氯化銨回轉(zhuǎn)干燥工藝能耗和尾氣排放分析

張海濱，張慶磊，趙平杰，李慧燕，彭麗華

(山東天力能源股份有限公司，山東濟(jì)南 250013)

氯化銨是聯(lián)堿法生產(chǎn)純堿的副產(chǎn)品，常作為氮肥，也可用作印染、電鍍、電池等工業(yè)的原料。2020年全國(guó)年產(chǎn)量約1 200萬(wàn)t。氯化銨易吸潮、易結(jié)塊，為方便運(yùn)輸和使用，需要進(jìn)行干燥處理。干燥工藝的能耗和經(jīng)濟(jì)性，影響著氯化銨生產(chǎn)的總成本。此外，由于聯(lián)堿法生產(chǎn)的氯化銨中，含有一定量的碳酸銨，干燥過(guò)程中，碳酸銨分解產(chǎn)生氨氣，尾氣如不能凈化，對(duì)大氣會(huì)造成污染。目前常用的氯化銨干燥工藝為內(nèi)加熱流化床工藝，需要用大量流化風(fēng)使物料形成流化態(tài)，故尾氣量大，能耗高，尤其是尾氣中的氨氣難以?xún)艋?，面臨著很大的環(huán)保壓力。2019年，山東天力能源股份有限公司開(kāi)發(fā)了氯化銨的回轉(zhuǎn)干燥工藝，并進(jìn)行了中試試驗(yàn)。首次將蒸汽回轉(zhuǎn)干燥機(jī)用于氯化銨生產(chǎn)。本文從工藝、能耗、環(huán)保等方面，對(duì)氯化銨回轉(zhuǎn)干燥工藝和內(nèi)加熱流化床工藝進(jìn)行對(duì)比研究。

1 氯化銨干燥工藝介紹及對(duì)比

1.1 蒸汽回轉(zhuǎn)干燥機(jī)簡(jiǎn)介

蒸汽回轉(zhuǎn)干燥工藝的核心設(shè)備為蒸汽回轉(zhuǎn)干燥機(jī)，主要由機(jī)體、換熱管、支撐裝置、傳動(dòng)裝置和罩體等組成。干燥機(jī)筒體內(nèi)設(shè)有換熱管，物料從換熱管外的筒體通過(guò)，換熱介質(zhì)從換熱管通過(guò)。干燥機(jī)從進(jìn)料端到出料端有一定的安裝傾角，物料從較高的一端進(jìn)料，從較低的一端出料。設(shè)備運(yùn)行時(shí)，筒體沿中軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，筒體內(nèi)的物料在筒內(nèi)做翻滾運(yùn)動(dòng)，使物料從高端流向低端。干燥過(guò)程中，換熱介質(zhì)和物料不接觸，兩者通過(guò)換熱管進(jìn)行間接換熱，干燥產(chǎn)生的水蒸汽由筒內(nèi)的攜濕氣帶走[6]。

根據(jù)換熱管型式的不同，蒸汽回轉(zhuǎn)干燥機(jī)可分為直管式和環(huán)管式。直管式蒸汽回轉(zhuǎn)干燥機(jī)的換熱管為直管，根據(jù)物料特性和干燥需求，可以采用光滑管，也可以采用帶有外翅片的翅片管。環(huán)管式蒸汽回轉(zhuǎn)干燥機(jī)的換熱管為環(huán)管，兩根直管和連通兩根直管的多根支管組共同組成換熱管組，其整體外形像圓弧形的梯子，又稱(chēng)梯形管，或T形管。

蒸汽回轉(zhuǎn)干燥機(jī)出料側(cè)的端部設(shè)有汽室和旋轉(zhuǎn)接頭，蒸汽和冷凝水通過(guò)旋轉(zhuǎn)接頭進(jìn)入和排出。通過(guò)旋轉(zhuǎn)接頭的動(dòng)密封實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的筒體和靜止的管道的銜接。

1.筒體 2.換熱管 3.傳動(dòng)裝置 4.出料罩 5.汽室 6.支撐底座 7.前滾圈 8.后滾圈 9.大齒圈圖1 環(huán)管蒸汽回轉(zhuǎn)干燥機(jī)外形圖

1.2 工藝流程及工藝對(duì)比

回轉(zhuǎn)干燥工藝見(jiàn)圖2。其流程比較簡(jiǎn)單，在干燥機(jī)前設(shè)置進(jìn)料設(shè)備，干燥機(jī)后設(shè)置出料設(shè)備。其尾氣量小，粉塵夾帶少，經(jīng)較小的旋風(fēng)除塵器和濕式除塵器除塵后能滿足排放要求。尾氣經(jīng)引風(fēng)機(jī)抽出后排空，不需要鼓風(fēng)機(jī)[6]。

圖2 回轉(zhuǎn)干燥工藝流程框圖

回轉(zhuǎn)干燥工藝的關(guān)鍵技術(shù)是防止氯化銨在筒體內(nèi)粘附。由于氯化銨粒度小，含水率高，為避免物料粘附于筒體和換熱管，需要設(shè)置返料裝置，將一部分干燥物料返回到進(jìn)料端，干料和濕料混合，使其含水率降低，粘附性減輕后，再共同送入干燥機(jī)內(nèi)。

內(nèi)加熱流化床工藝見(jiàn)圖3。除干燥主機(jī)的差異外，兩種工藝的主要差別是攜濕氣的處理。

圖3 內(nèi)加熱流化床工藝流程框圖

內(nèi)加熱流化床工藝的攜濕氣同時(shí)做流化風(fēng)，需要使物料形成流態(tài)化，需要具備一定的風(fēng)速，并克服物料的床層阻力。因此，其對(duì)流化風(fēng)風(fēng)量和風(fēng)壓的要求都較高。為保障干燥效率，對(duì)攜濕氣的進(jìn)風(fēng)溫度也有較高的要求。因此，內(nèi)加熱流化床工藝需要設(shè)置鼓風(fēng)機(jī)，以提供風(fēng)量足夠的流化風(fēng)，并為流化風(fēng)提供足夠的風(fēng)壓；需要設(shè)置空氣預(yù)熱器，提高流化風(fēng)的進(jìn)風(fēng)溫度[4]。

由于流化風(fēng)量較大，且流化風(fēng)在床層內(nèi)有一定的風(fēng)速，顆粒較小的氯化銨易被流化風(fēng)帶走，并夾帶于干燥尾氣中。這種狀況，一方面造成了產(chǎn)品損失，降低了產(chǎn)品收率；另一方面，夾帶粉塵和氨氣的尾氣需要凈化后才能放空，除塵、除氨負(fù)荷都較高，往往需要較大的除塵器才能滿足需求。由于尾氣量大，尾氣處理設(shè)備多，尾氣引風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)壓都較高。此外，由于尾氣量大，隨尾氣帶走的熱量多，會(huì)降低熱效率，增大系統(tǒng)能耗。

回轉(zhuǎn)干燥工藝中，物料運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力來(lái)自筒體轉(zhuǎn)動(dòng)，攜濕氣只做攜濕用，不用攜帶物料運(yùn)動(dòng)，也不用克服物料的阻力[6]。攜濕氣風(fēng)量?jī)H需要滿足尾氣對(duì)露點(diǎn)的要求，防止結(jié)露；風(fēng)壓僅需要克服設(shè)備和管道的阻力。因此，其風(fēng)量和風(fēng)壓均很低。因尾氣量小，風(fēng)速低，尾氣中夾帶的粉塵量少，易于除塵凈化。尾氣量小，隨尾氣帶走的熱量少，因此，其熱效率較高，有助于降低能耗。

兩種工藝的對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 氯化銨干燥工藝對(duì)比表

2 能耗和尾氣量對(duì)比

干燥系統(tǒng)的能耗主要體現(xiàn)在蒸汽消耗(簡(jiǎn)稱(chēng)汽耗)和動(dòng)力消耗(簡(jiǎn)稱(chēng)電耗)兩個(gè)方面，環(huán)保特征主要體現(xiàn)在尾氣的排放量以及尾氣中污染物凈化的難易程度。

自2019年提出氯化銨的回轉(zhuǎn)干燥工藝后，天力公司進(jìn)行了小試試驗(yàn)，建成了處理量600 kg/h的中試試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行了中試試驗(yàn)。本文以36萬(wàn)t/a的產(chǎn)能為例，對(duì)兩種工藝的能耗和成本進(jìn)行分析。

本例中，濕料的濕含量為7%，干燥后氯化銨的濕含量為0.5%。加熱介質(zhì)為1.0 MPa(G)的飽和蒸汽。動(dòng)力電源為380 V，50 Hz。

2.1 滿負(fù)荷工況

兩種工藝的能耗及尾氣排放情況見(jiàn)表2。

表2 滿負(fù)荷工況氯化銨干燥消耗和尾氣排放對(duì)比表

由表2可以看出，和內(nèi)熱床工藝相比，滿負(fù)荷工況下，氯化銨回轉(zhuǎn)干燥工藝的汽耗、電耗、尾氣排放量均大幅度下降。汽耗的為內(nèi)熱床工藝的73.91%，電耗為內(nèi)熱床工藝的43.97%，尾氣排放量?jī)H為內(nèi)熱床工藝的16.47%。

蒸汽價(jià)格按照170元/t，電價(jià)按照0.7元/ kW·h，實(shí)際電耗按裝機(jī)功率的0.8倍估算。兩種工藝的能耗成本見(jiàn)表3。

表3 單位產(chǎn)品能耗成本對(duì)比表

由表3可以看出，滿負(fù)荷工況下，和內(nèi)熱床工藝相比，生產(chǎn)每噸氯化銨，回轉(zhuǎn)干燥工藝可減少13.98元的能耗成本。

按照年運(yùn)行時(shí)間8 000 h計(jì)算，年能耗成本見(jiàn)表3。

由表4可以看出，滿負(fù)荷工況下，和內(nèi)熱床工藝相比，產(chǎn)能36萬(wàn)t/a的生產(chǎn)裝置，回轉(zhuǎn)干燥工藝每年可節(jié)約汽耗成本326.2萬(wàn)元，節(jié)約用電成本177萬(wàn)元，能耗節(jié)約總成本503.20萬(wàn)元。能耗成本大幅度降低。

表4 年能耗成本對(duì)比表

2.2 非滿負(fù)荷工況

2.2.1 非滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，內(nèi)熱床工藝的特征

1)為保障物料正常的流化狀態(tài)，流化風(fēng)量、風(fēng)壓，需要和滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)保持一致。因此，風(fēng)機(jī)仍要滿負(fù)荷運(yùn)行。

2)為保障干燥效率，進(jìn)風(fēng)和出風(fēng)溫度保持不變。因此，空氣預(yù)熱器的熱負(fù)荷保持不變。即，蒸汽預(yù)熱器部分的蒸汽消耗和滿負(fù)荷相同。

3)因處理量下降，物料干燥需要的熱負(fù)荷降低。因此，流化床換熱器部分熱負(fù)荷降低。即，換熱器部分蒸汽消耗減少。

4)進(jìn)出料設(shè)備多采用工頻設(shè)備，仍滿負(fù)荷運(yùn)行，負(fù)荷保持不變。

2.2.2 非滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，回轉(zhuǎn)干燥工藝的特征

1)因處理量下降，物料干燥需要的熱負(fù)荷降低。因此，干燥機(jī)換熱管的熱負(fù)荷降低。即，干燥機(jī)部分蒸汽消耗減少。

2)因干燥蒸發(fā)的水分減少，需要的攜濕氣量降低。因此，干燥機(jī)尾氣量減少，風(fēng)機(jī)的負(fù)荷也有所降低。

3)干燥機(jī)轉(zhuǎn)速和滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)相同，負(fù)載下降，用電負(fù)荷略有下降。

4)進(jìn)出料設(shè)備多采用工頻設(shè)備，仍滿負(fù)荷運(yùn)行，負(fù)荷保持不變。

不同負(fù)荷下，回轉(zhuǎn)干燥工藝和內(nèi)熱床工藝的尾氣量見(jiàn)圖4。

圖4 回轉(zhuǎn)干燥工藝和內(nèi)熱床工藝尾氣量

由圖4可以看出，回轉(zhuǎn)干燥工藝的尾氣量和負(fù)荷量呈正比，而內(nèi)熱床工藝的尾氣量不隨負(fù)荷改變。在不同負(fù)荷下，內(nèi)熱床工藝的尾氣量均保持滿負(fù)荷。

非滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，用電設(shè)備的負(fù)荷雖有降低，但降低程度不明顯，電耗降低程度有限。因此，估算能耗時(shí)，不考慮電耗降低，僅計(jì)算汽耗的變化。根據(jù)以上分析進(jìn)行工藝計(jì)算，不同負(fù)荷時(shí)，回轉(zhuǎn)干燥工藝和內(nèi)熱床工藝的汽耗分別見(jiàn)圖5和圖6。

圖5 回轉(zhuǎn)干燥工藝不同負(fù)荷工況的汽耗曲線

圖6 內(nèi)熱床工藝不同負(fù)荷工況的汽耗曲線

由圖5和圖6可知，非滿負(fù)荷工況下，回轉(zhuǎn)干燥工藝的單位汽耗不變，總汽耗和負(fù)荷量呈正比。隨著負(fù)荷量下降，內(nèi)熱床工藝的單位汽耗呈拋物線升高，負(fù)荷越低，單位汽耗越大。以上分析說(shuō)明，回轉(zhuǎn)干燥工藝的單位汽耗不受負(fù)荷量的影響，而內(nèi)熱床工藝的汽耗受負(fù)荷影響很大。和內(nèi)熱床工藝相比，低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，回轉(zhuǎn)干燥工藝的節(jié)能效果更加顯著。

3 總 結(jié)

1)介紹了氯化銨的回轉(zhuǎn)干燥工藝，和內(nèi)熱床工藝相比，回轉(zhuǎn)干燥工藝的流程更加簡(jiǎn)單。風(fēng)壓和風(fēng)量需求均大幅度減少。

2)以產(chǎn)能36萬(wàn)t/a的生產(chǎn)裝置為例，對(duì)尾氣量和能耗進(jìn)行了對(duì)比。研究證明，在滿負(fù)荷工況下，回轉(zhuǎn)干燥工藝的汽耗僅為內(nèi)熱床工藝的73.91%，電耗為內(nèi)熱床工藝的43.97%。每年可節(jié)約能耗成本503.20萬(wàn)元。

3)非滿負(fù)荷工況運(yùn)行時(shí)，回轉(zhuǎn)干燥工藝的尾氣量隨負(fù)荷下降而減少，而內(nèi)熱床工藝的尾氣量始終滿值；回轉(zhuǎn)干燥工藝的單位汽耗不隨負(fù)荷量改變，內(nèi)熱床工藝的單位汽耗隨負(fù)荷量的降低呈拋物線升高。