環(huán)己酮廢堿焚燒運(yùn)行成本模擬方法及應(yīng)用

陳立新，于世勤

(中國石化集團(tuán)資產(chǎn)經(jīng)營管理股份有限公司巴陵石化分公司環(huán)己酮事業(yè)部，湖南岳陽414014)

環(huán)己酮是尼龍6的主要上游原料，環(huán)己烷氧化制備環(huán)己酮工業(yè)過程產(chǎn)生大量的高濃度有機(jī)廢堿液是環(huán)己酮行業(yè)擴(kuò)能的環(huán)保瓶頸。20世紀(jì)90年代末期，基于堿回收爐法的廢堿焚燒技術(shù)，具有處理成本低、化學(xué)耗氧量(COD)去除率高、處理符合國家環(huán)境排放標(biāo)準(zhǔn)等特點(diǎn)，逐步成為環(huán)己酮皂化廢堿處理主流技術(shù)，近年來已經(jīng)在國內(nèi)絕大部分新建或改擴(kuò)建的環(huán)己酮項(xiàng)目中投入應(yīng)用［1－4］。廢堿焚燒裝置輔助燃料來源復(fù)雜，種類多，所用燃料多為工業(yè)副產(chǎn)品或其深加工產(chǎn)品，其成分、低位熱值經(jīng)常變化，影響到鍋爐穩(wěn)定燃燒和運(yùn)行成本;副產(chǎn)蒸汽價格經(jīng)常調(diào)整也影響到焚燒裝置運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。筆者開發(fā)了廢堿焚燒裝置運(yùn)行成本的計(jì)算模擬方法，并將其應(yīng)用于指導(dǎo)生產(chǎn)中合理調(diào)整運(yùn)行參數(shù)。

1 廢堿焚燒處理流程

皂化廢堿液加壓至1.8～2.5 MPa后送入皂化液噴槍，霧化后進(jìn)入堿回收鍋爐，于爐內(nèi)懸浮干燥、空間燃燒(懸浮燃燒)。皂化液中的有機(jī)酸鈉鹽轉(zhuǎn)化成碳酸鈉，反應(yīng)放出大量熱量。

燃料氣經(jīng)燃?xì)鈬姌寚娙霠t內(nèi)燃燒。燃料油經(jīng)燃油管線回路調(diào)節(jié)穩(wěn)壓到0.3～0.7 MPa，再經(jīng)蒸氣霧化油槍入爐燃燒。燃燒灰分隨煙氣至鍋爐尾部沉積或被電除塵捕集回收，由刮板機(jī)輸送至灰斗再包裝外售，回收灰分的主要成分為碳酸鈉。較大的顆粒在爐膛空間來不及燃燒，落到爐底墊層上燃盡(墊層燃燒)。產(chǎn)生的碳酸鈉熔融物從廢堿焚燒鍋爐底部溜子口流出，經(jīng)溜子槽進(jìn)入到固堿回收單元，得到粗碳酸鈉副產(chǎn)品。煙氣引入80 m高的煙囪排空。爐內(nèi)燃燒反應(yīng)所放熱量，在下省煤器、上省煤器、上鍋筒、沸騰管屏、下鍋筒等受熱面加熱軟水產(chǎn)生1.27MPa的蒸汽，除少量供本裝置自用外，其余并入界區(qū)外低壓蒸汽管網(wǎng)。

2 廢堿焚燒運(yùn)行成本模型建立

2.1 運(yùn)行模型初始條件

2.1.1 燃料特性

渣油:渣油量為0～10 000 kg/h，密度為1 065 kg/m3，低位發(fā)熱量為41 033 kJ/kg。渣油元素成分及含量分別如下:碳(C)為85.7%，氫(H)為10.0%，硫(S)為 0.5%，氮(N)為 0.7%，氧(O)為 0.8%，灰分為 0.3%，水分為 2.0%。

干氣:干氣量為0～15 000 kg/h，密度為0.85 kg/m3，低位發(fā)熱量為34 543 kJ/kg。干氣元素成分及含量分別如下:C為59.90%，H為14.19%，S 為2.64%，N 為21.95%，O 為1.32%。

煤焦油:灰分為 3.95%，S 為0.42%，水分為5.24%，閃點(diǎn)(開口)為 80～100℃，總熱值為39 776 kJ/kg。

2.1.2 皂化液

皂化液量為0～20 000 kg/h，密度為1 240 kg/m3，固形物低位熱值為12 110 kJ/kg，固形物含量為43%;皂化液元素組成及含量分別如下:C為 10.26%，H 為 2.84%，S 為 0.054%，N 為0.068%，O 為15.84%，灰分為7.938%，水分為63%。

2.2 其他取值條件

模擬計(jì)算中價格取值如下:干氣1 367元/t;渣油2 915元/t;副產(chǎn)蒸氣155元/t，鍋爐設(shè)計(jì)負(fù)荷50 t/h，焚燒廢堿產(chǎn)熔融堿0.077 5 t/t、產(chǎn)干堿灰 0.092 9 t/t。

2.3 計(jì)算流程

廢堿焚燒運(yùn)行成本反平衡法模擬計(jì)算流程見圖1。

圖1 廢堿焚燒運(yùn)行成本模擬計(jì)算流程示意Fig.1 Simulation schematic of waste alkali incineration operation cost

2.4 模擬計(jì)算實(shí)例

以廢堿流量 13 500 kg/h，干氣流量 945 kg/h，渣油流量675kg/h為例，模擬計(jì)算過程及結(jié)果見表1、表2。

表1 模擬計(jì)算輸入值Tab.1 Simulation input data

表2 模擬計(jì)算結(jié)果Tab.2 Simulation result

3 廢堿焚燒運(yùn)行成本模型計(jì)算分析及應(yīng)用

3.1 運(yùn)行成本模擬計(jì)算及分析

3.1.1 燃料比例

模擬計(jì)算了輔助燃料總熱量不變，恒為51 407 175 kJ/kg時，燃料比例變化的影響。數(shù)據(jù)輸入如下:廢堿流量為12 915 kg/h，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為43%，固形物低位熱值為12 110 kJ/kg;干氣低位熱值為34 543 kJ/kg;渣油低位熱值為41 033 kJ/kg;輔助燃料總熱量為51 407 175 kJ/kg;煙氣氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%。

從圖2可知，在投堿量、輔助燃料熱量不變的情況下，隨著干氣比例提高，鍋爐燃燒效率提高，產(chǎn)汽比增大，可變成本下降。

圖2 燃料比例對η1及可變成本的影響Fig.2 Effect of fuel amount on η1and variable cost

3.1.2 投堿量及渣油量

從圖3可知，模擬計(jì)算了全部用渣油情況下，燃料總熱量不變恒為118 659 448 kJ/kg時，只使用渣油作輔助燃料時，隨著渣油量增加，投堿量減少，可變成本不斷增加，在渣油量增加到約2 500 kg/h后，出現(xiàn)加速拐點(diǎn)，此后可變成本急速增加。因此在生產(chǎn)中，在全部使用渣油作輔助燃料時，在裝置沒有其它瓶頸的情況下，應(yīng)盡量提高投堿量，以獲得較低的焚燒處理成本。

圖3 燃料為渣油時投堿量和渣油量對可變成本的影響Fig.3 Effect of alkali and residue amounts on variable cost

3.1.3 投堿量及干氣量

從圖4可知，模擬計(jì)算了全部使用干氣時，燃料總熱量不變，恒為118 659 448 kJ/kg。

圖4 燃料為干氣時投堿量及干氣量對可變成本的影響Fig.4 Effect of alkali and dry gas amounts on variable cost

從圖4可知，在總熱量不變的情況下，只使用干氣作輔助燃料時，隨著干氣量增加，投堿量減少，可變成本不斷降低，在干氣量增加到約2 700 kg/h后，出現(xiàn)加速拐點(diǎn)，此后可變成本急速下降。因此，實(shí)際生產(chǎn)中，在全部使用干氣作輔助燃料，廢堿處理速度能夠滿足生產(chǎn)平衡要求時，應(yīng)盡量提高干氣量，以獲得較低的焚燒處理成本。

3.1.4 尾氣含氧量

模擬計(jì)算了投堿量13 500 kg/h，干氣1 350 kg/h，渣油200 kg/h情況下，煙氣含氧量對燃燒效率及可變成本的影響。從圖5可見，隨著煙氣含氧量變化增加，鍋爐的燃燒效率不斷下降，可變成本不斷增高;在尾氣氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到約6%后，出現(xiàn)加速拐點(diǎn)，此后可變成本加速增加。因此，實(shí)際生產(chǎn)中控制煙氣中氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)在3% ～5%較為適宜，以提高燃燒效率和降低焚燒處理成本。

圖5 煙氣含氧量對η1及可變成本的影響Fig.5 Effect of oxygen content of flue gas on η1and variable cost

3.2 裝置降低成本途徑

根據(jù)對廢堿焚燒裝置燃燒過程的模擬計(jì)算分析，確定了挖潛創(chuàng)效的方向，即建立投堿量與燃料類型高度關(guān)聯(lián)的運(yùn)行模式，根據(jù)燃料情況合理安排投堿負(fù)荷:

(1)全渣油、高投堿運(yùn)行模式。在干氣供應(yīng)嚴(yán)重不足的情況下，使用燃料油作為主要輔助燃料時，采用上限投堿運(yùn)行模式，將投堿量提高到近16 000 kg/h;只有增加廢堿的投料量，在全部使用渣油為燃料情況下才能夠降低廢堿處理成本。應(yīng)對堿槍、油槍能力及霧化性能不適應(yīng)的問題進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)。

(2)高干氣、少量油、低投堿運(yùn)行模式。在干氣稍有不足的情況下，采取大量使用干氣、少量輔助使用渣油，同時將投堿量控制在稍高于生產(chǎn)平衡保證量的數(shù)值，可以在滿足生產(chǎn)平衡要求情況下達(dá)到最優(yōu)的創(chuàng)效效果。

(3)全干氣、低投堿運(yùn)行模式。在干氣充足的情況下，全部使用干氣作為輔助燃料，采用高負(fù)荷時段與低負(fù)荷時段組合的運(yùn)行模式，在高負(fù)荷時段時使用干氣焚燒處理皂化廢堿;在低負(fù)荷時段時，廢堿預(yù)先儲存在裝置的廢堿儲槽中，同時使用干氣作燃料產(chǎn)生低壓蒸汽供應(yīng)管網(wǎng)，以獲得最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)效益。應(yīng)對干氣槍火焰場分布以及火焰角度不適應(yīng)的問題，進(jìn)行技術(shù)改造。

3.3 實(shí)施效果

實(shí)施投堿量與燃料類型高度關(guān)聯(lián)技術(shù)后，在所推薦的3種生產(chǎn)運(yùn)行模式下，廢堿焚燒處理可變成本均出現(xiàn)了明顯的下降。

2013年2月，在全渣油、高投堿運(yùn)行模式下，干氣燃料少，采用全部渣油作輔助燃料，根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，確定節(jié)能降耗措施為大量增加投堿量，達(dá)到15 500 kg/h，遠(yuǎn)高于2012年的平均投堿量。當(dāng)月可變成本為－19.57元/t，對比2012年的噸堿處理可變成本20.82元/t，則降低廢堿處理成本達(dá)到了40.39元/t，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效果非常明顯。

2013年6月，在高干氣、少量油、稍低投堿量的運(yùn)行模式下，干氣燃料供應(yīng)充足，采用大部分干氣、少量渣油作輔助燃料的運(yùn)行模式，在保證生產(chǎn)平衡前提下，投堿量維持在12 200 kg/h，低于2012年的平均投堿量水平，當(dāng)月可變成本為－140.3元/t，對比2012年的降低廢堿處理成本達(dá)到了160.12元/t，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效果非常顯著。

2013年7月，在全干氣、稍低投堿量結(jié)合全干氣、不投堿的運(yùn)行模式下生產(chǎn)時，當(dāng)月可變成本為－126.5元/t，對比2012年降低廢堿處理成本達(dá)到了147.32元/t。經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效果十分顯著。

在上述運(yùn)行模式下，2013年1～7月3種運(yùn)行模式涵蓋了廢堿焚燒裝置所遇到的燃料供應(yīng)變化情況，對指導(dǎo)裝置經(jīng)濟(jì)運(yùn)行意義十分重要。

4 結(jié)論

a.開發(fā)了廢堿焚燒經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型，研究了燃料的種類、配比、投堿量等參數(shù)與焚燒裝置運(yùn)行成本的規(guī)律，計(jì)算分析結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)情況相符合。

b.確定了不同燃料情況下對應(yīng)廢堿處理量的3種經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式:全渣油、高投堿運(yùn)行模式;高干氣、少量油、稍低投堿量的運(yùn)行模式;全干氣、稍低投堿量結(jié)合全干氣、不投堿的運(yùn)行模式。

c.將模擬計(jì)算結(jié)果應(yīng)用在生產(chǎn)方案優(yōu)化中，可以降低裝置運(yùn)行成本，優(yōu)化運(yùn)行效果明顯。

［1］ 劉駿躍.工業(yè)鍋爐燃燒過程的建模及控制［J］.煤礦自動化，2001(3):1 －3.

［2］ 王衛(wèi)濤.300MW循環(huán)流化床鍋爐模擬量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)［J］.華中電力，2009，22(3):64 －66.

［3］ 高劍，薛渝，肖寧強(qiáng).鍋爐熱效率測試正與反平衡法的不確定度比較［J］.能源與節(jié)能，2012，84(9):41 －42.

［4］ 蔡杰進(jìn)，馬曉茜，廖艷芬.鍋爐運(yùn)行性能與煙氣含氧量優(yōu)化研究［J］.熱力發(fā)電，2006，35(8):28 －30.