曹春華

(中國中輕國際工程有限公司,北京,100026)

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·堿回收爐·

堿回收爐空氣加熱器冷凝水系統(tǒng)

曹春華

(中國中輕國際工程有限公司,北京,100026)

摘要：本文對堿回收爐空氣加熱器的蒸汽冷凝水系統(tǒng)進(jìn)行比較系統(tǒng)的介紹,著重比較了幾家實(shí)際運(yùn)行工廠的不同設(shè)計(jì)方案特點(diǎn),包括采用的不同設(shè)計(jì)流程、方案布置,以及在運(yùn)行中所帶來的優(yōu)缺點(diǎn)和注意事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞：冷凝水；閃蒸汽；汽化；潛熱；汽蝕

堿回收爐的空氣燃燒系統(tǒng)通常包括一次風(fēng)、二次風(fēng)和三次風(fēng)。其中一次風(fēng)、二次風(fēng)采用約150℃的熱風(fēng)(近年來,少數(shù)大型高壓堿爐也有采用170～180℃熱風(fēng)),因此需要通過新鮮蒸汽室溫空氣加熱來滿足工藝要求[1]。但是每個(gè)工廠的設(shè)計(jì)工藝不同,操作條件不同,新鮮蒸汽有效利用的程度就相距甚遠(yuǎn)。有的新鮮蒸汽只得到一次再利用,甚至沒有得到再次利用,且新鮮蒸汽產(chǎn)生的冷凝水和閃蒸汽沒有充分利用它的焓值。如何能較充分地利用閃蒸汽(二次蒸汽)和冷凝水,筆者通過幾個(gè)不同工藝設(shè)計(jì)的項(xiàng)目來分析,試圖在工藝和生產(chǎn)需要上,錄求比較合適的方案。

1空氣加熱系統(tǒng)工藝流程的幾種典型設(shè)計(jì)

1.1甲工廠堿回收爐空氣加熱系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)

甲工廠堿回收爐是中型鍋爐,日處理固形物360 t,過熱蒸汽壓力3.82 MPa,給水溫度130℃。其空氣加熱系統(tǒng)的工藝流程設(shè)計(jì)相對比較簡單,加熱蒸汽采用1.2 MPa(g)的中壓蒸汽。圖1為甲工廠堿回收爐空氣加熱系統(tǒng)流程示意圖。

由圖1可知,空氣加熱器分成兩段,中壓蒸汽(生蒸汽，以下同)先進(jìn)入空氣加熱器二段；冷凝水經(jīng)過疏水?dāng)U容罐后進(jìn)入到冷凝水箱,沒有完全冷凝的蒸汽經(jīng)過疏水?dāng)U容罐后,送入空氣加熱器一段,再進(jìn)入冷凝水箱；冷凝水在冷凝水箱閃蒸后,送入中壓除氧器及其水箱作為鍋爐補(bǔ)給水,冷凝水箱產(chǎn)生的二次蒸汽排入大氣。

該工藝設(shè)計(jì)簡單、易操作,只要根據(jù)加熱后的空氣溫度,通過手動閥門控制好中壓蒸汽的流量即可。因此對于自動水平不高、處理能力小的堿回收爐采用該方式比較適合。

該工藝設(shè)計(jì)雖然簡單,但不節(jié)能,而且蒸汽的利用率不高,還損失了蒸汽產(chǎn)生的冷凝水。具體數(shù)據(jù)分析為：中壓蒸汽1.2 MPa(g)下飽和中壓蒸汽冷凝水熱焓814.8 kJ/kg；0壓力下冷凝水熱焓419.1 kJ/kg；在0壓力下飽和水產(chǎn)生1 kg蒸汽需要熱量(即汽化熱)2259.5 kJ。則1.2 MPa(g)和0壓力冷凝水熱量差：814.8-419.1=395.7 kJ/kg,產(chǎn)生閃蒸汽量：395.7÷2259.5=0.175 kg蒸汽/kg冷凝水,即17.5%。

圖1　甲工廠堿回收爐空氣加熱系統(tǒng)流程示意圖

圖2　乙工廠堿回收爐空氣加熱系統(tǒng)流程示意圖

對于360 t/d(干固形物)堿回收爐來講,整個(gè)燃燒空氣加熱器系統(tǒng)中的中壓蒸汽耗量約5960 kg/h,則隨冷凝水箱的閃蒸汽排入大氣中的量為：5960×17.5%=1043 kg/h=25.03 t/d。也就是說,進(jìn)入空氣加熱系統(tǒng)中的中壓蒸汽產(chǎn)生冷凝水17.5%,即每天將會有約25 t清潔冷凝的軟化水被浪費(fèi)掉；并且這25 t清潔冷凝水還沒有利用其汽化潛熱和100℃水的顯熱。如果是大型堿回收爐,其數(shù)字就更加可觀了。

1.2乙工廠堿回收爐空氣加熱系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)

乙工廠堿回收爐是大型堿回收爐,日處理固形物1200 t,過熱蒸汽壓力6.8 MPa,給水溫度130℃。其空氣加熱器的加熱蒸汽采用1.2 MPa(g)的中壓蒸汽和0.45 MPa(g)的低壓蒸汽。圖2為乙工廠堿回收爐空氣加熱系統(tǒng)流程示意圖。

由圖2可知,空氣加熱器分成兩段,1.2 MPa(g)中壓蒸汽用于空氣加熱器二段,0.45 MPa(g)低壓蒸汽(生蒸汽，以下同)用于空氣加熱器一段；冷凝水在疏水?dāng)U容罐閃蒸后進(jìn)入到冷凝水箱,然后泵送入除氧水箱作為鍋爐補(bǔ)給水。疏水?dāng)U容罐的閃蒸汽送入除氧水箱,冷凝水箱產(chǎn)生的二次蒸汽排入大氣。

相比于甲工廠流程,乙工廠利用了造紙廠通常都有的2種加熱介質(zhì),即1.2 MPa(g)中壓蒸汽和0.45 MPa(g)低壓蒸汽來加熱燃燒空氣,這種設(shè)計(jì)比僅使用中壓蒸汽效果好,且節(jié)省蒸汽耗量。更重要的一點(diǎn)是,采用兩段加熱,可節(jié)省中壓蒸汽,使汽輪機(jī)少抽中壓蒸汽,多發(fā)電,達(dá)到節(jié)能的效果。疏水?dāng)U容罐產(chǎn)生的閃蒸汽送除氧水箱,用來加熱補(bǔ)給軟化水,節(jié)省了加熱軟化水耗用的蒸汽。這種設(shè)計(jì)蒸汽利用率較高,冷凝水基本回收,流程簡單,非常實(shí)用。

但該設(shè)計(jì)還是從冷凝水箱的排汽中損失了冷凝水。具體數(shù)據(jù)為：1.2 MPa(g)下飽和中壓蒸汽冷凝水熱焓814.8 kJ/kg,0.45 MPa(g)下飽和低壓蒸汽冷凝水熱焓655.9 kJ/kg,0.15 MPa(g)下除氧器中低壓蒸汽冷凝水熱焓535.4 kJ/kg,0壓力下冷凝水熱焓419.1 kJ/kg。0.15 MPa(g)下飽和水產(chǎn)生1 kg蒸汽需要熱量(即汽化熱)2181.2 kJ,0壓力下飽和水產(chǎn)生1 kg蒸汽需要熱量(即汽化熱)2259.5 kJ。

進(jìn)入疏水?dāng)U容罐中的中壓蒸汽冷凝水中有12.8%((814.8-535.4)÷2181.2×100%=12.8%)被閃蒸,并被送入除氧水箱回用；其中低壓蒸汽冷凝水中有5.5%((655.9-535.4)÷2181.2×100%=5.5%)被閃蒸,并被送入除氧水箱回用；進(jìn)入到冷凝水箱所有冷凝水的5.2%將會被閃蒸而排入大氣,大約占總蒸汽耗量的4.7%。對于乙工廠來講,中壓和低壓蒸汽總消耗量(用于空氣加熱系統(tǒng))約為15.2 t/h,隨著冷凝水箱排入大氣的二次蒸汽(清潔冷凝水量)是0.71 t/h,即17 t/d。同樣這17 t清潔冷凝水仍然沒有利用其汽化潛熱和100℃水的顯熱。

圖3　丙工廠堿回收爐空氣加熱系統(tǒng)流程圖

1.3丙工廠堿回收爐空氣加熱系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)

丙工廠堿回收爐是大型高壓堿回收爐,日處理固形物5000 t,過熱蒸汽壓力8.5 MPa,給水溫度130℃。其空氣加熱器的加熱蒸汽同樣采用1.2 MPa(g)的中壓蒸汽和0.45 MPa(g)的低壓蒸汽。圖3為丙工廠堿回收爐空氣加熱系統(tǒng)流程示意圖。

丙工廠堿回收爐同樣把空氣加熱器分成兩段,1.2 MPa(g)中壓蒸汽用于空氣加熱器二段,0.45 MPa(g)低壓蒸汽用于空氣加熱器一段。但是跟乙工廠堿回收爐流程不同的是,該工廠采用兩個(gè)疏水?dāng)U容罐來分別接收中壓蒸汽和低壓蒸汽的冷凝水。中壓蒸汽加熱空氣加熱器二段(高溫段),其產(chǎn)生冷凝水送入中壓疏水?dāng)U容罐,然后中壓冷凝水再進(jìn)一步送到低壓疏水?dāng)U容罐；低壓蒸汽加熱器一段(低溫段),其產(chǎn)生冷凝水送入低壓疏水?dāng)U容罐,然后低壓冷凝水再進(jìn)一步送到冷凝水箱,最后泵送至除氧水箱作為鍋爐補(bǔ)給水；兩個(gè)收集罐中產(chǎn)生的氣體送回到各自的生蒸汽管道。冷凝水箱產(chǎn)生的二次蒸汽排入大氣。

相比于乙工廠堿回收空氣加熱系統(tǒng)流程,丙工廠采用兩級疏水?dāng)U容罐來分別收集中壓和低壓蒸汽冷凝水,并且收集罐排汽至生蒸汽管道。這樣設(shè)計(jì)的好處是,不需要在空氣換熱器和疏水?dāng)U容罐之間設(shè)置疏水閥,增加了蒸汽換熱的動力；使沒有完全冷凝的蒸汽又回到了蒸汽管道,沒有浪費(fèi)這部分的熱能。從而避免了由于冷凝水疏水不及時(shí)帶來的問題。

但該設(shè)計(jì)中,把低壓疏水?dāng)U容罐輸送到冷凝水箱,會從冷凝水箱的排汽中損失大量的閃蒸汽及閃蒸汽帶走的熱量。具體數(shù)據(jù)為：1.2 MPa(g)下飽和中壓蒸汽冷凝水熱焓814.8 kJ/kg,0.45 MPa(g)下飽和低壓蒸汽冷凝水熱焓655.9 kJ/kg,0壓力下冷凝水熱焓419.1 kJ/kg。0.45 MPa(g)下飽和水產(chǎn)生1 kg蒸汽需要熱量(即汽化熱)2096.5 kJ,0壓力下飽和水產(chǎn)生1 kg蒸汽需要熱量(即汽化熱)2259.5 kJ。

可知,進(jìn)入低壓疏水?dāng)U容罐中的中壓蒸汽冷凝水中有7.6%((814.8-655.9)÷2096.5×100%=7.6%)被閃蒸；而從低壓疏水?dāng)U容罐中的水送入冷凝水箱時(shí),所有冷凝水的10.5%((655.9-419.1)÷2259.5×100%=10.5%)將會被閃蒸而排入大氣,大約占總蒸汽耗量的10.1%，這個(gè)比例還是比較高的。對于丙工廠來講,中壓和低壓蒸汽總消耗量(用于空氣加熱系統(tǒng))約為39.5 t/h,即隨著冷凝水箱排入大氣的二次蒸汽(清潔冷凝水量)是4 t/h,即96 t/d。同樣這96 t清潔冷凝水仍然沒有利用其汽化潛熱和100℃水的顯熱。相信在工廠運(yùn)行中,將會考慮在冷凝水箱上回收閃蒸汽。

1.4丁工廠堿回收爐空氣加熱系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)

丁工廠堿回收爐是大型高壓堿回收爐,日處理固形物4000 t,過熱蒸汽壓力8.5 MPa,給水溫度130℃。其空氣加熱器的加熱蒸汽同樣采用1.2 MPa(g)的中壓蒸汽和0.45 MPa(g)的低壓蒸汽。圖4為丁工廠堿回收爐空氣加熱系統(tǒng)流程示意圖。

由圖4可知,丁工廠堿回收爐空氣加熱系統(tǒng)流程與丙工廠基本一致,唯一不同的是,低壓疏水?dāng)U容罐的冷凝水泵送至定期排污擴(kuò)容器。即冷凝水在定排中閃蒸排大氣,冷凝水與鍋爐定排水送至冷卻塔回用。

相比于丙工廠堿回收爐空氣加熱系統(tǒng)流程,由于定期排污擴(kuò)容器在運(yùn)行中也是常壓操作,因此丁工廠的冷凝水隨二次蒸汽的排放比例跟丙工廠應(yīng)該是一致的。其計(jì)算的工藝條件與丙工廠相同,可計(jì)算得出：被閃蒸而排入大氣,大約占總蒸汽耗量的10.1%。對于丁工廠來講,中壓蒸汽和低壓蒸汽總消耗量(用于空氣加熱系統(tǒng))約為34 t/h,可知,隨著冷凝水箱排入大氣的二次蒸汽(清潔冷凝水量)是3.4 t/h,即82 t/d。同樣這82 t清潔冷凝水仍然沒有利用其汽化潛熱和100℃水的顯熱。

圖4　丁工廠堿回收爐空氣加熱系統(tǒng)流程圖

圖5　戊工廠堿回收爐空氣加熱系統(tǒng)流程圖

1.5戊工廠堿回收爐空氣加熱系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)

戊工廠堿回收爐是大中型堿回收爐,日處理固形物2200 t,過熱蒸汽壓力8.5 MPa,給水溫度130℃。其空氣加熱器的加熱蒸汽同樣采用1.2 MPa(g)的中壓蒸汽和0.45 MPa(g)的低壓蒸汽。圖5為戊工廠堿回收爐空氣加熱系統(tǒng)流程示意圖。

由圖5可知,戊工廠流程采用把空氣加熱器分成兩段,1.2 MPa(g)中壓蒸汽用于空氣加熱器二段,0.45 MPa(g)低壓蒸汽用于空氣加熱器一段；中壓蒸汽加熱空氣加熱器二段(高溫段),其產(chǎn)生冷凝水送入中壓疏水?dāng)U容罐,然后中壓冷凝水在進(jìn)一步送到低壓疏水?dāng)U容罐；低壓蒸汽加熱器一段(低溫段),其產(chǎn)生冷凝水送入低壓疏水?dāng)U容罐,兩個(gè)收集罐中產(chǎn)生的氣體送回到各自的生蒸汽管道。與以上堿回收爐空氣加熱系統(tǒng)不同的是,戊工廠增加了一個(gè)疏水?dāng)U容罐,用來收集低壓收集罐來的冷凝水,其產(chǎn)生的閃蒸汽送入除氧水箱,冷凝水也泵送冷凝水箱。

戊工廠流程設(shè)計(jì)的本意是增加一級疏水?dāng)U容罐,多一次利用,有節(jié)能的作用。并且把疏水?dāng)U容罐的閃蒸汽和冷凝水都送到除氧水箱,該設(shè)計(jì)的本意也是減少閃蒸汽排入大氣導(dǎo)致浪費(fèi)。但是該設(shè)計(jì)導(dǎo)致冷凝水泵非常難以選擇,泵的汽蝕傾向非常明顯,在運(yùn)行時(shí)也是如此,該泵抽出大量蒸汽,非常容易故障。因此在該設(shè)計(jì)中,應(yīng)該把泵入口的疏水?dāng)U容罐布置在二層樓面,使冷凝水泵有這個(gè)靜壓頭,可以防止該泵汽蝕。

1.6改良戊工廠堿回收爐空氣加熱系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)

結(jié)合以上5家工廠的工藝流程,并分析了各個(gè)流程的特點(diǎn),筆者改良了戊工廠堿回收爐空氣加熱系統(tǒng)流程,圖6為改良戊工廠堿回收爐空氣加熱系統(tǒng)流程示意圖。

與戊工廠流程不同的是,疏水?dāng)U容罐的冷凝水送入冷凝水箱,并且冷凝水箱也同樣收集其他工段的冷凝水。對于高壓堿回收爐,給水的品質(zhì)對銅離子和鐵離子都有要求,因此通常回收的冷凝水需要精濾或者送入化學(xué)水站處理。該流程中,冷凝水箱出來的冷凝水泵送至過濾器進(jìn)行處理后,再送入除氧水箱作為給水使用。冷凝水箱產(chǎn)生的閃蒸汽排入大氣。

圖6　改良戊工廠堿回收爐空氣加熱系統(tǒng)流程圖

相比于戊工廠原來流程,改良后的流程,不但達(dá)到了多一次利用閃蒸汽、節(jié)能的作用，且不會對冷凝水在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生汽蝕傾向。具體數(shù)據(jù)為：1.2 MPa(g)下飽和中壓蒸汽冷凝水熱焓814.8 kJ/kg,0.45 MPa(g)下飽和低壓蒸汽冷凝水熱焓655.9 kJ/kg, 0.15 MPa(g)下除氧器中低壓蒸汽冷凝水熱焓535.4 kJ/kg, 0壓力下冷凝水熱焓419.1 kJ/kg。 0.45 MPa(g)下飽和水產(chǎn)生1 kg蒸汽需要熱量(即汽化熱)2096.5 kJ, 0.15 MPa(g)下飽和水產(chǎn)生1 kg蒸汽需要熱量(即汽化熱)2181.2 kJ, 0壓力下飽和水產(chǎn)生1 kg蒸汽需要熱量(即汽化熱)2259.5 kJ。

進(jìn)入低壓疏水?dāng)U容罐中的中壓蒸汽冷凝水中有7.6%((814.8-655.9)÷2096.5×100%=7.6%)被閃蒸； 而從低壓疏水?dāng)U容罐中的水送入疏水?dāng)U容罐時(shí), 所有冷凝水的5.5%(655.9-535.4)÷2181.2×100%=5.5%)將會被閃蒸； 而從疏水?dāng)U容罐中的水送入冷凝水箱時(shí), 所有冷凝水的5.2%((535.4-419.1)÷2259.5×100%=5.2%)將會被閃蒸而排入大氣,大約占總蒸汽耗量的2.2%。

對于戊工廠來講,中壓蒸汽和低壓蒸汽總消耗量(用于空氣加熱系統(tǒng))約為22.8 t/h,即隨著冷凝水箱排入大氣的二次蒸汽(清潔冷凝水量)是0.5 t/h或12.2 t/d。

2結(jié)論

2.1推薦方案

從甲、乙、丙、丁、戊工廠和改良戊工廠的堿回收爐空氣加熱系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)中,可清楚的看出不同工廠工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。筆者推薦改良戊工廠的系統(tǒng)設(shè)計(jì),正如圖6所示和文中1.6節(jié)所描述的那樣,該設(shè)計(jì)采用3個(gè)冷凝水疏水?dāng)U容器可以成梯級的、最大限度的收集和利用閃蒸汽,而又沒有導(dǎo)致投資成本和系統(tǒng)的復(fù)雜性大幅增加；并且收集到的冷凝水經(jīng)過處理后,返回到堿回收爐給水系統(tǒng)中,降低了化學(xué)水的處理過程,節(jié)約了成本。

2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需注意的問題

對于堿回收爐空氣加熱器冷凝水系統(tǒng),筆者在工作中遇到以下問題,供大家參考。

(1)空氣加熱器中,蒸汽換熱后變成冷凝水,冷凝水一定要及時(shí)排除,否則嚴(yán)重影響運(yùn)行,長時(shí)間會導(dǎo)致設(shè)備損壞。如冷凝水水膜導(dǎo)致?lián)Q熱系數(shù)下降,進(jìn)而降低換熱效率。沒有及時(shí)排出的冷凝水,積累起來,在蒸汽流的作用下產(chǎn)生噪音,嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)水錘現(xiàn)象,并對設(shè)備產(chǎn)生很大的沖擊。設(shè)備在長時(shí)間的沖擊下,導(dǎo)致管接頭泄露,焊縫裂開,直至設(shè)備損壞。

(2)空氣加熱器中一定要做到及時(shí)排氣。加熱器在設(shè)計(jì)時(shí),需要設(shè)置排空氣裝置,因?yàn)樵谠O(shè)備開機(jī)前會混入部分空氣,這些空氣混合在蒸汽中,降低熱交換效率；并且當(dāng)空氣溶入冷凝水中后,冷凝水具有腐蝕性。排空氣裝置的塞子,建議不要設(shè)計(jì)成螺紋連接,這種設(shè)計(jì)在實(shí)際運(yùn)行中容易泄露。

(3)疏水?dāng)U容罐和冷凝水箱的布置上,一定要注意布置上的高差和工況下的溫度、壓力對泵汽蝕的影響。對于疏水?dāng)U容罐和冷凝水箱,如果需要用離心泵來輸送冷凝水,盡量將收集罐和冷凝水箱布置在樓上,泵布置在樓下,滿足泵的靜壓頭要求,這樣能有效地避免汽蝕現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)

[1]CAO Chun-hua. Air Supply System of Chemical Recovery Furnace[J]. China Pulp & Paper, 2013, 32(1)： 46.

(責(zé)任編輯：董鳳霞)

Condensate System for Air Preheater of Soda Recovery Boiler

CAO Chun-hua

(ChinaLightIndustryInternationalEngineeringCo.,Ltd.,Beijing, 100026)

(E-mail: caochh@cliec.cn)

Abstract：This paper systematically introduced steam condensate system for air preheater of soda recovery boiler, and mainly compared the characteristics of different design schemes in actual paper mills, including the process diagram and layout design, the advantages, disadvantages, and matters should be paid attention to in the operation.

Key words：condensate; flash vapor; vaporization; latent heat; cavitation

收稿日期：2014- 10- 04(修改稿)

中圖分類號：TS733+.9

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0254- 508X(2015)01- 0044- 05

作者簡介：曹春華先生,高級工程師；主要從事制漿造紙工藝設(shè)計(jì)工作。