CH相余熱鍋爐工藝設計與運行

陳 耘何天文 重慶長壽化工有限責任公司 重慶 401220

CH相余熱鍋爐工藝設計與運行

陳 耘＊何天文 重慶長壽化工有限責任公司 重慶 401220

介紹乙炔法生產氯丁橡膠過程中,副產物 CH相余熱鍋爐的燃燒實驗、工藝設計和安全措施,投用后工業運行表明每小時產生 3t蒸汽,使噸氯丁橡膠蒸汽消耗下降 1t。

CH相 燃燒實驗 余熱鍋爐

CH相是在乙炔法生產氯丁橡膠過程中,乙炔二聚反應氣在混冷塔中冷凝產生的油相物質,主要成份為二乙烯基乙炔、乙炔多聚物以及少量吸收劑二甲苯等。由于只含碳氫元素,俗稱為 CH相。長化公司氯丁橡膠生產設計能力 30kt/a,年產生的 CH相約 2.1kt,原采用開放式土灶進行簡單焚燒處理,未充分利用其熱能,加之每年的土灶維護費用,造成資源和能源極大浪費。本著 “減量化,再利用,資源化”原則,提出實施 CH相焚燒余熱鍋爐方案,回收利用燃燒的熱能產生蒸汽。該項目得到國家節能獎勵資金支持,同時被列為2008年重慶市節能關鍵技術攻關項目。

1 余熱回收裝置

1.1 燃燒機開放性燃燒實驗

由于 CH相含有不飽和的雙鍵和三鍵物質,極易與氧反應生成爆炸性極強的過氧化物,且爆炸范圍寬。以前采用開放式燃燒,燃燒的穩定性和完全性還不是很重要,但采用相對密閉的鍋爐燃燒,如果燃燒不穩定和不完全,就會在爐膛積聚爆炸性混合物,嚴重危及安全。經過考察比較,選用廣州某公司引進的德國燃燒機及其控制系統。在 2008年 4月進行燃燒機開放性燃燒實驗后,確定以天然氣為長明火 (70Nm3/h),用壓縮空氣霧化 CH相,CH相焚燒時間大于 1s,焚燒溫度為1300K等工藝條件。燃燒實驗證明,該燃燒機燃燒穩定,無氣阻現象,燃燒完全無炭黑產生,解決霧化及堵塞問題。燃燒的穩定、安全及燃燒處理量等完全達到預期效果,符合余熱鍋爐安全燃燒的工藝要求。

1.2 安全技術措施

雖然燃燒實驗成功,可以配備鍋爐,但必須考慮周密的安全防范措施和控制方案,確保萬無一失。

(1)確保鍋爐負壓操作,即使意外熄火,流入爐膛已氣化的 CH相燃料會迅速被引風吸走,要保證引風機能力,同時進行燃燒聯鎖控制,如引風機意外故障,必須聯鎖停機,自動關閉 CH相燃料的進料閥。

(2)安裝可燃氣體濃度在線監測儀,實時在線分析監測爐膛內可燃氣體,一旦燃燒不完全就聯鎖停車。關閉 CH相燃料閥,即使在點火之前,也必須啟動可燃氣體濃度監測,否則點火程序不能啟動。

(3)安裝煙道氣中氧含量在線監測儀,根據煙道氣中剩余氧含量來判斷 CH相燃料是否充分燃燒,如含氧量過高,影響熱效率,含氧量過低,燃燒不充分,易發生二次燃燒的危險;當含氧量低于 2%時,設計聯鎖停車。

(4)在燃燒機上裝有兩個火焰監測探頭:一個是天然氣火焰監測:一個是 CH相火焰監測。啟動點火程序后,先引燃天然氣,接著是 CH相閥門打開,并被天然氣長明火點燃,同時減小天然氣量,使天然氣火焰縮短并包住 CH相火焰。只要其中任何一個火焰探頭監測不到火焰信號,控制程序會發出報警并聯鎖停車。

(5)安裝冗余的 CH相燃料切斷閥,當系統因聯鎖停車后,首先會切斷 CH相來料閥,考慮到閥門質量缺陷而導致的內漏,設置三個串聯的電磁切斷閥,確保 CH相聯鎖停車后不會繼續進料。

(6)為保證 CH相完全、穩定燃燒,CH相燃燒室采用特殊結構,確保 CH相在燃燒室的停留時間大于 1s,該設計使煙氣在燃燒室的停留時間為5s,并在前端敷設耐火泥,使爐膛前端形成高溫區,以確保 CH相充分燃燒。

(7)當鍋爐低水位時報警,并與燃燒機聯鎖,迅速切斷 CH相進料。

(8)設置天然氣長明火,防止因 CH相帶水造成熄火事故。

(9)燃燒機、爐膛設置氮氣緊急吹掃系統和爐膛設置防爆門等安全附件。

2 工藝設計

2.1 基礎數據

(1)CH相組成復雜,色譜分析有 10幾種成分,實測其相對密度 d為 0.845,根據烴類燃油熱物性經驗計算式[1]:

可估算出 CH相總發熱量 Q為 45562 kJ/kg,其熱值與重油、柴油相當。故按綜合能耗計算通則[2]取 CH相低位熱值:

天然氣低位熱值取:

(2)CH相鍋爐年生產時間為 7200h,副產物CH相年產量為 2100t,則燃燒 CH相量為:

根據燃燒工藝實驗,輔助天然氣燃燒量 BG為70 Nm3/h。

2.2 熱負荷

CH相完全燃燒產生熱量為:

天然氣輔助燃燒產生的熱量:

以上共計總熱負荷為:

燃燒室熱負荷上限為[3]:

故按熱負荷計算燃燒室體積為:

2.3 助燃空氣

CH相組成復雜,但主要以乙炔多聚物、二甲苯等 C8為主,設計以 C8H8進行模擬計算,天然氣以 CH4為計算基礎。

因 C8H8的分子量是 104,故每小時燃燒 CH相摩爾數:

則所需氧摩爾數:

在標況下每 kmol氣體的體積是 22.4m3,故每小時燃燒天然氣摩爾數為:

所需氧摩爾數為:

理論共需氧摩爾數:

考慮設計 10%富裕氧含量確保充分燃燒,則實際需氧量:

所需空氣摩爾數:

選取流量為 5000 Nm3/h助燃風機。

2.4 產生煙氣量和燃燒室規格

燃燒溫度控制在 1100～1300K,產物均為氣態。由式 (7)可知,每摩爾 CH相燃燒將產生 12摩爾煙氣即產生廢氣為:

由式 (8)可知,每摩爾天然氣燃燒產生 3摩爾煙氣,則產生廢氣量為:

煙氣中的過剩氧為:

氮氣摩爾數:

總煙氣流量為:

實際在操作條件下煙氣體積流量為:

為保證充分燃燒,設計煙氣在燃燒室內停留時間 Tr為 5s,則按停留時間計算燃燒室體積為:

燃燒室體積應同時考慮熱負荷及燃燒效率的原則,故實際燃燒室體積取:

參考鍋爐廠家意見,最終確定燃燒室尺寸為Φ2100×9800mm,實際體積為 35.5m3。

3 鍋爐能力

由式 (5)知熱負荷為 1.5×107kJ/h,由于未設計省煤器,熱效率η較低,選取為 70%。

產生 1.1MPa蒸汽的熱焓 H為 2785.5kJ/kg[4],故鍋爐蒸發量為:

考慮以后擴產及必要的操作彈性,選取額定蒸發量為 6t/h。

3.1 主要設備及參數

根據工藝計算數據,考慮必要的操作彈性和安全裕量,結合燃燒機廠家和鍋爐廠規格型號,確定設備參數。

3.1.1 燃燒室

最大排煙量:6000Nm3/h

燃燒溫度:1100～1400K

停留時間:5s

燃燒室尺寸:Φ2100×9800mm

3.1.2 燃燒機

根據廠家提供的燃燒機的規格,結合工藝計算確定選取能同時處理油氣的混合燃燒器,其參數如下:

燃料 1為 CH相有機燃料:

助燃空氣 5000Nm3/h

功率 5400kW

功率調節比 1∶5

燃料 2為天然氣:

助燃空氣 2400 Nm3/h

功率 2000kW

功率調節比 1∶10

在實際運行中,根據煙氣中的過剩氧的含量和燃燒是否充分,采用變頻控制助燃空氣量的大小,實際為 3500～4000Nm3/h。

3.1.3 蒸汽鍋爐

按照德國 AD和 TDA標準設計和制造,鍋爐設置在燃燒室后面,高溫煙氣經管外,水和蒸汽經管內。

煙氣流量:6000Nm3/h

煙氣入口溫度:1300K

煙氣出口溫度:670K

蒸汽量:6t/h

熱回收功率:4100kW

4 生產運行

4.1 流程簡述

來自乙烯基乙炔工段的 CH相用氮氣壓入 CH相貯槽,并保壓 0.2～0.4MPa。天然氣經兩級減壓至 0.07～0.09MPa,流量為 40～160m3/h,并通入適量助燃空氣,在燃燒機內燃燒。當爐膛溫度為450℃時,投入 CH相,在壓力為 0.1～0.13 MPa的壓縮空氣霧化下燃燒,并保持爐膛為 -100Pa的微負壓。當高溫煙氣經過鍋爐爐膛,加熱水冷壁及下下鍋筒,使鍋爐內的水沸騰產生 0.8～1.0 MPa的蒸汽,經計量后并入蒸汽主管。水箱里的軟水經給水泵打入鍋爐,由水位控制器控制鍋爐正常液位。鍋爐每班定期排污 1～2次。

4.2 效果

4.2.1 安全

自 2010年投入運行,實踐證明裝置聯鎖控制程序考慮充分、合理和靈敏,在運行調試過程能及時起到保護作用,燃燒機能平穩、充分燃燒,完全能滿足安全生產的需要。但由于受氯丁橡膠限產的影響,CH相量只有 160kg/h,達不到設計要求,目前的蒸汽產量只有 3t/h左右。

4.2.2 環保

由于不含硫、氮、氯等物質,不會產生 SO2、NOX、HCl等酸性氣體,燃燒充分,煙氣色度合格,不會產生新的污染。還可以減少鍋爐用煤量而減少粉塵排放。

5 效益

5.1 總成本計算

生產裝置按 14年計算,建設期為 1年,總投資為 963.5萬元,裝置定員為 14人,工資及福利為 24000元 /年人。則每噸蒸汽消耗定額見表 1。

表1 CH相余熱鍋爐每噸蒸汽消耗表

各種動力費用:脫鹽水為 7.0元/t;電為 0.8元/kWh;天然氣為 1.2元/Nm3,每噸蒸汽動力消耗為 50.9元,則 CH相余熱鍋爐總成本費用見表2。

表2 CH相余熱鍋爐總成本費用 (萬元)

5.2 銷售收入計算

蒸汽產量為 3t/h,售價為 200元/t,則全年收入為:

200×3×7200=432萬元

每年能創造利潤近 200萬元。如氯丁橡膠滿負荷生產,創造利潤將達到 250萬元以上。

5.3 CH相熱能利用

由于受市場影響,氯丁橡膠產能只有 22kt/a,CH相鍋爐年副產蒸汽 21.6kt,使噸氯丁橡膠蒸汽消耗下降 1t,具有良好的節能效果。熱利用率達75%,熱能利用見表 3。

表3 CH相熱能利用

1 張松壽.工程燃燒學 [M].上海:上海交通大學出版社,1987:25.

2 GB/T 2589-90,綜合能耗計算通則 [S].

3 日本化學技術編著.化工機械設計和保養 [M].上海:上?？茖W技術文獻出版社,1985:91.

4 譚天恩.化工原理 (上冊) [M].北京:化學工業出版社,1990:333.

(修改回稿 2010-09-10)

＊陳 耘:高級工程師,副廠長。1993年畢業于鄭州工學院有機化工專業,2010年畢業于重慶大學化學工程專業獲碩士學位。已發表論文 4篇。聯系電話:(023)40262539,E-mail:cschenyun@163.com。