碱回收炉空气加热器冷凝水系统

曹春华

(中国中轻国际工程有限公司,北京,100026)



·碱回收炉·

碱回收炉空气加热器冷凝水系统

曹春华

(中国中轻国际工程有限公司,北京,100026)

摘要：本文对碱回收炉空气加热器的蒸汽冷凝水系统进行比较系统的介绍,着重比较了几家实际运行工厂的不同设计方案特点,包括采用的不同设计流程、方案布置,以及在运行中所带来的优缺点和注意事项。

关键词：冷凝水；闪蒸汽；汽化；潜热；汽蚀

碱回收炉的空气燃烧系统通常包括一次风、二次风和三次风。其中一次风、二次风采用约150℃的热风(近年来,少数大型高压碱炉也有采用170～180℃热风),因此需要通过新鲜蒸汽室温空气加热来满足工艺要求[1]。但是每个工厂的设计工艺不同,操作条件不同,新鲜蒸汽有效利用的程度就相距甚远。有的新鲜蒸汽只得到一次再利用,甚至没有得到再次利用,且新鲜蒸汽产生的冷凝水和闪蒸汽没有充分利用它的焓值。如何能较充分地利用闪蒸汽(二次蒸汽)和冷凝水,笔者通过几个不同工艺设计的项目来分析,试图在工艺和生产需要上,录求比较合适的方案。

1空气加热系统工艺流程的几种典型设计

1.1甲工厂碱回收炉空气加热系统工艺设计

甲工厂碱回收炉是中型锅炉,日处理固形物360 t,过热蒸汽压力3.82 MPa,给水温度130℃。其空气加热系统的工艺流程设计相对比较简单,加热蒸汽采用1.2 MPa(g)的中压蒸汽。图1为甲工厂碱回收炉空气加热系统流程示意图。

由图1可知,空气加热器分成两段,中压蒸汽(生蒸汽，以下同)先进入空气加热器二段；冷凝水经过疏水扩容罐后进入到冷凝水箱,没有完全冷凝的蒸汽经过疏水扩容罐后,送入空气加热器一段,再进入冷凝水箱；冷凝水在冷凝水箱闪蒸后,送入中压除氧器及其水箱作为锅炉补给水,冷凝水箱产生的二次蒸汽排入大气。

该工艺设计简单、易操作,只要根据加热后的空气温度,通过手动阀门控制好中压蒸汽的流量即可。因此对于自动水平不高、处理能力小的碱回收炉采用该方式比较适合。

该工艺设计虽然简单,但不节能,而且蒸汽的利用率不高,还损失了蒸汽产生的冷凝水。具体数据分析为：中压蒸汽1.2 MPa(g)下饱和中压蒸汽冷凝水热焓814.8 kJ/kg；0压力下冷凝水热焓419.1 kJ/kg；在0压力下饱和水产生1 kg蒸汽需要热量(即汽化热)2259.5 kJ。则1.2 MPa(g)和0压力冷凝水热量差：814.8-419.1=395.7 kJ/kg,产生闪蒸汽量：395.7÷2259.5=0.175 kg蒸汽/kg冷凝水,即17.5%。

图1　甲工厂碱回收炉空气加热系统流程示意图

图2　乙工厂碱回收炉空气加热系统流程示意图

对于360 t/d(干固形物)碱回收炉来讲,整个燃烧空气加热器系统中的中压蒸汽耗量约5960 kg/h,则随冷凝水箱的闪蒸汽排入大气中的量为：5960×17.5%=1043 kg/h=25.03 t/d。也就是说,进入空气加热系统中的中压蒸汽产生冷凝水17.5%,即每天将会有约25 t清洁冷凝的软化水被浪费掉；并且这25 t清洁冷凝水还没有利用其汽化潜热和100℃水的显热。如果是大型碱回收炉,其数字就更加可观了。

1.2乙工厂碱回收炉空气加热系统工艺设计

乙工厂碱回收炉是大型碱回收炉,日处理固形物1200 t,过热蒸汽压力6.8 MPa,给水温度130℃。其空气加热器的加热蒸汽采用1.2 MPa(g)的中压蒸汽和0.45 MPa(g)的低压蒸汽。图2为乙工厂碱回收炉空气加热系统流程示意图。

由图2可知,空气加热器分成两段,1.2 MPa(g)中压蒸汽用于空气加热器二段,0.45 MPa(g)低压蒸汽(生蒸汽，以下同)用于空气加热器一段；冷凝水在疏水扩容罐闪蒸后进入到冷凝水箱,然后泵送入除氧水箱作为锅炉补给水。疏水扩容罐的闪蒸汽送入除氧水箱,冷凝水箱产生的二次蒸汽排入大气。

相比于甲工厂流程,乙工厂利用了造纸厂通常都有的2种加热介质,即1.2 MPa(g)中压蒸汽和0.45 MPa(g)低压蒸汽来加热燃烧空气,这种设计比仅使用中压蒸汽效果好,且节省蒸汽耗量。更重要的一点是,采用两段加热,可节省中压蒸汽,使汽轮机少抽中压蒸汽,多发电,达到节能的效果。疏水扩容罐产生的闪蒸汽送除氧水箱,用来加热补给软化水,节省了加热软化水耗用的蒸汽。这种设计蒸汽利用率较高,冷凝水基本回收,流程简单,非常实用。

但该设计还是从冷凝水箱的排汽中损失了冷凝水。具体数据为：1.2 MPa(g)下饱和中压蒸汽冷凝水热焓814.8 kJ/kg,0.45 MPa(g)下饱和低压蒸汽冷凝水热焓655.9 kJ/kg,0.15 MPa(g)下除氧器中低压蒸汽冷凝水热焓535.4 kJ/kg,0压力下冷凝水热焓419.1 kJ/kg。0.15 MPa(g)下饱和水产生1 kg蒸汽需要热量(即汽化热)2181.2 kJ,0压力下饱和水产生1 kg蒸汽需要热量(即汽化热)2259.5 kJ。

进入疏水扩容罐中的中压蒸汽冷凝水中有12.8%((814.8-535.4)÷2181.2×100%=12.8%)被闪蒸,并被送入除氧水箱回用；其中低压蒸汽冷凝水中有5.5%((655.9-535.4)÷2181.2×100%=5.5%)被闪蒸,并被送入除氧水箱回用；进入到冷凝水箱所有冷凝水的5.2%将会被闪蒸而排入大气,大约占总蒸汽耗量的4.7%。对于乙工厂来讲,中压和低压蒸汽总消耗量(用于空气加热系统)约为15.2 t/h,随着冷凝水箱排入大气的二次蒸汽(清洁冷凝水量)是0.71 t/h,即17 t/d。同样这17 t清洁冷凝水仍然没有利用其汽化潜热和100℃水的显热。

图3　丙工厂碱回收炉空气加热系统流程图

1.3丙工厂碱回收炉空气加热系统工艺设计

丙工厂碱回收炉是大型高压碱回收炉,日处理固形物5000 t,过热蒸汽压力8.5 MPa,给水温度130℃。其空气加热器的加热蒸汽同样采用1.2 MPa(g)的中压蒸汽和0.45 MPa(g)的低压蒸汽。图3为丙工厂碱回收炉空气加热系统流程示意图。

丙工厂碱回收炉同样把空气加热器分成两段,1.2 MPa(g)中压蒸汽用于空气加热器二段,0.45 MPa(g)低压蒸汽用于空气加热器一段。但是跟乙工厂碱回收炉流程不同的是,该工厂采用两个疏水扩容罐来分别接收中压蒸汽和低压蒸汽的冷凝水。中压蒸汽加热空气加热器二段(高温段),其产生冷凝水送入中压疏水扩容罐,然后中压冷凝水再进一步送到低压疏水扩容罐；低压蒸汽加热器一段(低温段),其产生冷凝水送入低压疏水扩容罐,然后低压冷凝水再进一步送到冷凝水箱,最后泵送至除氧水箱作为锅炉补给水；两个收集罐中产生的气体送回到各自的生蒸汽管道。冷凝水箱产生的二次蒸汽排入大气。

相比于乙工厂碱回收空气加热系统流程,丙工厂采用两级疏水扩容罐来分别收集中压和低压蒸汽冷凝水,并且收集罐排汽至生蒸汽管道。这样设计的好处是,不需要在空气换热器和疏水扩容罐之间设置疏水阀,增加了蒸汽换热的动力；使没有完全冷凝的蒸汽又回到了蒸汽管道,没有浪费这部分的热能。从而避免了由于冷凝水疏水不及时带来的问题。

但该设计中,把低压疏水扩容罐输送到冷凝水箱,会从冷凝水箱的排汽中损失大量的闪蒸汽及闪蒸汽带走的热量。具体数据为：1.2 MPa(g)下饱和中压蒸汽冷凝水热焓814.8 kJ/kg,0.45 MPa(g)下饱和低压蒸汽冷凝水热焓655.9 kJ/kg,0压力下冷凝水热焓419.1 kJ/kg。0.45 MPa(g)下饱和水产生1 kg蒸汽需要热量(即汽化热)2096.5 kJ,0压力下饱和水产生1 kg蒸汽需要热量(即汽化热)2259.5 kJ。

可知,进入低压疏水扩容罐中的中压蒸汽冷凝水中有7.6%((814.8-655.9)÷2096.5×100%=7.6%)被闪蒸；而从低压疏水扩容罐中的水送入冷凝水箱时,所有冷凝水的10.5%((655.9-419.1)÷2259.5×100%=10.5%)将会被闪蒸而排入大气,大约占总蒸汽耗量的10.1%，这个比例还是比较高的。对于丙工厂来讲,中压和低压蒸汽总消耗量(用于空气加热系统)约为39.5 t/h,即随着冷凝水箱排入大气的二次蒸汽(清洁冷凝水量)是4 t/h,即96 t/d。同样这96 t清洁冷凝水仍然没有利用其汽化潜热和100℃水的显热。相信在工厂运行中,将会考虑在冷凝水箱上回收闪蒸汽。

1.4丁工厂碱回收炉空气加热系统工艺设计

丁工厂碱回收炉是大型高压碱回收炉,日处理固形物4000 t,过热蒸汽压力8.5 MPa,给水温度130℃。其空气加热器的加热蒸汽同样采用1.2 MPa(g)的中压蒸汽和0.45 MPa(g)的低压蒸汽。图4为丁工厂碱回收炉空气加热系统流程示意图。

由图4可知,丁工厂碱回收炉空气加热系统流程与丙工厂基本一致,唯一不同的是,低压疏水扩容罐的冷凝水泵送至定期排污扩容器。即冷凝水在定排中闪蒸排大气,冷凝水与锅炉定排水送至冷却塔回用。

相比于丙工厂碱回收炉空气加热系统流程,由于定期排污扩容器在运行中也是常压操作,因此丁工厂的冷凝水随二次蒸汽的排放比例跟丙工厂应该是一致的。其计算的工艺条件与丙工厂相同,可计算得出：被闪蒸而排入大气,大约占总蒸汽耗量的10.1%。对于丁工厂来讲,中压蒸汽和低压蒸汽总消耗量(用于空气加热系统)约为34 t/h,可知,随着冷凝水箱排入大气的二次蒸汽(清洁冷凝水量)是3.4 t/h,即82 t/d。同样这82 t清洁冷凝水仍然没有利用其汽化潜热和100℃水的显热。

图4　丁工厂碱回收炉空气加热系统流程图

图5　戊工厂碱回收炉空气加热系统流程图

1.5戊工厂碱回收炉空气加热系统工艺设计

戊工厂碱回收炉是大中型碱回收炉,日处理固形物2200 t,过热蒸汽压力8.5 MPa,给水温度130℃。其空气加热器的加热蒸汽同样采用1.2 MPa(g)的中压蒸汽和0.45 MPa(g)的低压蒸汽。图5为戊工厂碱回收炉空气加热系统流程示意图。

由图5可知,戊工厂流程采用把空气加热器分成两段,1.2 MPa(g)中压蒸汽用于空气加热器二段,0.45 MPa(g)低压蒸汽用于空气加热器一段；中压蒸汽加热空气加热器二段(高温段),其产生冷凝水送入中压疏水扩容罐,然后中压冷凝水在进一步送到低压疏水扩容罐；低压蒸汽加热器一段(低温段),其产生冷凝水送入低压疏水扩容罐,两个收集罐中产生的气体送回到各自的生蒸汽管道。与以上碱回收炉空气加热系统不同的是,戊工厂增加了一个疏水扩容罐,用来收集低压收集罐来的冷凝水,其产生的闪蒸汽送入除氧水箱,冷凝水也泵送冷凝水箱。

戊工厂流程设计的本意是增加一级疏水扩容罐,多一次利用,有节能的作用。并且把疏水扩容罐的闪蒸汽和冷凝水都送到除氧水箱,该设计的本意也是减少闪蒸汽排入大气导致浪费。但是该设计导致冷凝水泵非常难以选择,泵的汽蚀倾向非常明显,在运行时也是如此,该泵抽出大量蒸汽,非常容易故障。因此在该设计中,应该把泵入口的疏水扩容罐布置在二层楼面,使冷凝水泵有这个静压头,可以防止该泵汽蚀。

1.6改良戊工厂碱回收炉空气加热系统工艺设计

结合以上5家工厂的工艺流程,并分析了各个流程的特点,笔者改良了戊工厂碱回收炉空气加热系统流程,图6为改良戊工厂碱回收炉空气加热系统流程示意图。

与戊工厂流程不同的是,疏水扩容罐的冷凝水送入冷凝水箱,并且冷凝水箱也同样收集其他工段的冷凝水。对于高压碱回收炉,给水的品质对铜离子和铁离子都有要求,因此通常回收的冷凝水需要精滤或者送入化学水站处理。该流程中,冷凝水箱出来的冷凝水泵送至过滤器进行处理后,再送入除氧水箱作为给水使用。冷凝水箱产生的闪蒸汽排入大气。

图6　改良戊工厂碱回收炉空气加热系统流程图

相比于戊工厂原来流程,改良后的流程,不但达到了多一次利用闪蒸汽、节能的作用，且不会对冷凝水在运行时产生汽蚀倾向。具体数据为：1.2 MPa(g)下饱和中压蒸汽冷凝水热焓814.8 kJ/kg,0.45 MPa(g)下饱和低压蒸汽冷凝水热焓655.9 kJ/kg, 0.15 MPa(g)下除氧器中低压蒸汽冷凝水热焓535.4 kJ/kg, 0压力下冷凝水热焓419.1 kJ/kg。 0.45 MPa(g)下饱和水产生1 kg蒸汽需要热量(即汽化热)2096.5 kJ, 0.15 MPa(g)下饱和水产生1 kg蒸汽需要热量(即汽化热)2181.2 kJ, 0压力下饱和水产生1 kg蒸汽需要热量(即汽化热)2259.5 kJ。

进入低压疏水扩容罐中的中压蒸汽冷凝水中有7.6%((814.8-655.9)÷2096.5×100%=7.6%)被闪蒸； 而从低压疏水扩容罐中的水送入疏水扩容罐时, 所有冷凝水的5.5%(655.9-535.4)÷2181.2×100%=5.5%)将会被闪蒸； 而从疏水扩容罐中的水送入冷凝水箱时, 所有冷凝水的5.2%((535.4-419.1)÷2259.5×100%=5.2%)将会被闪蒸而排入大气,大约占总蒸汽耗量的2.2%。

对于戊工厂来讲,中压蒸汽和低压蒸汽总消耗量(用于空气加热系统)约为22.8 t/h,即随着冷凝水箱排入大气的二次蒸汽(清洁冷凝水量)是0.5 t/h或12.2 t/d。

2结论

2.1推荐方案

从甲、乙、丙、丁、戊工厂和改良戊工厂的碱回收炉空气加热系统工艺设计中,可清楚的看出不同工厂工艺系统设计的特点。笔者推荐改良戊工厂的系统设计,正如图6所示和文中1.6节所描述的那样,该设计采用3个冷凝水疏水扩容器可以成梯级的、最大限度的收集和利用闪蒸汽,而又没有导致投资成本和系统的复杂性大幅增加；并且收集到的冷凝水经过处理后,返回到碱回收炉给水系统中,降低了化学水的处理过程,节约了成本。

2.2系统设计中需注意的问题

对于碱回收炉空气加热器冷凝水系统,笔者在工作中遇到以下问题,供大家参考。

(1)空气加热器中,蒸汽换热后变成冷凝水,冷凝水一定要及时排除,否则严重影响运行,长时间会导致设备损坏。如冷凝水水膜导致换热系数下降,进而降低换热效率。没有及时排出的冷凝水,积累起来,在蒸汽流的作用下产生噪音,严重时出现水锤现象,并对设备产生很大的冲击。设备在长时间的冲击下,导致管接头泄露,焊缝裂开,直至设备损坏。

(2)空气加热器中一定要做到及时排气。加热器在设计时,需要设置排空气装置,因为在设备开机前会混入部分空气,这些空气混合在蒸汽中,降低热交换效率；并且当空气溶入冷凝水中后,冷凝水具有腐蚀性。排空气装置的塞子,建议不要设计成螺纹连接,这种设计在实际运行中容易泄露。

(3)疏水扩容罐和冷凝水箱的布置上,一定要注意布置上的高差和工况下的温度、压力对泵汽蚀的影响。对于疏水扩容罐和冷凝水箱,如果需要用离心泵来输送冷凝水,尽量将收集罐和冷凝水箱布置在楼上,泵布置在楼下,满足泵的静压头要求,这样能有效地避免汽蚀现象。

参考文献

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

(责任编辑：董凤霞)

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)

中图分类号：TS733+.9

文献标识码：A

文章编号：0254- 508X(2015)01- 0044- 05

作者简介：曹春华先生,高级工程师；主要从事制浆造纸工艺设计工作。