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        氨堿法蒸餾塔熱量平衡分析

        2022-12-20 03:27:06顧元鵬劉鴻浩潘學(xué)彬劉東鴻
        純堿工業(yè) 2022年6期
        關(guān)鍵詞:蒸餾塔母液廢液

        顧元鵬,劉鴻浩,潘學(xué)彬,劉東鴻

        (山東?;煞萦邢薰荆綎| 濰坊 262737)

        蒸餾塔是氨堿法純堿生產(chǎn)工序中母液蒸餾塔的總稱,一般由蒸氨塔冷凝器、預(yù)熱段、預(yù)灰桶、蒸餾段四部分組成,主要作用是回收系統(tǒng)的氨。蒸氨塔冷凝器是一個箱式熱交換器,主要用來降低出氣溫度和水蒸汽含量,同時可以預(yù)熱母液;預(yù)熱段主要用于預(yù)熱母液,驅(qū)出液相中絕大部分的二氧化碳和硫化物以及一部分氨;預(yù)灰桶是預(yù)熱母液和石灰乳的反應(yīng)桶,用來分解預(yù)熱母液中的固定銨;蒸餾段用于蒸餾混合液中的全部氨。

        研究蒸餾塔的熱量平衡有助于我們掌握熱量損失方向,從而可以精準(zhǔn)管控?zé)崃繐p失,提高熱量利用率,降低能量損失,減少生產(chǎn)過程中的碳排放。借助熱成像儀及DCS生產(chǎn)檢測系統(tǒng),我們對老線蒸餾塔系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的檢測和熱量平衡分析。為進(jìn)一步提高熱量的利用率,增加換熱器回收部分廢液熱量。

        1 蒸餾塔熱量監(jiān)測

        1.1 監(jiān)測的主要內(nèi)容

        以老線2#蒸餾塔生產(chǎn)工況為監(jiān)測主體,監(jiān)測其蒸餾塔的熱量分布及其熱效率。測試參數(shù)包括:母液的溫度、流量、物料組分、相對密度,石灰乳的溫度、流量、物料組分、相對密度,凝縮液的溫度、流量、物料組分、相對密度,消耗蒸汽的溫度、壓力、流量,廢液的溫度、流量、物料組分、相對密度,餾出氣的溫度、流量、物料組分。

        1.2 監(jiān)測要求

        1)在進(jìn)行監(jiān)測、評價和編制能效測試及評價報告的過程中,要遵循國家有關(guān)蒸餾塔的運(yùn)行能效監(jiān)測及評估的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn);

        2)對測試設(shè)備, 在設(shè)備熱工況穩(wěn)定或周期性設(shè)備達(dá)到用汽高峰時進(jìn)行測試,時間應(yīng)不少于1 h;

        3)對熱效率,連續(xù)生產(chǎn)的設(shè)備在熱工況穩(wěn)定后測試2 h;周期性生產(chǎn)的設(shè)備測試一個生產(chǎn)周期;

        4)蒸餾塔監(jiān)測所用儀表儀器規(guī)格要求見表1。

        表1 監(jiān)測儀表及其精準(zhǔn)度

        1.3 測評依據(jù)

        《蒸汽加熱設(shè)備節(jié)能監(jiān)測方法》(GB/T 15914-1995)

        《用能設(shè)備能量平衡通則》(GB/T 2587-2009)

        《評價企業(yè)合理用熱技術(shù)導(dǎo)則》(GB/T 3486-1993)

        《企業(yè)能耗計(jì)算與測試導(dǎo)則》(GB/T 6422-2009)

        《節(jié)能監(jiān)測技術(shù)通則》(GB/T 15316-2009)

        圖1 母液蒸餾塔的基本流程

        2 蒸餾塔熱量平衡計(jì)算公式說明

        把老線2#蒸餾系統(tǒng)看成一個熱量交換的系統(tǒng),在這個能量交換系統(tǒng)內(nèi),老線2#蒸餾塔收入的熱量有煅燒來熱母液、石灰來灰乳、淡液、蒸汽的熱量及化學(xué)反應(yīng)放出的熱量。支出的熱量包括出氣帶走熱量、廢液帶走熱量、化學(xué)反應(yīng)吸收熱、管道及設(shè)備損失的熱量。

        1)輸入熱量按下式計(jì)算:

        Qr=GMρMCMΔtM+GLρLCLΔtL+GNρNCNΔtN+Dγw+Q1+Q2

        式中:Qr——總輸入熱量,MJ/h;

        GM——母液的流量,m3/h;

        ρM——母液的相對密度;

        CM——母液的比熱容,kJ/(kg·℃);

        ΔtM——母液溫差,℃;

        GL——石灰乳的流量,m3/h;

        ρL——石灰乳的相對密度;

        CL——石灰乳的比熱容,kJ/(kg·℃ );

        ΔtL——石灰乳溫差,℃;

        GN——淡液的流量,m3/h;

        ρN——淡液的相對密度;

        CN——淡液的比熱容,kJ/(kg·℃ );

        ΔtN——淡液溫差,℃;

        D——蒸汽的消耗量,t/h;

        γw——所耗蒸汽的焓值,kJ/kg。

        Q1——NH4Cl和Ca(OH)2的反應(yīng)熱,kJ/h;

        Q2——預(yù)灰桶中CO2和Ca(OH)2的反應(yīng)熱,kJ/h。

        2)蒸餾的有效熱量按下式計(jì)算:

        Qyx=GyρyCyΔty+GNCNΔta+GCCCΔta+GWMWγ′W+Q3+Q4+QN+QC

        式中:Qyx——蒸餾的有效熱量,kJ/h;

        Gy——廢液的流量,m3/h;

        ρy——廢液的相對密度;

        Cy——廢液的比熱容,kJ/( kg·℃);

        Δty——廢液溫差,℃;

        Δta——餾出氣溫差,℃;

        GN——餾出氣NH3的流量,kmol/h;

        CN——NH3的比熱容,kJ/ (kmol·℃ );

        GC——餾出氣CO2的流量,kmol/h;

        CC——CO2的比熱容,kJ/(kmol·℃ );

        GW——餾出氣H2O的流量,kmol/h;

        MW——H2O的摩爾質(zhì)量,g/mol;

        γ′W——水在餾出溫度下的潛熱,kJ/kg;

        Q3——NH4HCO3的分解吸熱,kJ/h;

        Q4——(NH4)2CO3的分解吸熱,kJ/h;

        QN——NH3的揮發(fā)吸熱量,kJ/h;

        QC——CO2的揮發(fā)吸熱量,kJ/h。

        3)蒸餾設(shè)備的熱效率按下式計(jì)算:

        式中:qyx——蒸餾設(shè)備的熱效率,%。

        3 熱量平衡計(jì)算

        老線2#蒸餾塔,φ3200×37285,沈陽鑄造廠,容積297 m3;工作溫度82~115 ℃,工作壓力7~60 kPa,填料高度4×2 m,腐蝕裕量3 mm,保溫材料:硅酸鹽復(fù)合板,保溫層厚度100 mm。

        表2 老線2#蒸餾塔監(jiān)測數(shù)據(jù)

        表3 老線2#蒸餾塔收入、支出熱量

        通過人工現(xiàn)場監(jiān)測,及DCS生產(chǎn)系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù),可測算出蒸餾塔收、支熱量及其熱量分布,詳細(xì)熱量分布數(shù)據(jù)見表3。

        其中系統(tǒng)收入總熱量6 673.71 MJ/t堿,系統(tǒng)損失熱量656.33 MJ/t堿,qyx蒸餾設(shè)備的熱效率90.17%。

        另外,系統(tǒng)支出熱量中,廢液帶走熱量占比較大,占總支出熱量的41.30%。

        4 蒸汽損耗分析

        我廠蒸餾塔的蒸汽總消耗在1.5 t/t堿左右,一次蒸汽在1.2 t/t堿左右,占純堿原料總成本的22%左右。蒸餾汽耗的高低對純堿企業(yè)的競爭力,有很大影響。從分析數(shù)據(jù)看降低汽耗主要有以下幾個措施:

        1)提高氨鹽水鹽分,減少系統(tǒng)循環(huán)量,降低母液當(dāng)量和灰乳當(dāng)量;

        2)通過閃發(fā)等手段,回收更多的廢蒸汽;

        3)提高蒸餾塔一閃和二閃的效率,回收更多蒸汽;

        4)提高蒸餾塔真空,提高化學(xué)反應(yīng)的速度;

        5)提高灰乳的溫度和濃度,增加灰乳帶入的熱量;

        6)利用廢熱提高母液溫度,增加母液帶入的熱量;

        7)做好設(shè)備保溫減少熱損失。

        8)降低廢液溫度,減少熱量損失。

        5 可回收熱量

        母液蒸餾是純堿廠三大熱能消耗工序之一,塔底廢液帶出的熱量是蒸氨系統(tǒng)耗能占比最大的一項(xiàng),主要是顯熱帶出。通過檢測可知,該部分熱量占總支出熱量的53.99%,回收利用蒸餾廢液的熱量是降低生產(chǎn)能源消耗的可行途徑。蒸餾廢液熱量回收的方法如下:

        將高溫蒸餾廢液熱量回收利用,通過廢液熱交換器來制取熱水,用于生產(chǎn)工藝,也可以用作冬季采暖,或用于海水淡化。

        基于現(xiàn)場情況和測試結(jié)果,發(fā)現(xiàn)蒸餾塔廢液經(jīng)過兩次閃蒸后,還有大量的熱量可供回收利用。老線廢液流量30 000 m3/d,新線廢液流量40 000 m3/d,廢液溫度均在85 ℃左右。若把現(xiàn)有廢液溫度降低到50 ℃排放,則老線熱回收潛力達(dá)51 MW,新線熱回收潛力達(dá)68 MW,總回收潛力達(dá)119 MW,年折合標(biāo)準(zhǔn)煤12.8萬t;若把現(xiàn)有廢液溫度降低到30 ℃排放,則老線熱回收潛力達(dá)80 MW;新線熱回收潛力達(dá)107 MW,總回收潛力達(dá)187 MW,年折合標(biāo)準(zhǔn)煤20.1萬 t。

        目前我廠做過多次測試,從廢液泵出口接一測試管線,通過天津某設(shè)備公司生產(chǎn)的“廢液換熱器樣機(jī)”換熱后返回廢液池,給淡水間接換熱提溫。一開始運(yùn)行正常,后來因設(shè)備結(jié)疤嚴(yán)重停用。近期天津又一企業(yè)擬采用特殊材料的換熱設(shè)備進(jìn)行測試,從現(xiàn)場看模擬測試看,效果不錯,期待下一步的連續(xù)性測試。

        6 結(jié) 語

        當(dāng)前,我廠已對所有的蒸餾塔進(jìn)行了詳細(xì)的熱量檢測和熱量平衡分析,其中蒸餾塔的熱效率控制在84.6%~92%,熱量利用率較高。在對廢液管線增加換熱器后廢液溫度可降低到50 ℃排放,則總熱量回收潛力可達(dá)119 MW,年折合標(biāo)準(zhǔn)煤12.8萬 t。

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