引言新疆冶炼厂主要产品为镍、铜、钴等，生产采用水淬金属化高冰镍硫酸选择性浸出（湿法冶炼）工艺。目前，冶炼厂各产品产量达到电解镍1.3万t，阴极铜2万t，电钴150 t。冶炼厂的总体能源结构中，原煤消耗的能耗占据全厂总能耗的67%。为了有效节约产蒸汽所消耗的原煤，必须提高蒸汽的换热效率。因此，挖掘并改善生产环节中蒸汽系统的问题，提高凝结水的回收率和利用率是企业降低能耗、减排、实现“双碳”目标的重要措施[1-2]。经过现场查勘、数据调出统计、车间反馈、设备更换维修记录等信息采集工作，针对生产中的消耗蒸汽大户，如储槽、浸出槽、加压釜等槽罐类的设备和工艺进行分析并发现问题，确定并实施技改措施，通过实施试验验证效果。1问题描述自冶炼厂建厂投产以来，各个车间的浸出槽、储槽、酸化槽等蒸汽盘管加热的槽罐的凝结水存在以下问题：凝结水温度过高、槽罐内溶液温度提升缓慢、振动水击盘管损坏、凝结水回收量小、疏水阀损坏更换频次高。为了改善上述不利工况，厂技术人员和操作人员采取了很多措施：在铜车间和镍车间勘查后发现，铜生产车间浸出槽、除铁槽、除钴槽等利用蒸汽通过钛盘管加热的储槽，其盘管的凝结水出口管路均被改动，在部分储槽的凝结水出口疏水器前方加装排水管，蒸汽和冷凝水混合物直接排入储槽内用于加热稀释溶液；在部分储槽的凝结水出口短接疏水器，改为旁路运行，蒸汽与冷凝水混合物进入凝结水管。镍车间黑镍制备电氧化槽使用蒸汽钛盘管加热，所有凝结水管均未安装疏水器，凝结水管路排出的蒸汽和水的混合物被收集在常压水箱，凝结水被泵送至车间作为生产工艺补充水，蒸汽利用放空管排空，造成蒸汽浪费。全厂的槽罐、釜、换热器等用汽设备中，只有釜（上进下出型）使用正常，槽罐使用基本不正常。本次只对上进上出型槽罐进行具体分析和技术整改。2问题分析对几个车间的槽罐的蒸汽盘管、疏水阀和疏水管线运行状况进行技术分析，暂时不讨论生产和运维管理等方面的其他类因素。2.1实际使用与设计工况不符查阅原始设计资料和图纸，槽罐的热源是循环热水[3]。实际使用时采用蒸汽作为热源，按照图纸设计中循环热水低进高出的形式接入减温减压后的蒸汽。为了便于加工制造，使成品符合循环热水介质的特性，原设计的钛盘管从入口到出口的整个钛盘管的管径相同，槽罐结构和钛盘管实物如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.016.F001图1槽罐结构和钛盘管实物2.2上进上出的蒸汽盘管使储槽运行不正常储槽盘管均为上进上出形式，蒸汽从槽罐顶部向下进入盘管，加热物料后降温成为凝结水，凝结水在盘管内向上从槽罐顶部排出。该凝结水排放形式为虹吸式，厂内的虹吸式储槽运行均不正常。整个厂区只有几个加压釜为上进下出形式，蒸汽从顶部进入盘管，凝结水从底部排出。上进下出形式的设备运行基本都正常。2.3蒸汽凝结水特性造成的问题蒸汽和凝结水在管路中的输送特点是蒸汽向上运动，水因密度大向下沉。虹吸式系统中，凝结水上升管中蒸汽优先向上运动，从而占据凝结水的空间，在后续的水平管路中，蒸汽和空气滞留于此，形成“汽锁”，阻挡凝结水的流动。在疏水器内部，由于压力的降低，容易产生闪蒸汽，闪蒸汽滞留在阀体内，阻碍凝结水的流入，形成“闪蒸汽锁”。2.4槽罐的运行状态分析盘管的周期运行特点如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.016.F002图2盘管的周期运行特点物料填装前的空罐期，槽罐内的盘管内存有冷凝水（蒸汽关断）或有满管的蒸汽（蒸汽未完全关断）；物料填装初期，工作蒸汽进入，盘管内若存有冷凝水，此阶段蒸汽对物料的加热效率很低，物料温升很慢；物料填装初期，盘管内若充满蒸汽，此阶段的冷物料加热效率很高；运行中期，盘管底部开始堆积冷凝水，由于水向低处流，汽向高处运动，蒸汽从上升管到水平管，最终蒸汽和空气堆积在水平管，形成“汽锁”，使底部的冷凝水无法到达顶部；运行末期，物料达到加热温度，蒸汽不再变成冷凝水，由于冷凝水有压力、温度高，在顶部低压处产生闪蒸汽，闪蒸汽又会形成汽锁，使进口蒸汽无法顺利将冷凝水压出。2.5等径管造成凝结水提升资用压头不足槽罐的盘管径管分别为DN50、DN80、DN100等，整个盘管蒸汽进口部分、盘管部分、出水口部分的管径都相同。该等径盘管适用于热水循环加热，不适用于蒸汽加热。等径管的理论设计工况和实际运行工况分析如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.016.F003图3等径管的理论设计工况和实际运行工况分析理论上的运行状况是蒸汽在钛盘管内充分放热形成冷凝水，冷凝水在蒸汽的推动下被排至凝结水管。但实际运行过程中蒸汽在放热液化成凝结水时体积大幅度缩小，因为凝结水上升管与蒸汽管等径，此处压力大幅降低，无足够的资用压头将水提升到疏水阀前水平管处。为了提高此处的压头，需要补充大量蒸汽。此处压力降低会产生大量的闪蒸汽，闪蒸汽上升到水平管处形成新的汽锁，阻挡凝结水进入疏水器，“汽锁”的蒸汽完全冷却变成凝结水才能形成通路，从而使疏水阀的排水量大量减少。3技改措施3.1设置必要的底部水封针对储槽内蒸汽钛盘管，须保证汽水阻隔分离，盘管最底部应设U形弯水封，以阻挡蒸汽向上窜出，同时保证盘管内有足够的蒸汽提供足够的潜热和显热来加热物料。盘管底部U形水封如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.016.F004图4盘管底部U形水封改造前钛盘管管路无U形水封弯，需要将所有盘管吊出槽罐，在底部加装U形水封弯管。该措施成本高，必须停机停产施工，且盘管底部距槽底距离很小，无法满足水封弯管空间距离的要求。3.2改造为上进下出形式槽罐蒸汽-凝结水系统最适合的形式为上进下出，蒸汽从顶部进入，盘管螺旋向下，在底部排出凝结水。上进下出式槽罐如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.016.F005图5上进下出式槽罐在实际情况中，将槽罐由上进上出改为上进下出需要在槽罐壁开孔，会破坏槽罐壁的防腐层且需要拆除耐火砖，由于凝结水管从槽罐壁上穿出，需要考虑盘管与槽罐壁的密封。该措施施工复杂、工期长，会影响生产也并因密封问题给生产带来危险因素[4]。3.3槽罐的进出管接口对调施工蒸汽与凝结水接口对调操作如图6所示。经过勘查，有19座槽罐的蒸汽进口接至右侧接口（原接口），蒸汽进入盘管到达底部加热物料后产生凝结水，凝结水从底部经盘管上升到左侧管。该错误接法导致凝结水全部汇集在盘管底部，造成大部分盘管内充满低温凝结水，形成水封，蒸汽无法进入盘管，运行过程中产生的水击振动也由该原因造成[5]。同时因为蒸汽无法进入盘管，造成物料的加温效果非常差，凝结水产生的闪蒸汽汇集在管道上部，使凝结水排水不畅。改造过程中，将接管进出口对调，蒸汽接至左侧管，经盘管向下形成冷凝水，冷凝水因重力汇集在盘管底部。改造后盘管大部分区域充满蒸汽，提升了对物料的加温效果，对蒸汽形成水封，使蒸汽不会窜至凝结水管线。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.016.F006图6蒸汽与凝结水接口对调操作3.4制作安装水封上升管水封上升管结构如图7所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.016.F007图7水封上升管结构水封上升管插入盘管凝结水管的底部，底部斜切口便于凝结水进入水封上升管。水封上升管的管径d盘管管径D。水封上升管具有水封作用，可以提高凝结水提升的资用压头，保证疏水阀前凝结水的背压，便于疏水阀顺利将凝结水排出并输送到凝结水总管。水封上升管与法兰在车间焊接完成，独立制作后被直接插入凝结水管，利用凝结水管上的原有法兰对夹此法兰。该方法安装非常简便，不需要对原有的钛盘管进行切割焊接。3.5疏水阀前安装集水管和止回阀因为凝结水来自槽罐中的上升管，会产生大量的闪蒸汽汇集在水平管中。为了保证疏水阀前凝结水量连续不间断，制作下降的集水管以收集凝结水，同时避免闪蒸汽进入疏水器。因为疏水器后凝结水分支管有提升，为了防止槽罐停运时凝结水倒流，在疏水器后安装止回阀。安装下降的集水管和止回阀结构如图8所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.016.F008图8安装下降的集水管和止回阀结构3.6疏水器的重新选型经过多次更换，现有疏水器未按照蒸汽量选型。按照浸没式盘管、虹吸式凝结水排放的特点，以蒸汽流量的8~10倍安全系数重新选型计算疏水器。部分小槽罐原本共用疏水器，现单独加装疏水器，以防止凝结水管线短路。3.7凝结水管线的改造很多凝结水分支管汇入总管时水平或从底部插入，这类接口全部改为在总管的顶部向下接入[6-9]。4技改成果4.1技改前后参数对比技改前后部分槽罐凝结水月平均温度、蒸汽耗量指标对比如表1~表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.016.T001表1技改前后部分槽罐凝结水月平均温度对比项目2020年2021年8月9月10月11月12月1月2月所有储槽平均温度120.16115.93120.26113.1690.6491.4690.67铜1#浸出槽盘管122.00115.20125.10117.0089.7092.5089.60铜2#浸出槽盘管116.90104.20124.40116.4090.1090.3089.40铜1#除铁槽盘管140.10117.20129.20117.5091.6090.6091.90铜2#除铁槽盘管118.40125.90116.40106.0090.1088.2093.10铜3#除铁槽盘管112.30123.90127.40110.7091.1090.1090.80镍1#除钴槽盘管115.30102.20117.10101.8089.3093.6089.60镍2#除钴槽盘管116.10122.90102.20122.7092.6094.9090.30注：2020年11月28日完成，该时间节点之前为改造前，之后为改造后。℃10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.016.T002表2技改前后部分槽罐的蒸汽耗量指标对比项目改造前改造后节约镍5#除钴槽4.144.080.06镍沉镍1#、2#槽1.551.310.24镍常压1#~5#槽4.434.000.43累计10.139.400.73吨蒸汽/吨镍由表2可知，技改完成后，槽罐的凝结水温度明显下降，换热效率大幅提高，平均回水温度由117.3 ℃降至91.0 ℃，达到了目标设定的100 ℃以下，甚至达到平均95 ℃以下。由表3可知，技改完成后，镍5#除钴槽、镍沉镍1#、2#槽、镍常压1#~5#槽及其累计量的蒸汽节约率分别为1.45%、15.50%、9.70%和7.20%。单个槽罐的单位蒸汽耗量平均减少7.2%，该数值为蒸汽直接节约率，蒸汽的间接节约率无法计量。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.016.T003表3技改前后部分槽罐盘管振动频率对比项目2020年2021年8月9月10月11月12月1月2月铜1#浸出槽盘管100.0090.90100.00100.00014.290铜2#浸出槽盘管90.00100.00100.00100.0014.2900铜1#除铁槽盘管100.0090.90100.00100.0028.5714.290铜2#除铁槽盘管100.00100.0088.89100.0028.5714.290铜3#除铁槽盘管90.00100.00100.00100.0014.29014.29镍1#除钴槽盘管80.00100.00100.00100.0028.5700镍2#除钴槽盘管100.0090.90100.0010.00000平均频次94.2896.1098.4187.1416.336.122.04注：2020年11月28日完成，该时间节点之前为改造前，之后为改造后；每月随机抽检8~11次，频率=振动次数/检查次数×100%。%技改前后部分槽罐盘管振动频率对比如表3所示。储槽水击振动现象大幅度减少，盘管磨损和漏液情况得到有效缓解，疏水阀的寿命得到提升。技改前后铜车间凝结水站通气道白烟如图9所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.016.F009图9技改前后铜车间凝结水站通气道白烟4.2经济效益有形经济效益数据统计如表4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.016.T004表4有形经济效益数据统计项目数值技改费用材料费用/元52 660人工费用/元55 970总费用/元108 630镍（铜）节省蒸汽量/(t/t)0.34（0.36）镍（铜）实际年产量/(t/a)12 000（10 000）节约蒸汽量/(t/a)7 680节约标准煤量/(吨标准煤/a)1 036.8技改前（后）凝结水总流量/(t/h)25（38）锅炉容量/(t/h)45（冬季75）技改前（后）凝结水总回收率/%55.6（84.4）凝结水回收量增加值/(t/h)13凝结水回收率增加量/%28.8无形效益方面，此次技改项目的成功实施提高了蒸汽的利用率，减少了因蒸汽盘管水击振动导致的漏液现象；盘管水击引发的问题得到改善：疏水阀更换频次下降、清槽焊盘管影响生产的情况降低、因盘管漏液污染冷凝水的情况减少，同时降低了维护的人工强度。5结语蒸汽和凝结水系统工艺系统复杂，凝结水的回收再利用率不够高。冬季寒冷时期，北方厂区可见白烟，最主要原因是高温凝结水的价值和热值未被再利用，造成很大的浪费。本次对上进上出槽罐凝结水系统的综合技改投入成本很低，带来的直接和间接的效益较高。