣癄t(UGI氣化爐)、煤氣間接冷卻、半水煤氣濕法脫硫,全低溫耐硫變換、NHD脫碳、雙甲精制工藝及湖南安淳中壓氨合成工藝;一、二期尿素高壓裝置均采用CO2汽提工藝,一期尿素裝置采用高塔造粒,產(chǎn)品為中顆粒尿素,二期尿素裝置采用挪威海德魯流化床造粒,產(chǎn)品為大顆粒尿素。

尿素裝置正常運(yùn)行時(shí),高壓甲銨冷凝器副產(chǎn)壓力0.35 MPa(G)、溫度147 ℃的飽和蒸汽,蒸汽經(jīng)自調(diào)閥減壓后送出界區(qū)。該部分低品質(zhì)蒸汽原設(shè)計(jì)送往常壓氣化爐與蒸汽雙效溴化鋰機(jī)組,實(shí)際運(yùn)行中因自調(diào)閥減壓后溫度不足,影響造氣氣化爐與溴化鋰機(jī)組的正常運(yùn)行。

為解決副產(chǎn)蒸汽利用過程中存在的問題,生產(chǎn)中對(duì)管線實(shí)際運(yùn)行參數(shù)測(cè)量,結(jié)合生產(chǎn)裝置特點(diǎn)制定蒸汽管線改造方案。本次技改結(jié)合焦耳-湯姆遜原理,對(duì)尿素蒸汽、吹風(fēng)氣產(chǎn)汽管網(wǎng)進(jìn)行改造,技改項(xiàng)目投運(yùn)后達(dá)到預(yù)定效果,實(shí)現(xiàn)了蒸汽管網(wǎng)優(yōu)化與副產(chǎn)低品端蒸汽的高效利用。

1 原尿素副產(chǎn)蒸汽的利用及存在問題

尿素合成塔、氣提塔、高壓甲銨冷凝器和高壓洗滌器四臺(tái)設(shè)備組成的高壓圈是二氧化碳?xì)馓岱ǖ暮诵?高壓甲銨冷凝器列管中,氨與二氧化碳反應(yīng)生成甲銨,放出大量的反應(yīng)熱。設(shè)備內(nèi)殼程加冷凝液用以移走反應(yīng)熱,冷凝液吸收熱量后副產(chǎn)蒸汽。生產(chǎn)中通過控制蒸汽壓力調(diào)整甲銨合成反應(yīng)在預(yù)定指標(biāo)內(nèi)進(jìn)行,正常工況下高甲冷殼程汽包副產(chǎn)壓力0.35 MPa低壓飽和蒸汽25 t/h,該部分蒸汽因壓力與溫度偏低,長(zhǎng)期以來一直是低品質(zhì)蒸汽利用中的難題。為實(shí)現(xiàn)該部分蒸汽的高效利用,山西晉豐新增溴化鋰機(jī)組,設(shè)計(jì)使用參數(shù)為0.35 MPa飽和蒸汽10 t/h。原計(jì)劃溴化鋰機(jī)組投運(yùn)后,消耗尿素副產(chǎn)蒸汽10 t/h,有效緩解尿素副產(chǎn)蒸汽送造氣造成的緩沖罐溫度偏低問題。

雙效溴化鋰機(jī)組投運(yùn)后,用于加熱溴化鋰溶液的高壓發(fā)生器內(nèi)溫度無法達(dá)到正常運(yùn)行指標(biāo)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)排查發(fā)現(xiàn),尿素副產(chǎn)蒸汽經(jīng)外送自調(diào)閥減壓后壓力至40 kPa、溫度130 ℃,該蒸汽在輸送中部分損失,該溫度下溴化鋰機(jī)組無法正常運(yùn)行。在無法使用尿素副產(chǎn)蒸汽情況下,溴化鋰機(jī)組被迫改用品質(zhì)較好的低壓蒸汽(0.7 MPa,170 ℃),尿素蒸汽全部送造氣蒸汽緩沖罐。受節(jié)流降溫效應(yīng)、管線保溫影響,尿素副產(chǎn)蒸汽外送至造氣后溫度進(jìn)一步降至110 ℃,導(dǎo)致造氣蒸汽緩沖罐溫度偏低,影響氣化爐的正常運(yùn)行。蒸汽降溫后部分冷凝,造氣緩沖罐存在冷凝水,必須不間斷進(jìn)行排污,造成熱量、脫鹽水的大量損耗。

2 蒸汽在節(jié)流減壓過程中的能量變化

2.1 蒸汽節(jié)流膨脹中的焦耳-湯姆遜效應(yīng)

焦耳-湯姆遜效應(yīng)是指當(dāng)高壓氣體在通過截面突然縮小的斷面(如節(jié)流閥、管道上的針形閥、孔板等)時(shí),由于局部阻力,氣體的壓力將會(huì)降低,溫度會(huì)發(fā)生變化的現(xiàn)象。該現(xiàn)象廣泛存在于日常生活與生產(chǎn)中,該效應(yīng)同樣存在于蒸汽的輸送與節(jié)流膨脹中[1]。

焦耳-湯姆遜實(shí)驗(yàn)在絕熱系統(tǒng)中進(jìn)行,外界做的功等于系統(tǒng)內(nèi)能的改變,即U2-U1=p1V1-p2V2,式中U為氣體的內(nèi)能,p為壓強(qiáng),V是氣體的體積,根據(jù)熱力學(xué)第一定律:U1+p1V1=U2+p2V2,U+pV=H是氣體的狀態(tài)函數(shù)稱為焓,該公式表示節(jié)流前后氣體的焓值(H)不變。蒸汽輸送過程中,節(jié)流膨脹通常通過閥門進(jìn)行,不考慮閥門散熱影響,可近似認(rèn)為絕熱節(jié)流膨脹,根據(jù)以上分析可知在蒸汽節(jié)流前后焓值(H)同樣不變。

為了研究節(jié)流后氣體溫度隨壓強(qiáng)變化的情況,用焦耳-湯姆遜系數(shù)μ=(ΔT/Δp)H=(?T/?P)H來描述,以(?T/?p)H表示等焓過程中溫度隨壓強(qiáng)的變化率,氣體節(jié)流后壓強(qiáng)減小Δp<0,若節(jié)流后降溫ΔT<0,則μ>0,稱焦耳-湯姆遜正效應(yīng)。若節(jié)流升溫ΔT>0,則μ<0,稱焦耳-湯姆遜負(fù)效應(yīng)。若節(jié)流前后溫度不變,ΔT=0,稱為焦耳-湯姆遜零效應(yīng)。根據(jù)熱力學(xué)基本原理,氣體的內(nèi)能不僅是溫度的函數(shù),還是體積(或壓強(qiáng))的函數(shù)。當(dāng)氣體非常稀薄時(shí),氣體可認(rèn)為為理想狀態(tài),ΔT→0,一定量理想氣體的內(nèi)能僅僅是溫度的函數(shù)。在絕熱狀態(tài)下,減壓后的蒸汽壓力下降,焓不變,溫度不變,比容增加,熵增加,做功能力下降。除氫氣、氦氣、氖氣少部分氣體外,對(duì)于蒸汽等大多數(shù)氣體來說,從高壓到低壓經(jīng)節(jié)流膨脹后,焦耳-湯姆遜效應(yīng)為正效應(yīng),節(jié)流膨脹過程中氣體分子間距離增加、勢(shì)能增加,分子動(dòng)能下降(宏觀上體現(xiàn)為溫度下降)。蒸汽節(jié)流前后壓降越大,降溫效應(yīng)則越明顯。

根據(jù)以上分析,可知蒸汽經(jīng)歷節(jié)流膨脹后,蒸汽干度增加,濕飽和蒸汽變成干飽和蒸汽或者過熱蒸汽,飽和蒸汽減壓后為過熱蒸汽。實(shí)際生產(chǎn)中,受裝置條件與節(jié)流膨脹效應(yīng)影響,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量3.8 MPa、415 ℃過熱蒸汽節(jié)流降低至2.8 MPa后溫度降為400 ℃左右,穩(wěn)定工況下148 ℃尿素副產(chǎn)飽和蒸汽膨脹節(jié)流后降為130 ℃。

2.2 絕熱節(jié)流效應(yīng)對(duì)化工生產(chǎn)的影響

在化工生產(chǎn)操作單元中,蒸汽的用途主要有兩類,第一類為利用一定溫度、壓力下的蒸汽驅(qū)動(dòng)設(shè)備或直接參與化學(xué)反應(yīng),第二類為蒸汽用于化工操作單元過程中的加熱。當(dāng)蒸汽用于加熱單元過程時(shí),蒸汽溫度是保證工藝條件的關(guān)鍵。蒸汽作為化工生產(chǎn)的動(dòng)力源,為適應(yīng)不同工藝條件下的蒸汽品質(zhì)需求,蒸汽節(jié)流裝置廣泛應(yīng)用于不同品質(zhì)蒸汽需求的蒸汽管網(wǎng)中[2]。

特別是蒸汽用于加熱時(shí),蒸汽節(jié)流膨脹中能量轉(zhuǎn)化與溫度降低將直接影響蒸汽的可利用度,導(dǎo)致蒸汽的利用效率下降。在對(duì)尿素副產(chǎn)低壓蒸汽的利用中,因焦耳-湯姆遜效應(yīng)的存在導(dǎo)致截留降壓后的蒸汽溫度(130 ℃)無法達(dá)到雙效溴化鋰機(jī)組設(shè)計(jì)溫度,機(jī)組無法正常運(yùn)行。膨脹后的尿素副產(chǎn)蒸汽長(zhǎng)距離輸送后,用于電除塵瓷瓶干燥、脫硫溶液提溫、熔硫時(shí),均無法達(dá)到熔硫所需工藝溫度[3]。

2.3 絕熱膨脹對(duì)蒸汽管網(wǎng)設(shè)計(jì)的影響

尿素副產(chǎn)蒸汽節(jié)流膨脹后,由0.35 MPa(G)減壓至0.04 MPa(G)。根據(jù)Boyle定律,蒸汽體積與實(shí)際流量增加為原來的3倍,同等蒸汽流速下需增加輸送管線周表面積為原先的3倍,管徑為減壓前的1.732倍。根據(jù)蒸汽管線熱損公式,以800 m直徑為277 mm管線(巖棉保溫層30 mm)計(jì)算,尿素副產(chǎn)蒸汽損耗0.34 t/h,膨脹減壓后輸送蒸汽管線管徑增大將增加熱損蒸汽0.24 t/h。

3 蒸汽管網(wǎng)改造與運(yùn)行效果

3.1 尿素副產(chǎn)蒸汽管線技改

2022年,針對(duì)尿素蒸汽經(jīng)減壓膨脹后品質(zhì)下降、無法高效利用等問題,晉豐煤化工公司與山西省化工設(shè)計(jì)院確定管線改造方案。具體改造內(nèi)容為:尿素副產(chǎn)蒸汽外送管線原減壓閥移至溴化鋰機(jī)組、脫硫蒸汽用汽支路管線后,原兩條DN250 mm改為一條DN350 mm管線,經(jīng)溴化鋰機(jī)組后減為一根DN250 mm管線,改造前后蒸汽管線材質(zhì)均為標(biāo)號(hào)為3087的20#鋼。結(jié)合合成溴化鋰機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù),在尿素蒸汽節(jié)流減壓前進(jìn)行利用,保證溴化鋰機(jī)組與熔硫蒸汽、脫硫溶液加熱、瓷瓶加熱蒸汽指標(biāo),實(shí)現(xiàn)對(duì)尿素低壓副產(chǎn)蒸汽全部利用,按照500 m管線計(jì)算減少管線外表面積392 m2,按照30 mm巖棉保溫計(jì)算減少蒸汽熱損耗0.21 t/h。

3.2 尿素副產(chǎn)蒸汽改造后運(yùn)行效果

尿素蒸汽管網(wǎng)改造完成后順利投用,副產(chǎn)蒸汽在減壓前輸送至溴化鋰機(jī)組、脫硫工段,該部分蒸汽壓力仍然保持在0.35 MPa、147 ℃基本參數(shù)。溴化鋰機(jī)組原使用的0.7 MPa(170 ℃)蒸汽10 t/h全部送往低壓蒸汽管網(wǎng),凈化脫硫工段原使用的熔硫、瓷瓶、溶液10～15 t/h蒸汽(0.7 MPa、170 ℃)全部改用尿素副產(chǎn)蒸汽,各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)均穩(wěn)定。

原送往造氣蒸汽緩沖罐的低品質(zhì)副產(chǎn)蒸汽被替代后,改用更高品質(zhì)的過熱蒸汽用作煤氣化反應(yīng)的氣化劑,氣化爐工藝得到有效改善,長(zhǎng)期存在的蒸汽緩沖罐疏水問題得以徹底解決。表1為尿素蒸汽管線改造后造氣蒸汽緩沖罐運(yùn)行數(shù)據(jù)。

表1 尿素蒸汽管線改造后造氣蒸汽緩沖罐運(yùn)行數(shù)據(jù)

如表1所示,改造后造氣蒸汽緩沖罐溫度平均上漲20 ℃,按照低壓蒸汽恒壓比熱容1.85 kJ/(kg·K),造氣全蒸汽用量按150 t/h計(jì)算,入爐蒸汽熱量增加5 550 MJ/h,該部分熱量可折標(biāo)煤189 kg/h(4.5 t/d),按折標(biāo)系數(shù)0.92計(jì)算折原煤4.9 t。造氣爐內(nèi)燃燒原煤產(chǎn)生熱量用于制氣反應(yīng),綜合考慮間歇式氣化爐蓄熱時(shí)間減少,吹風(fēng)階段熱量損耗同比減少,實(shí)際日省煤量大于4.9 t。以上數(shù)據(jù)顯示,本次管線解決了長(zhǎng)期以來對(duì)尿素副產(chǎn)蒸汽無法高效利用的問題,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

3.3 中壓蒸汽管網(wǎng)改造中的應(yīng)用

尿素蒸汽管網(wǎng)改造完成后,造氣蒸汽緩沖罐溫度順利達(dá)到運(yùn)行指標(biāo)。為進(jìn)一步減少節(jié)流膨脹效應(yīng)對(duì)蒸汽品質(zhì)的影響,2022年檢修期間對(duì)造氣吹風(fēng)氣余熱回收裝置及系統(tǒng)蒸汽管線進(jìn)行技改提升。

作為常壓間歇式氣化爐能源回收與污染排放物治理裝置,吹風(fēng)氣余熱回收是合成氨系統(tǒng)蒸汽產(chǎn)汽與能源回收的關(guān)鍵設(shè)備設(shè)施。山西晉豐生產(chǎn)系統(tǒng)蒸汽主要來源于燃煤鍋爐與造氣吹風(fēng)氣余熱回收裝置,其產(chǎn)出蒸汽品質(zhì)均為3.8 MPa、415 ℃過熱蒸汽,該部分蒸汽除驅(qū)動(dòng)凝汽式汽輪機(jī)(20 t/h)運(yùn)轉(zhuǎn)外,仍有150 t/h通過減溫減壓閥后調(diào)整至2.8 MPa、300 ℃后送往變換、尿素工段。根據(jù)焦耳-湯姆遜節(jié)流原理,生產(chǎn)裝置大量的蒸汽節(jié)流造成了蒸汽品質(zhì)的下降與可用能損耗,蒸汽梯度利用較差。

本次蒸汽系統(tǒng)改造中,將原生產(chǎn)3.8 MPa過熱蒸汽的吹風(fēng)氣余熱回收裝置變更為生產(chǎn)3.0 MPa過熱蒸汽,所產(chǎn)蒸汽不經(jīng)減壓,直接送往大量使用3.0 MPa蒸汽的變換、尿素工段。根據(jù)換熱器熱量衡算,吹風(fēng)氣余熱裝置產(chǎn)生的蒸汽壓力降低后可拆除部分3.8 MPa蒸汽過熱器。在前期尿素蒸汽管網(wǎng)改造后,造氣蒸汽緩沖罐溫度已實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)運(yùn)行,原設(shè)置在吹風(fēng)氣換熱組件內(nèi)的低壓蒸汽過熱器同樣具備拆除條件。在拆除后的中壓蒸汽過熱器、低壓蒸汽換熱器位置處,增設(shè)中壓蒸發(fā)器增加吹風(fēng)氣裝置蒸發(fā)量,并增設(shè)直流鍋爐產(chǎn)出0.7 MPa、190 ℃低壓過熱蒸汽送入氣化爐蒸汽緩沖罐。

2022年底,吹風(fēng)氣余熱回收裝置及蒸汽管網(wǎng)改造完成。技改項(xiàng)目投用后,吹風(fēng)氣新增低壓直流鍋爐額外增產(chǎn)0.7 MPa、190 ℃低壓過熱蒸汽15 t/h。原3.8 MPa蒸汽過熱段拆除2組過熱器改為2.8 MPa蒸發(fā)管束后,提高鍋爐10%產(chǎn)汽效率,增加4 t/h蒸汽量,技改項(xiàng)目達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。

4 結(jié)束語

流體的焦耳-湯姆遜效應(yīng)作為基本的物理學(xué)原理,廣泛存在于日常生產(chǎn)與生活中,該效應(yīng)客觀描述了真實(shí)氣體或液體在節(jié)流膨脹中的溫度變化。在工業(yè)設(shè)計(jì)與實(shí)際生產(chǎn)中,需充分考慮到蒸汽節(jié)流前后的溫降效應(yīng),通過優(yōu)化設(shè)計(jì)與工藝調(diào)整,盡可能減少節(jié)流膨脹效應(yīng),實(shí)現(xiàn)蒸汽的分級(jí)高效利用。

鍋爐與生產(chǎn)系統(tǒng)蒸汽管網(wǎng)設(shè)計(jì)中,生產(chǎn)企業(yè)與設(shè)計(jì)單位需充分考慮用汽實(shí)際,不盲目追求高溫、高壓蒸汽,減少蒸汽在節(jié)流裝置內(nèi)的溫度與可用能量損耗,同時(shí)減少高品質(zhì)蒸汽所需的附加設(shè)備投資。在蒸汽設(shè)施與管線布置時(shí),產(chǎn)、用汽裝置盡可能減少壓力等級(jí)差值,減少節(jié)流膨脹溫度與可用能損耗。蒸汽輸送中,結(jié)合節(jié)流體積膨脹后輸送管道管徑增加實(shí)際,在不提升管線材質(zhì)前提下,盡可能將節(jié)流閥靠近用汽設(shè)備設(shè)置,減少管線熱量散失損耗[4-5]。

山西晉豐在尿素副產(chǎn)蒸汽改造項(xiàng)目中,將生產(chǎn)實(shí)踐與焦耳-湯姆遜原理結(jié)合,成功實(shí)現(xiàn)對(duì)低品質(zhì)飽和蒸汽的高效利用,有效避免蒸汽節(jié)流降溫后低溫蒸汽對(duì)造氣氣化爐工藝的影響。在蒸汽系統(tǒng)的進(jìn)一步改造中,對(duì)吹風(fēng)氣余熱裝置與蒸汽管網(wǎng)改造,同樣減少蒸汽輸送過程中的溫降與可用能損耗,取得良好的能源利用效應(yīng)與經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)前CO2氣提工藝仍是我國(guó)尿素主要的生產(chǎn)工藝,蒸汽絕熱節(jié)流是生產(chǎn)過程中的常見過程,山西晉豐將節(jié)流膨脹效應(yīng)在尿素副產(chǎn)蒸汽利用及吹風(fēng)氣余熱裝置改造中的科學(xué)應(yīng)用,將對(duì)行業(yè)內(nèi)副產(chǎn)蒸汽利用及蒸汽管網(wǎng)改造起到積極的借鑒作用。