氨堿法蒸餾塔熱量平衡分析

顧元鵬，劉鴻浩，潘學(xué)彬，劉東鴻

(山東?；煞萦邢薰?，山東 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(gè)箱式熱交換器，主要用來降低出氣溫度和水蒸汽含量，同時(shí)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(jià)和編制能效測試及評價(jià)報(bào)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(shí)進(jìn)行測試，時(shí)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(gè)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(jià)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(gè)熱量交換的系統(tǒng)，在這個(gè)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(gè)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(cuò)，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。