郭新忠,曹戰(zhàn)龍

(東營(yíng)華泰化工集團(tuán)有限公司，山東 東營(yíng) 257091)

1 前言

節(jié)約能源作為一項(xiàng)基本國(guó)策一直受到國(guó)家層面的高度重視，1997年全國(guó)人民代表大會(huì)常務(wù)委員會(huì)專(zhuān)門(mén)立法通過(guò)了《中華人民共和國(guó)節(jié)約能源法》，之后又通過(guò)了3次修訂。并且2005年由國(guó)家發(fā)改委出臺(tái)了首部《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄》作為指導(dǎo)能源節(jié)約的綱領(lǐng)性文件，其后又經(jīng)過(guò)3次調(diào)整。以國(guó)家立法為基礎(chǔ)的節(jié)約能源政策逐步按規(guī)劃實(shí)施，也起到了很好的引領(lǐng)作用。在具體的工藝設(shè)備、管線(xiàn)如何布置缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，出現(xiàn)了相同的工藝，但能耗差別較大的現(xiàn)象。合理的工藝設(shè)備、管線(xiàn)布置可以充分利用流體在流動(dòng)過(guò)程中各種形式機(jī)械能之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，合理布局從而降低物料在輸送過(guò)程中的能耗。文章就東營(yíng)華泰化工集團(tuán)有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“公司”)生產(chǎn)中物料輸送的過(guò)程談一談合理的工藝設(shè)備、管線(xiàn)布局對(duì)節(jié)能的影響。

2 物料輸送過(guò)程中影響能耗的因素

在流體輸送過(guò)程中的基本參數(shù)有：位能、動(dòng)能、靜壓能、機(jī)械能等。參數(shù)之間的關(guān)系由伯努利方程修正式表示：

故可以通過(guò)改變物料在輸送過(guò)程中的位能、動(dòng)能等降低物料在輸送過(guò)程中的能耗。

3 氯堿生產(chǎn)中物料的輸送量

在氯堿生產(chǎn)中，精制鹽水、回鹽水、32%成品燒堿、31%成品鹽酸等物料需要通過(guò)泵向另一個(gè)罐輸送，并且輸送量較大。

(1)輸送的精鹽水及回鹽水量

在使用直流電電解食鹽水生產(chǎn)燒堿、氯氣等產(chǎn)品的氯堿生產(chǎn)工藝中，進(jìn)入電解槽的陽(yáng)極液并不是全部參與了反應(yīng)，只是一部分氯化鈉進(jìn)行了分解，陽(yáng)極液中的水分一部分隨著鈉離子透過(guò)離子交換膜遷移到陰極，一部分水在溫度升高的作用下，形成飽和蒸汽和生成的氯氣一起被稱(chēng)為濕氯氣，大部分的鹽和水以淡鹽水的形式返回系統(tǒng)，經(jīng)脫氯處理后作為化鹽水返回化鹽系統(tǒng)中重新參與生產(chǎn)、反應(yīng)。此部分的量大約為入槽精制鹽水的0.7倍左右。

返回鹽水的量可以按硫酸根的含量進(jìn)行測(cè)算，是比較準(zhǔn)確的數(shù)值。入槽鹽水硫酸根含量為5 g/L[2]，出槽淡鹽水的硫酸根含量為7 g/L[3]。

則入槽鹽水量V入×5=V出×7

精鹽水在電解槽內(nèi)參與反應(yīng)后，大約有0.7倍的精制鹽水未參與到反應(yīng)的淡鹽水會(huì)返回系統(tǒng)。

生產(chǎn)1 t折百的燒堿，理論上需要1.462 5 t NaCl。

按精鹽水含NaCl量310 g/L[4]。則生產(chǎn)1 t折百的燒堿需要的精鹽水?dāng)?shù)量為：

1.462 5×1 000÷310=4.72(m3)

輸送的回鹽水量為：4.72×0.7=3.3(m3)

(2)輸送的產(chǎn)品的量

32%燒堿輸送量：32%的燒堿在40 ℃時(shí)的密度為1.336 2 kg/L[5]。則1 t折百燒堿折合為32%燒堿時(shí)體積為：1÷32%÷1.336 2=2.34 m3

31%鹽酸輸送量：

80 71

1X

X=1×71÷80=0.887 5 t

取陽(yáng)極效率為98%則每生產(chǎn)1 t折百燒堿，能夠產(chǎn)生0.887 5×0.98=0.869 75 t氯氣。按95%的液化效率計(jì)算，則會(huì)有0.043 5 t氯氣用于生產(chǎn)鹽酸，取40 ℃時(shí)密度為1.17 kg/L[6]，生成的31%鹽酸量為：

0.043 5÷71×73÷31%÷1.17=0.123 m3

(3)總輸送量

4.72+3.3+2.34+0.123=10.48 m3，也就是說(shuō)每生產(chǎn)1 t折百的燒堿就會(huì)有10.48 m3的物料需要使用離心泵進(jìn)行進(jìn)罐的輸送。公司的生產(chǎn)規(guī)模是75萬(wàn)t燒堿(折百)/a，物料的輸送量非常大，所以如何降低動(dòng)力電耗輸送這部分物料，具有非?？捎^(guān)的經(jīng)濟(jì)效益。

4 目前公司工藝設(shè)備、管線(xiàn)安裝現(xiàn)狀

(1)公司目前設(shè)備、管線(xiàn)安裝、布置情況

公司在安裝時(shí)，電解的淡鹽水到化鹽池的路線(xiàn)走向示意圖如圖1。電解淡鹽水管線(xiàn)自電解到鹽水進(jìn)入化鹽池時(shí)，管道通過(guò)管廊跨過(guò)兩條馬路。淡鹽水自配水罐的頂部進(jìn)入，然后配水罐內(nèi)淡鹽水再經(jīng)化鹽泵加壓后進(jìn)入化鹽池用于溶解原料原鹽。

圖1 化鹽水管道原設(shè)計(jì)圖Fig.1 Original design drawing of pipeline of melt saline water

(2)目前布置存在的不足

此安排布局沒(méi)有很好地進(jìn)行綜合考慮。不利于動(dòng)力電耗的降低和設(shè)備的綜合利用。原設(shè)計(jì)有兩個(gè)方面的缺陷：一是由電解的淡鹽水到鹽水的配水罐沒(méi)有考慮伯努利方程理論利用利用虹吸現(xiàn)象降低動(dòng)力設(shè)施的動(dòng)力電耗；二是自鹽水的配水罐進(jìn)入化鹽池需要經(jīng)過(guò)一個(gè)管廊。使用泵的輸送才能達(dá)到最終目的，增加了運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)量。這樣的工藝布置有以上兩個(gè)問(wèn)題有待商榷，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)最大可能的降低動(dòng)力電耗的目的。

5 合理工藝布局對(duì)降低動(dòng)力電耗的可行性分析

(1)降低動(dòng)力電耗的解決措施

公司在利用伯努利方程充分討論了能耗的影響因素及局部實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了兩種改良的措施，主要從以下幾個(gè)方面著手，如：通過(guò)改變進(jìn)口位置，充分利用虹吸現(xiàn)象，降低泵的有效揚(yáng)程；通過(guò)改變管道流通直徑，改變物料流速，降低泵所必需提供的機(jī)械能；通過(guò)改變?cè)O(shè)備布局，達(dá)到減少動(dòng)力設(shè)備運(yùn)行數(shù)量，從而降低動(dòng)力電耗的目的。改造后的流程示意圖如圖2、圖3(注：以下公式、論述中均不考慮管道的摩擦阻力)。

圖2 改造后化鹽水管道布置圖Fig.2 Layout of transformed melt saline water pipeline

圖3 改造后化鹽水管道布置圖Fig.3 Layout of transformed melt saline water pipeline

(2)措施一。通過(guò)降低配水罐的進(jìn)口位置，由頂部進(jìn)入改為由底部進(jìn)入，可以通過(guò)虹吸現(xiàn)象有效的降低淡鹽水泵的有效揚(yáng)程，從而達(dá)到降低離心泵功率、降低動(dòng)力電耗的效果。

根據(jù)方程，研究一下物料自罐頂和罐底進(jìn)入時(shí)消耗的動(dòng)能的區(qū)別。如圖4、圖5。

圖4 物料自罐頂和罐底進(jìn)入時(shí)消耗的動(dòng)能分析示意圖Fig.4 Schematic diagram of kinetic energy analysis consumed when materials enter from tank top and tank bottom

物料自罐頂進(jìn)罐時(shí)，物料進(jìn)罐的壓力取截面1-1′處的壓力，記作p1。物料自罐底進(jìn)罐時(shí)，物料進(jìn)罐的壓力取截面2-2′處的壓力，記作p2。則有：

因：u1=u2，則有：p1-p2=ρg(z2-z1)<0

也就是說(shuō)，物料自罐底進(jìn)入時(shí)，由于虹吸管的作用，1-1′截面出的壓力會(huì)出現(xiàn)真空的情況。

但物料自罐頂進(jìn)入時(shí)，由于物料需要流動(dòng)，p1始終大于零。設(shè)自物料自罐頂進(jìn)入時(shí)，2-2′壓力為p頂，自罐底進(jìn)入時(shí)，2-2′壓力為p底,根據(jù)前面的論證有p頂>p底。取在罐頂進(jìn)口處相同點(diǎn)比較泵所必需提供的機(jī)械能的差別。

圖5 泵與管道配位圖Fig.5 Layout of pump and pipeline

不考慮管道能量損耗，則泵所需提供的機(jī)械能為：

因u2=u1，高度h相同，泵入口壓力相同，則p2分別取p頂、p底時(shí)，會(huì)出現(xiàn)泵的機(jī)械能的差別。則物料從頂部進(jìn)入時(shí)，泵所提供的機(jī)械能w頂要大于物料自底部進(jìn)入時(shí)，泵所提供的機(jī)械能w底。即：w頂>w底。

結(jié)論。物料自罐底進(jìn)入時(shí)，由泵所提供的機(jī)械能要小于自罐頂進(jìn)入時(shí)所必需的機(jī)械能。

(3)措施二。 適當(dāng)改變進(jìn)罐管道直徑，改變物料流速，進(jìn)而降低泵所需提供的機(jī)械能(圖6)。

圖6 改變進(jìn)罐管道直徑示意圖Fig.6 Schematic diagram of changing the diameter of the inlet pipe of tank

因?yàn)槲锪显诠艿纼?nèi)連續(xù)性流動(dòng)，所以在截面1-1′和截面2-2′處，兩者的流體質(zhì)量相等。因?yàn)榻孛?-1′的直徑d1小于截面2-2′處的直徑d2，則有截面1-1′的流體流速μ1小于截面2-2′處的流速μ2。即：μ1<μ2。

(4)措施三。通過(guò)改動(dòng)設(shè)備的位置，減少動(dòng)力設(shè)備運(yùn)行數(shù)量，達(dá)到降低動(dòng)力電耗，節(jié)省能源的目的。

改變電解來(lái)的淡鹽水單純進(jìn)入配水罐的模式既可以進(jìn)配水罐也可以直接進(jìn)入化鹽池，這樣可以省去由配水罐輸送至化鹽池所必須的動(dòng)力設(shè)施——化鹽水泵，達(dá)到降低動(dòng)力電耗的目的。

將配水罐和化鹽池就近布置，這樣就可以省去了化鹽泵，當(dāng)生產(chǎn)條件發(fā)生改變或剛開(kāi)車(chē)不正常時(shí)，電解來(lái)的淡鹽水進(jìn)配水罐，化鹽水通過(guò)配水罐再進(jìn)入化鹽池。正常生產(chǎn)后，電解來(lái)的淡鹽水直接進(jìn)化鹽池，配水罐基本可以空置不用，可以調(diào)節(jié)化鹽用水的平衡。比較適用于生產(chǎn)裝置的初期安裝。

配水罐和化鹽池之間有馬路，必須通過(guò)管廊才能到達(dá)的。電解來(lái)的淡鹽水直接進(jìn)入化鹽池，配水罐仍是起調(diào)節(jié)作用，在剛開(kāi)車(chē)和生產(chǎn)條件變化時(shí)，淡鹽水進(jìn)配水罐臨時(shí)緩沖。配水罐內(nèi)收集的水可通過(guò)化鹽水泵輸送至化鹽池，設(shè)置化鹽水泵的目的主要也是調(diào)節(jié)的作用，平時(shí)該設(shè)備不運(yùn)行。這種改造比較適宜于在原設(shè)備安裝完成后的改造項(xiàng)目。

6 節(jié)能效果分析

崔方水等[9]論述了利用虹吸現(xiàn)象降低循環(huán)水泵揚(yáng)程的可行性和產(chǎn)生的巨大效益?？梢詾樯鲜龃胧┮弧⒋胧┒嘘P(guān)于設(shè)備布置位置、管線(xiàn)進(jìn)口位置、管徑改變等的改造提供理論支持，也間接說(shuō)明了工藝布置的小改動(dòng)，可以創(chuàng)造較大的經(jīng)濟(jì)效益。

對(duì)于措施三而言，可以直接利用停運(yùn)的離心泵的功率、以及運(yùn)行時(shí)間測(cè)算改造后的節(jié)能效果。

7 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，同樣的生產(chǎn)工藝，但在具體安裝過(guò)程中改變儲(chǔ)存設(shè)備的進(jìn)口方位便可起到降低動(dòng)力電耗的目的。由氯堿生產(chǎn)推廣到其他凡是涉及到物料輸送的單元操作中，均有相同的效果。所以說(shuō)降低能源消耗，可以通過(guò)很多的途徑進(jìn)行不同程度的實(shí)現(xiàn)。通過(guò)更新更節(jié)能的新型節(jié)能設(shè)備，也可以通過(guò)淘汰落后的生產(chǎn)工藝使用更加節(jié)能環(huán)保的新工藝達(dá)到節(jié)省能源的目的，這些都是在大的層面進(jìn)行的宏觀(guān)控制。在具體實(shí)施層面，工藝設(shè)備的布置、工藝管線(xiàn)的鋪設(shè)同樣會(huì)對(duì)動(dòng)力設(shè)施的能耗起到非常重要的影響?？傮w工藝確定后，施工人員針對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)具體的情況，審定更節(jié)能的工藝布置并及時(shí)和設(shè)計(jì)院取得聯(lián)系、溝通也是非常重要的。