陳 耘何天文 重慶長(zhǎng)壽化工有限責(zé)任公司 重慶 401220

CH相余熱鍋爐工藝設(shè)計(jì)與運(yùn)行

陳 耘＊何天文 重慶長(zhǎng)壽化工有限責(zé)任公司 重慶 401220

介紹乙炔法生產(chǎn)氯丁橡膠過(guò)程中,副產(chǎn)物 CH相余熱鍋爐的燃燒實(shí)驗(yàn)、工藝設(shè)計(jì)和安全措施,投用后工業(yè)運(yùn)行表明每小時(shí)產(chǎn)生 3t蒸汽,使噸氯丁橡膠蒸汽消耗下降 1t。

CH相 燃燒實(shí)驗(yàn) 余熱鍋爐

CH相是在乙炔法生產(chǎn)氯丁橡膠過(guò)程中,乙炔二聚反應(yīng)氣在混冷塔中冷凝產(chǎn)生的油相物質(zhì),主要成份為二乙烯基乙炔、乙炔多聚物以及少量吸收劑二甲苯等。由于只含碳?xì)湓?俗稱(chēng)為 CH相。長(zhǎng)化公司氯丁橡膠生產(chǎn)設(shè)計(jì)能力 30kt/a,年產(chǎn)生的 CH相約 2.1kt,原采用開(kāi)放式土灶進(jìn)行簡(jiǎn)單焚燒處理,未充分利用其熱能,加之每年的土灶維護(hù)費(fèi)用,造成資源和能源極大浪費(fèi)。本著 “減量化,再利用,資源化”原則,提出實(shí)施 CH相焚燒余熱鍋爐方案,回收利用燃燒的熱能產(chǎn)生蒸汽。該項(xiàng)目得到國(guó)家節(jié)能獎(jiǎng)勵(lì)資金支持,同時(shí)被列為2008年重慶市節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目。

1 余熱回收裝置

1.1 燃燒機(jī)開(kāi)放性燃燒實(shí)驗(yàn)

由于 CH相含有不飽和的雙鍵和三鍵物質(zhì),極易與氧反應(yīng)生成爆炸性極強(qiáng)的過(guò)氧化物,且爆炸范圍寬。以前采用開(kāi)放式燃燒,燃燒的穩(wěn)定性和完全性還不是很重要,但采用相對(duì)密閉的鍋爐燃燒,如果燃燒不穩(wěn)定和不完全,就會(huì)在爐膛積聚爆炸性混合物,嚴(yán)重危及安全。經(jīng)過(guò)考察比較,選用廣州某公司引進(jìn)的德國(guó)燃燒機(jī)及其控制系統(tǒng)。在 2008年 4月進(jìn)行燃燒機(jī)開(kāi)放性燃燒實(shí)驗(yàn)后,確定以天然氣為長(zhǎng)明火 (70Nm3/h),用壓縮空氣霧化 CH相,CH相焚燒時(shí)間大于 1s,焚燒溫度為1300K等工藝條件。燃燒實(shí)驗(yàn)證明,該燃燒機(jī)燃燒穩(wěn)定,無(wú)氣阻現(xiàn)象,燃燒完全無(wú)炭黑產(chǎn)生,解決霧化及堵塞問(wèn)題。燃燒的穩(wěn)定、安全及燃燒處理量等完全達(dá)到預(yù)期效果,符合余熱鍋爐安全燃燒的工藝要求。

1.2 安全技術(shù)措施

雖然燃燒實(shí)驗(yàn)成功,可以配備鍋爐,但必須考慮周密的安全防范措施和控制方案,確保萬(wàn)無(wú)一失。

(1)確保鍋爐負(fù)壓操作,即使意外熄火,流入爐膛已氣化的 CH相燃料會(huì)迅速被引風(fēng)吸走,要保證引風(fēng)機(jī)能力,同時(shí)進(jìn)行燃燒聯(lián)鎖控制,如引風(fēng)機(jī)意外故障,必須聯(lián)鎖停機(jī),自動(dòng)關(guān)閉 CH相燃料的進(jìn)料閥。

(2)安裝可燃?xì)怏w濃度在線(xiàn)監(jiān)測(cè)儀,實(shí)時(shí)在線(xiàn)分析監(jiān)測(cè)爐膛內(nèi)可燃?xì)怏w,一旦燃燒不完全就聯(lián)鎖停車(chē)。關(guān)閉 CH相燃料閥,即使在點(diǎn)火之前,也必須啟動(dòng)可燃?xì)怏w濃度監(jiān)測(cè),否則點(diǎn)火程序不能啟動(dòng)。

(3)安裝煙道氣中氧含量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)儀,根據(jù)煙道氣中剩余氧含量來(lái)判斷 CH相燃料是否充分燃燒,如含氧量過(guò)高,影響熱效率,含氧量過(guò)低,燃燒不充分,易發(fā)生二次燃燒的危險(xiǎn);當(dāng)含氧量低于 2%時(shí),設(shè)計(jì)聯(lián)鎖停車(chē)。

(4)在燃燒機(jī)上裝有兩個(gè)火焰監(jiān)測(cè)探頭:一個(gè)是天然氣火焰監(jiān)測(cè):一個(gè)是 CH相火焰監(jiān)測(cè)。啟動(dòng)點(diǎn)火程序后,先引燃天然氣,接著是 CH相閥門(mén)打開(kāi),并被天然氣長(zhǎng)明火點(diǎn)燃,同時(shí)減小天然氣量,使天然氣火焰縮短并包住 CH相火焰。只要其中任何一個(gè)火焰探頭監(jiān)測(cè)不到火焰信號(hào),控制程序會(huì)發(fā)出報(bào)警并聯(lián)鎖停車(chē)。

(5)安裝冗余的 CH相燃料切斷閥,當(dāng)系統(tǒng)因聯(lián)鎖停車(chē)后,首先會(huì)切斷 CH相來(lái)料閥,考慮到閥門(mén)質(zhì)量缺陷而導(dǎo)致的內(nèi)漏,設(shè)置三個(gè)串聯(lián)的電磁切斷閥,確保 CH相聯(lián)鎖停車(chē)后不會(huì)繼續(xù)進(jìn)料。

(6)為保證 CH相完全、穩(wěn)定燃燒,CH相燃燒室采用特殊結(jié)構(gòu),確保 CH相在燃燒室的停留時(shí)間大于 1s,該設(shè)計(jì)使煙氣在燃燒室的停留時(shí)間為5s,并在前端敷設(shè)耐火泥,使?fàn)t膛前端形成高溫區(qū),以確保 CH相充分燃燒。

(7)當(dāng)鍋爐低水位時(shí)報(bào)警,并與燃燒機(jī)聯(lián)鎖,迅速切斷 CH相進(jìn)料。

(8)設(shè)置天然氣長(zhǎng)明火,防止因 CH相帶水造成熄火事故。

(9)燃燒機(jī)、爐膛設(shè)置氮?dú)饩o急吹掃系統(tǒng)和爐膛設(shè)置防爆門(mén)等安全附件。

2 工藝設(shè)計(jì)

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

(1)CH相組成復(fù)雜,色譜分析有 10幾種成分,實(shí)測(cè)其相對(duì)密度 d為 0.845,根據(jù)烴類(lèi)燃油熱物性經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式[1]:

可估算出 CH相總發(fā)熱量 Q為 45562 kJ/kg,其熱值與重油、柴油相當(dāng)。故按綜合能耗計(jì)算通則[2]取 CH相低位熱值:

天然氣低位熱值取:

(2)CH相鍋爐年生產(chǎn)時(shí)間為 7200h,副產(chǎn)物CH相年產(chǎn)量為 2100t,則燃燒 CH相量為:

根據(jù)燃燒工藝實(shí)驗(yàn),輔助天然氣燃燒量 BG為70 Nm3/h。

2.2 熱負(fù)荷

CH相完全燃燒產(chǎn)生熱量為:

天然氣輔助燃燒產(chǎn)生的熱量:

以上共計(jì)總熱負(fù)荷為:

燃燒室熱負(fù)荷上限為[3]:

故按熱負(fù)荷計(jì)算燃燒室體積為:

2.3 助燃空氣

CH相組成復(fù)雜,但主要以乙炔多聚物、二甲苯等 C8為主,設(shè)計(jì)以 C8H8進(jìn)行模擬計(jì)算,天然氣以 CH4為計(jì)算基礎(chǔ)。

因 C8H8的分子量是 104,故每小時(shí)燃燒 CH相摩爾數(shù):

則所需氧摩爾數(shù):

在標(biāo)況下每 kmol氣體的體積是 22.4m3,故每小時(shí)燃燒天然氣摩爾數(shù)為:

所需氧摩爾數(shù)為:

理論共需氧摩爾數(shù):

考慮設(shè)計(jì) 10%富裕氧含量確保充分燃燒,則實(shí)際需氧量:

所需空氣摩爾數(shù):

選取流量為 5000 Nm3/h助燃風(fēng)機(jī)。

2.4 產(chǎn)生煙氣量和燃燒室規(guī)格

燃燒溫度控制在 1100～1300K,產(chǎn)物均為氣態(tài)。由式 (7)可知,每摩爾 CH相燃燒將產(chǎn)生 12摩爾煙氣即產(chǎn)生廢氣為:

由式 (8)可知,每摩爾天然氣燃燒產(chǎn)生 3摩爾煙氣,則產(chǎn)生廢氣量為:

煙氣中的過(guò)剩氧為:

氮?dú)饽枖?shù):

總煙氣流量為:

實(shí)際在操作條件下煙氣體積流量為:

為保證充分燃燒,設(shè)計(jì)煙氣在燃燒室內(nèi)停留時(shí)間 Tr為 5s,則按停留時(shí)間計(jì)算燃燒室體積為:

燃燒室體積應(yīng)同時(shí)考慮熱負(fù)荷及燃燒效率的原則,故實(shí)際燃燒室體積取:

參考鍋爐廠家意見(jiàn),最終確定燃燒室尺寸為Φ2100×9800mm,實(shí)際體積為 35.5m3。

3 鍋爐能力

由式 (5)知熱負(fù)荷為 1.5×107kJ/h,由于未設(shè)計(jì)省煤器,熱效率η較低,選取為 70%。

產(chǎn)生 1.1MPa蒸汽的熱焓 H為 2785.5kJ/kg[4],故鍋爐蒸發(fā)量為:

考慮以后擴(kuò)產(chǎn)及必要的操作彈性,選取額定蒸發(fā)量為 6t/h。

3.1 主要設(shè)備及參數(shù)

根據(jù)工藝計(jì)算數(shù)據(jù),考慮必要的操作彈性和安全裕量,結(jié)合燃燒機(jī)廠家和鍋爐廠規(guī)格型號(hào),確定設(shè)備參數(shù)。

3.1.1 燃燒室

最大排煙量:6000Nm3/h

燃燒溫度:1100～1400K

停留時(shí)間:5s

燃燒室尺寸:Φ2100×9800mm

3.1.2 燃燒機(jī)

根據(jù)廠家提供的燃燒機(jī)的規(guī)格,結(jié)合工藝計(jì)算確定選取能同時(shí)處理油氣的混合燃燒器,其參數(shù)如下:

燃料 1為 CH相有機(jī)燃料:

助燃空氣 5000Nm3/h

功率 5400kW

功率調(diào)節(jié)比 1∶5

燃料 2為天然氣:

助燃空氣 2400 Nm3/h

功率 2000kW

功率調(diào)節(jié)比 1∶10

在實(shí)際運(yùn)行中,根據(jù)煙氣中的過(guò)剩氧的含量和燃燒是否充分,采用變頻控制助燃空氣量的大小,實(shí)際為 3500～4000Nm3/h。

3.1.3 蒸汽鍋爐

按照德國(guó) AD和 TDA標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和制造,鍋爐設(shè)置在燃燒室后面,高溫?zé)煔饨?jīng)管外,水和蒸汽經(jīng)管內(nèi)。

煙氣流量:6000Nm3/h

煙氣入口溫度:1300K

煙氣出口溫度:670K

蒸汽量:6t/h

熱回收功率:4100kW

4 生產(chǎn)運(yùn)行

4.1 流程簡(jiǎn)述

來(lái)自乙烯基乙炔工段的 CH相用氮?dú)鈮喝?CH相貯槽,并保壓 0.2～0.4MPa。天然氣經(jīng)兩級(jí)減壓至 0.07～0.09MPa,流量為 40～160m3/h,并通入適量助燃空氣,在燃燒機(jī)內(nèi)燃燒。當(dāng)爐膛溫度為450℃時(shí),投入 CH相,在壓力為 0.1～0.13 MPa的壓縮空氣霧化下燃燒,并保持爐膛為 -100Pa的微負(fù)壓。當(dāng)高溫?zé)煔饨?jīng)過(guò)鍋爐爐膛,加熱水冷壁及下下鍋筒,使鍋爐內(nèi)的水沸騰產(chǎn)生 0.8～1.0 MPa的蒸汽,經(jīng)計(jì)量后并入蒸汽主管。水箱里的軟水經(jīng)給水泵打入鍋爐,由水位控制器控制鍋爐正常液位。鍋爐每班定期排污 1～2次。

4.2 效果

4.2.1 安全

自 2010年投入運(yùn)行,實(shí)踐證明裝置聯(lián)鎖控制程序考慮充分、合理和靈敏,在運(yùn)行調(diào)試過(guò)程能及時(shí)起到保護(hù)作用,燃燒機(jī)能平穩(wěn)、充分燃燒,完全能滿(mǎn)足安全生產(chǎn)的需要。但由于受氯丁橡膠限產(chǎn)的影響,CH相量只有 160kg/h,達(dá)不到設(shè)計(jì)要求,目前的蒸汽產(chǎn)量只有 3t/h左右。

4.2.2 環(huán)保

由于不含硫、氮、氯等物質(zhì),不會(huì)產(chǎn)生 SO2、NOX、HCl等酸性氣體,燃燒充分,煙氣色度合格,不會(huì)產(chǎn)生新的污染。還可以減少鍋爐用煤量而減少粉塵排放。

5 效益

5.1 總成本計(jì)算

生產(chǎn)裝置按 14年計(jì)算,建設(shè)期為 1年,總投資為 963.5萬(wàn)元,裝置定員為 14人,工資及福利為 24000元 /年人。則每噸蒸汽消耗定額見(jiàn)表 1。

表1 CH相余熱鍋爐每噸蒸汽消耗表

各種動(dòng)力費(fèi)用:脫鹽水為 7.0元/t;電為 0.8元/kWh;天然氣為 1.2元/Nm3,每噸蒸汽動(dòng)力消耗為 50.9元,則 CH相余熱鍋爐總成本費(fèi)用見(jiàn)表2。

表2 CH相余熱鍋爐總成本費(fèi)用 (萬(wàn)元)

5.2 銷(xiāo)售收入計(jì)算

蒸汽產(chǎn)量為 3t/h,售價(jià)為 200元/t,則全年收入為:

200×3×7200=432萬(wàn)元

每年能創(chuàng)造利潤(rùn)近 200萬(wàn)元。如氯丁橡膠滿(mǎn)負(fù)荷生產(chǎn),創(chuàng)造利潤(rùn)將達(dá)到 250萬(wàn)元以上。

5.3 CH相熱能利用

由于受市場(chǎng)影響,氯丁橡膠產(chǎn)能只有 22kt/a,CH相鍋爐年副產(chǎn)蒸汽 21.6kt,使噸氯丁橡膠蒸汽消耗下降 1t,具有良好的節(jié)能效果。熱利用率達(dá)75%,熱能利用見(jiàn)表 3。

表3 CH相熱能利用

1 張松壽.工程燃燒學(xué) [M].上海:上海交通大學(xué)出版社,1987:25.

2 GB/T 2589-90,綜合能耗計(jì)算通則 [S].

3 日本化學(xué)技術(shù)編著.化工機(jī)械設(shè)計(jì)和保養(yǎng) [M].上海:上海科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社,1985:91.

4 譚天恩.化工原理 (上冊(cè)) [M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1990:333.

(修改回稿 2010-09-10)

＊陳 耘:高級(jí)工程師,副廠長(zhǎng)。1993年畢業(yè)于鄭州工學(xué)院有機(jī)化工專(zhuān)業(yè),2010年畢業(yè)于重慶大學(xué)化學(xué)工程專(zhuān)業(yè)獲碩士學(xué)位。已發(fā)表論文 4篇。聯(lián)系電話(huà):(023)40262539,E-mail:cschenyun@163.com。