何肖廉,金沛燦,黎志敏
(杭州龍山化工有限公司,杭州311228)
100kt/a雙加壓硝酸裝置的增產(chǎn)節(jié)能改造
何肖廉,金沛燦,黎志敏
(杭州龍山化工有限公司,杭州311228)
介紹了龍山化工的100kt/a雙加壓法稀硝酸裝置自投產(chǎn)以來,存在產(chǎn)量偏低、熱能回收效率低等一些不足,針對(duì)該情況通過一系列的改造及優(yōu)化,取得了良好的增產(chǎn)節(jié)能效果,為硝酸行業(yè)內(nèi)今后類似的改造提供了參考經(jīng)驗(yàn)。
雙加壓法;硝酸;熱能回收;增產(chǎn)節(jié)能
近年來,雙加壓法硝酸工藝以其氨耗低、成品酸濃度高、熱能回收效率高和尾氣中NOx含量低等諸多優(yōu)點(diǎn),逐漸成為我國(guó)硝酸行業(yè)發(fā)展的主要生產(chǎn)工藝。按照國(guó)家石油和化學(xué)工業(yè)“十二五”發(fā)展指南戰(zhàn)略目標(biāo)要求,在“十二五”期間,采用先進(jìn)的雙加壓法生產(chǎn)工藝的硝酸產(chǎn)能在行業(yè)內(nèi)的比例將由64.3%提高至87.3%以上[1]。
杭州龍山化工有限公司目前有1套100kt/a稀硝酸生產(chǎn)裝置,建成于2010年4月,采用先進(jìn)的法國(guó)G.P雙加壓法工藝流程,產(chǎn)品的各項(xiàng)消耗指標(biāo)屬于國(guó)內(nèi)行業(yè)中領(lǐng)先技術(shù)水平,但與國(guó)外先進(jìn)雙加壓硝酸裝置相比,還是存在產(chǎn)能偏低、熱能回收效率低等一些不足之處。
對(duì)此,公司對(duì)硝酸裝置進(jìn)行了一系列的增產(chǎn)節(jié)能優(yōu)化改造,其中針對(duì)在實(shí)際運(yùn)行中夏季高溫制約產(chǎn)量的瓶頸,在2014年進(jìn)行了脫濕節(jié)能增效改造,使其硝酸產(chǎn)量在夏季高溫時(shí)也能達(dá)到或接近設(shè)計(jì)值水平,同時(shí)也使裝置進(jìn)一步節(jié)能降耗,取得了良好的效果[2]。在2015年,公司又對(duì)裝置分別進(jìn)行了增壓風(fēng)機(jī)增產(chǎn)節(jié)能和尾氣熱能回收改造,進(jìn)一步提高了生產(chǎn)裝置的硝酸產(chǎn)量和熱能回收效率。
目前公司雙加壓稀硝酸裝置中的尾氣透平機(jī)出口NOx尾氣溫度偏高,達(dá)到160℃左右,該尾氣原是通過管線直接送往Ф1.2×62m尾氣煙囪進(jìn)行高空排放,造成這部分NOx尾氣低溫?zé)崮芪茨艹浞只厥绽?。煙囪NOx尾氣溫度偏高的主要原因是:一是裝置中的氧化爐-廢熱鍋爐出口氣體溫度高,為430~460℃,造成尾氣透平機(jī)進(jìn)口NOx尾氣溫度偏高,達(dá)360~370℃,從而引起出口的尾氣溫度也偏高。二是國(guó)產(chǎn)尾氣透平機(jī)的實(shí)際熱能回收效率偏低,造成出口尾氣溫度偏高,與設(shè)計(jì)值存在一定的差距。
1.1低溫?zé)崮芑厥崭脑旆桨?/p>
為提高整個(gè)生產(chǎn)裝置的熱能回收利用率,考慮利用熱交換來進(jìn)一步回收利用這部分尾氣的低溫?zé)崃?。因?yàn)樵谙∠跛嵫b置中的原Ф500氨過熱器需要熱量給氣氨加熱,目前使用的是0.6MPa、160℃低壓蒸氣,考慮將熱源介質(zhì)改為NOx尾氣來加熱氣氨,相應(yīng)就能節(jié)約這部分低壓蒸氣用量,從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。
具體實(shí)施方案即新增一臺(tái)尾氣氨過熱器代替原氨過熱器。將稀硝酸裝置型號(hào)為WP4.2-940/360尾氣透平機(jī)與Ф1200m尾氣煙囪之間的Ф1100尾氣消音器設(shè)備移除,在該位置新布置一只Ф2000× 4000mm尾氣氨過熱器,配套管線與原氨過熱器聯(lián)通。該換熱器可利用高溫NOx尾氣的熱量給來自AB氨蒸發(fā)器的氣氨加熱,在尾氣氨過熱器投入運(yùn)行后,NOx尾氣溫度由160℃降低至140℃,氣氨溫度從12℃升至120℃。其工藝流程見圖1。
1.2尾氣氨過熱器工藝計(jì)算
在硝酸裝置中原Ф500氨過熱器使用0.6MPa低壓蒸氣來加熱氣氨,根據(jù)熱力學(xué)第一定律熱量平衡的關(guān)系,氣氨加熱所吸收的熱流量Q吸收等于蒸氣放出的熱流量Q放出,即Q吸收=Q放出。根據(jù)介質(zhì)流量、壓力和溫度,查找介質(zhì)相關(guān)的物化數(shù)據(jù)[3],對(duì)項(xiàng)目可行性計(jì)算分析及確定新氨過熱器換熱面積等技術(shù)參數(shù)。圖2、3分別為原、新熱量平衡圖。
1.2.1可行性分析
圖1 低溫?zé)崮芑厥崭脑旃に嚵鞒毯?jiǎn)圖
圖2 原熱量平衡圖
為簡(jiǎn)化工程計(jì)算,將殼程介質(zhì)氣氨視為理想氣體,其熱流量計(jì)算公式可簡(jiǎn)化為[4]:
式中:Cp為氣氨比熱容為定值,2.11kJ/kg.℃;qm為氣氨質(zhì)量流量,qm=ρ×V,其中ρ為密度,0.77kg/ Nm3;V為體積流量,5000Nm3/h;△t為氣氨溫度變化差值,進(jìn)出口溫差△t=135-12=123℃。
由于管程內(nèi)介質(zhì)低壓蒸氣在換熱過程中由氣相變?yōu)橐合?,利用介質(zhì)的焓值計(jì)算較為方便,熱流量計(jì)算公式[5]:
式中:qm為質(zhì)量流量;h1為進(jìn)口溫度下蒸氣對(duì)應(yīng)的比焓值,2764kJ/kg;h2為出口溫度下蒸氣對(duì)應(yīng)的比焓值,630kJ/kg。
圖3 新熱量平衡圖
根據(jù)熱量平衡的關(guān)系,即Q吸收=Q放出,則相應(yīng)消耗蒸氣質(zhì)量流量為:
若考慮實(shí)際熱交換時(shí)的熱損失量為10%,則實(shí)際低壓蒸氣消耗量為468×(1+10%)=515kg/h。
由于NOx尾氣相關(guān)的物化數(shù)據(jù)查找較為困難,現(xiàn)用N2相關(guān)的數(shù)據(jù)來進(jìn)行熱能計(jì)算:
式中:Q為氣氨的熱流量,999190kJ/h;Cp為N2的比熱容,1.038kJ/kg;qm為N2的質(zhì)量流,qm=ρ×V,其中ρ為密度,1.256kg/Nm3;V為體積流量,46000Nm3/h。
尾氣進(jìn)口溫度約160℃,這樣出口溫度為140℃,通過工藝上計(jì)算溫降不大,其降溫后送往尾氣煙囪排放是可行的。
1.2.2新氨過熱器換熱面積計(jì)算
尾氣透平機(jī)出口的NOx尾氣壓力較低,設(shè)計(jì)值為0.007MPa,氣體流量較大為46000Nm3/h。初步估算換熱面積[6]:式中:Q為熱流量,999190kJ/h(即999190/3600
=277552W);K為傳熱系數(shù),在計(jì)算列管式換熱器“由氣體到氣體”進(jìn)行換熱的流體時(shí),其傳熱系數(shù)K[6]值的范圍為12~35W/m2·K,現(xiàn)取中間值20W/m2· K估算;△tm為平均溫差,該換熱器采用逆流換熱,則其平均溫度差△tm(逆)計(jì)算值如下:
為使換熱器的管程阻力盡量小,同時(shí)考慮到實(shí)際換熱效率問題,最終選取的換熱器換熱面積比估算值更大。
結(jié)合裝置現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備安裝布置實(shí)際情況,為便于操作維護(hù),此換熱器采用臥式列管換熱器,其規(guī)格和參數(shù)見表1。
表1 新氨換熱器技術(shù)規(guī)格和參數(shù)表
1.3改造后效果
稀硝尾氣氨過熱器改造項(xiàng)目于2015年3月成功投入使用,通過實(shí)際運(yùn)行情況來看,該新尾氣氨過熱器可完全代替原Ф500×3200氨過熱器,各項(xiàng)工藝指標(biāo)參數(shù)能滿足要求,而尾氣氨過熱器的阻力增加不大,約700Pa;同時(shí)尾氣透平機(jī)、四合一機(jī)組未出現(xiàn)位移、振動(dòng)值偏高等異?,F(xiàn)象,尾氣溫度降低約20℃后仍能正常送往尾氣煙囪高空排放。
通過改造后取得了以下良好的效果:一是節(jié)能降耗。降低了雙加壓稀硝酸裝置的低壓蒸氣消耗,從而提高了裝置的整體熱能回收利用率。能降低0.6MPa、160℃低壓蒸氣消耗約0.7t/h,若0.6MPa低壓蒸氣價(jià)格以120元/t計(jì),則年節(jié)省費(fèi)用0.515×120×8000=50萬元。二是提高裝置的穩(wěn)定性。改造后氨過熱器的熱量將由稀硝酸裝置自給,減少了因外界0.6MPa低壓蒸氣系統(tǒng)波動(dòng)時(shí)帶來的影響,硝酸生產(chǎn)裝置整體運(yùn)行將更加穩(wěn)定。
在硝酸裝置四合一機(jī)組中的AV40-15軸流壓縮機(jī),其設(shè)計(jì)條件為:進(jìn)氣壓力:0.093MPa(A),進(jìn)氣溫度:29℃,轉(zhuǎn)速:8000r/min,進(jìn)氣量:60000Nm3/h,出口壓力:0.45MPa(A)。由于進(jìn)氣條件與設(shè)計(jì)值的區(qū)別和軸流壓縮機(jī)本身效率等原因,造成軸流壓縮機(jī)實(shí)際打氣量、出口壓力都偏低,在2014年,我公司進(jìn)行了脫濕節(jié)能增效改造,降低軸流壓縮機(jī)進(jìn)口空氣的溫度和含濕量,使其硝酸產(chǎn)量在夏季高溫時(shí)也能達(dá)到或接近設(shè)計(jì)值水平?,F(xiàn)又通過增壓鼓風(fēng)的方式,提高了軸流壓縮機(jī)進(jìn)口空氣的壓力,相應(yīng)軸流壓縮機(jī)的打氣量和出口壓力都有所增加,從而達(dá)到增產(chǎn)節(jié)能的目的。
我們通過在軸流壓縮機(jī)與三級(jí)空氣過濾器之間增加一只離心風(fēng)機(jī),其型號(hào)為Y5-55NO12.5D 75000m3/h,全壓5500Pa。通過其增壓鼓風(fēng),來提高軸流壓縮機(jī)的打氣量和出口壓力,同時(shí)給風(fēng)機(jī)電機(jī)配置變頻調(diào)速,便于開停車時(shí)同步調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的打氣量,在離心風(fēng)機(jī)進(jìn)口設(shè)置一電動(dòng)緊急吸入閥,減少風(fēng)機(jī)事故狀態(tài)時(shí)風(fēng)量減小時(shí)對(duì)硝酸裝置的影響。其工藝流程見圖4。
圖4 增壓風(fēng)機(jī)節(jié)能增產(chǎn)改造工藝流程圖
在2015年4月增壓風(fēng)機(jī)投入運(yùn)行后,軸流壓縮機(jī)的空氣打氣量增加約3000Nm3/h,外供3.9 MPa中壓蒸氣,蒸氣增加約0.2t/h。整個(gè)生產(chǎn)裝置的系統(tǒng)壓力得到提升,其中軸流空氣壓縮機(jī)出口壓力由0.28MPa提高至0.31MPa,NOx壓縮機(jī)出口壓力由0.88MPa提高至0.91MPa。在酸吸收塔的吸收壓力提高后,成品酸濃度相應(yīng)由60%~61%提高到60.5%~61%,這樣進(jìn)入后續(xù)硝鎂間硝法濃硝酸裝置后,其98%成品酸產(chǎn)量有所提高,相應(yīng)濃硝1.6MPa中壓蒸氣消耗也降低。
杭州龍山化工有限公司一直十分注重行業(yè)內(nèi)的“新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備、新材料”動(dòng)態(tài)發(fā)展,針對(duì)目前國(guó)內(nèi)雙加壓硝酸裝置中存在的一些不足之處,在增產(chǎn)擴(kuò)能、低溫?zé)崮芑厥盏确矫孢M(jìn)行了一系列大膽的試驗(yàn)性改造,通過實(shí)際運(yùn)行來看取得了良好的改造效果,為國(guó)內(nèi)硝酸行業(yè)類似的改造提供了示范性參考。
[1]唐文蹇,張友森.我國(guó)硝酸工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀分析及發(fā)展建議[J].化肥工業(yè),2013(1):31-34.
[2]黎志敏,何肖廉,洪潘飛.脫濕技術(shù)在雙加壓法硝酸裝置中的應(yīng)用[J].杭州化工,2015,45(1):33-37.
[3]石油化學(xué)工業(yè)部化工設(shè)計(jì)院主編.氮肥工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)理化數(shù)據(jù)分冊(cè)[M].北京:石油化學(xué)工業(yè)出版社,1977:242-262.
[4]曾丹苓,敖約,張新銘,等.工程熱力學(xué)第三版[M].北京:高等教育出版社,2002:125-126.
[5]張學(xué)學(xué),李桂馥,史琳.熱工基礎(chǔ)第二版[M].北京:高等教育出版社,2006:27-28.
[6]譚天恩,竇梅.化工原理第四版上冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2014:147-148,208.
經(jīng)過5年多的科技攻關(guān),中石化集團(tuán)公司科研課題催化裂化煙氣脫硫脫氮技術(shù)工業(yè)側(cè)線試驗(yàn)(干法脫硫脫氮試驗(yàn))日前完成攻關(guān)任務(wù),通過中國(guó)石化科技部組織的由曹湘洪院士擔(dān)任評(píng)議委員會(huì)主任的技術(shù)評(píng)議。
該試驗(yàn)裝置通過催化劑直接脫除煙氣中的硫化物和氮氧化物。相對(duì)于傳統(tǒng)的濕法脫硫脫氮技術(shù),干法脫硫脫氮新技術(shù)不僅環(huán)保效果好,并且整個(gè)工藝路線也更加方便、高效、經(jīng)濟(jì),具有設(shè)備精簡(jiǎn)、占地面積小、運(yùn)行管理方便、生產(chǎn)成本低和無廢水二次污染等優(yōu)點(diǎn)。
試驗(yàn)結(jié)果表明:催化裂化煙氣中硫氧化物、氮氧化物的脫除率分別高達(dá)95%和60%,硫氧化物和氮氧化物的質(zhì)量濃度最小值均低于10mg/m3,且無二次污染物排放,對(duì)煙氣適應(yīng)能力強(qiáng),吸附劑可作為催化裂化的催化劑使用。
據(jù)介紹,該項(xiàng)目由中國(guó)石化工程建設(shè)公司、石科院、中原油田聯(lián)合承擔(dān)。試驗(yàn)裝置建在中原油田石油化工總廠,采用吸附—再生連續(xù)循環(huán)模式,以催化裂化催化劑為吸附劑、以含氫或小分子飽和烴介質(zhì)為還原劑,實(shí)現(xiàn)硫氧化物到硫化氫的資源化回收、氮氧化物到氮?dú)獾臒o害化排放目標(biāo)。試驗(yàn)裝置自2013年10月建成開始試驗(yàn),兩年來,經(jīng)過科技人員的精心調(diào)試,反復(fù)測(cè)驗(yàn),各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到預(yù)期,凈化后的煙氣達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)。
據(jù)了解,目前國(guó)內(nèi)外常用的催化裂化煙氣濕法脫硫脫氮技術(shù)占地面積大、后處理部分復(fù)雜,并且容易引起后續(xù)水的二次污染,在發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)已開始被淘汰,開發(fā)干法同時(shí)脫硫脫氮過程成為一種趨勢(shì)。
現(xiàn)有的煙氣干法脫硫脫氮技術(shù)是一體化路線,其特點(diǎn)是整體效率高,占地面積小,但其脫除NOx時(shí)使用了氨氣,容易導(dǎo)致氨逃逸形成二次污染。至于在燃煤電廠煙氣脫硫中采用的半干法技術(shù),則由于吸附劑沒有再生能力,在達(dá)到吸附飽和后只能外排而形成固體廢物,結(jié)果要么形成二次污染,要么需要增加投入進(jìn)一步治理。
中國(guó)石化此次開發(fā)的干法脫硫脫氮新技術(shù),使用催化裂化催化劑作為吸附劑,采用循環(huán)流化床吸附—再生工藝,不改動(dòng)催化裂化裝置的現(xiàn)有流程和操作條件,吸附劑可以循環(huán)使用。與此同時(shí),催化裂化干氣等經(jīng)過再生還原后,吸附劑上的硫氧化物被還原為硫化氫,后續(xù)加以利用,氮氧化物被還原為氮?dú)鉄o害排放,凈化煙氣中夾帶的吸附劑粉塵,可以采用成熟的干式除塵方式予以回收。
近日從河南能源集團(tuán)永煤碳纖維有限公司獲悉,該公司自主研制的碳纖維耐磨性能檢測(cè)設(shè)備和方法在碳纖維耐磨性試驗(yàn)中已順利完成了物理指標(biāo)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,新型測(cè)試設(shè)備和方法能夠一次性準(zhǔn)確測(cè)量碳纖維在后續(xù)應(yīng)用中的關(guān)鍵指標(biāo),達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。據(jù)悉,此次進(jìn)行的碳纖維耐磨性能測(cè)試在國(guó)際上尚屬首次。
目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上碳纖維測(cè)試儀器主要測(cè)試指標(biāo)是拉伸強(qiáng)度、模量、伸長(zhǎng)率、灰分、元素分析、截面形態(tài)等,這些通用的檢測(cè)滿足不了碳纖維應(yīng)用需求。永煤公司自主研發(fā)的設(shè)備和方法可通過設(shè)定張力、摩擦速度等參數(shù),對(duì)不同規(guī)格試樣進(jìn)行檢測(cè),實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格碳纖維的耐磨性測(cè)試。
10.13752/j.issn.1007-2217.2016.01.011
2015-12-17