環己酮廢堿焚燒運行成本模擬方法及應用

陳立新，于世勤

(中國石化集團資產經營管理股份有限公司巴陵石化分公司環己酮事業部，湖南岳陽414014)

環己酮是尼龍6的主要上游原料，環己烷氧化制備環己酮工業過程產生大量的高濃度有機廢堿液是環己酮行業擴能的環保瓶頸。20世紀90年代末期，基于堿回收爐法的廢堿焚燒技術，具有處理成本低、化學耗氧量(COD)去除率高、處理符合國家環境排放標準等特點，逐步成為環己酮皂化廢堿處理主流技術，近年來已經在國內絕大部分新建或改擴建的環己酮項目中投入應用［1－4］。廢堿焚燒裝置輔助燃料來源復雜，種類多，所用燃料多為工業副產品或其深加工產品，其成分、低位熱值經常變化，影響到鍋爐穩定燃燒和運行成本;副產蒸汽價格經常調整也影響到焚燒裝置運行的經濟性。筆者開發了廢堿焚燒裝置運行成本的計算模擬方法，并將其應用于指導生產中合理調整運行參數。

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，霧化后進入堿回收鍋爐，于爐內懸浮干燥、空間燃燒(懸浮燃燒)。皂化液中的有機酸鈉鹽轉化成碳酸鈉，反應放出大量熱量。

燃料氣經燃氣噴槍噴入爐內燃燒。燃料油經燃油管線回路調節穩壓到0.3～0.7 MPa，再經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)。產生的碳酸鈉熔融物從廢堿焚燒鍋爐底部溜子口流出，經溜子槽進入到固堿回收單元，得到粗碳酸鈉副產品。煙氣引入80 m高的煙囪排空。爐內燃燒反應所放熱量，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生1.27MPa的蒸汽，除少量供本裝置自用外，其余并入界區外低壓蒸汽管網。

2 廢堿焚燒運行成本模型建立

2.1 運行模型初始條件

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(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

模擬計算中價格取值如下:干氣1 367元/t;渣油2 915元/t;副產蒸氣155元/t，鍋爐設計負荷50 t/h，焚燒廢堿產熔融堿0.077 5 t/t、產干堿灰 0.092 9 t/t。

2.3 計算流程

廢堿焚燒運行成本反平衡法模擬計算流程見圖1。

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

2.4 模擬計算實例

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

表1 模擬計算輸入值Tab.1 Simulation input data

表2 模擬計算結果Tab.2 Simulation result

3 廢堿焚燒運行成本模型計算分析及應用

3.1 運行成本模擬計算及分析

3.1.1 燃料比例

模擬計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。數據輸入如下:廢堿流量為12 915 kg/h，質量分數為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;煙氣氧質量分數為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，出現加速拐點，此后可變成本急速增加。因此在生產中，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，出現加速拐點，此后可變成本急速下降。因此，實際生產中，在全部使用干氣作輔助燃料，廢堿處理速度能夠滿足生產平衡要求時，應盡量提高干氣量，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;在尾氣氧質量分數增加到約6%后，出現加速拐點，此后可變成本加速增加。因此，實際生產中控制煙氣中氧質量分數在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

根據對廢堿焚燒裝置燃燒過程的模擬計算分析，確定了挖潛創效的方向，即建立投堿量與燃料類型高度關聯的運行模式，根據燃料情況合理安排投堿負荷:

(1)全渣油、高投堿運行模式。在干氣供應嚴重不足的情況下，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。應對堿槍、油槍能力及霧化性能不適應的問題進行技術改進。

(2)高干氣、少量油、低投堿運行模式。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平衡保證量的數值，可以在滿足生產平衡要求情況下達到最優的創效效果。

(3)全干氣、低投堿運行模式。在干氣充足的情況下，全部使用干氣作為輔助燃料，采用高負荷時段與低負荷時段組合的運行模式，在高負荷時段時使用干氣焚燒處理皂化廢堿;在低負荷時段時，廢堿預先儲存在裝置的廢堿儲槽中，同時使用干氣作燃料產生低壓蒸汽供應管網，以獲得最優的經濟效益。應對干氣槍火焰場分布以及火焰角度不適應的問題，進行技術改造。

3.3 實施效果

實施投堿量與燃料類型高度關聯技術后，在所推薦的3種生產運行模式下，廢堿焚燒處理可變成本均出現了明顯的下降。

2013年2月，在全渣油、高投堿運行模式下，干氣燃料少，采用全部渣油作輔助燃料，根據模型計算結果，確定節能降耗措施為大量增加投堿量，達到15 500 kg/h，遠高于2012年的平均投堿量。當月可變成本為－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到了40.39元/t，經濟運行效果非常明顯。

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

2013年7月，在全干氣、稍低投堿量結合全干氣、不投堿的運行模式下生產時，當月可變成本為－126.5元/t，對比2012年降低廢堿處理成本達到了147.32元/t。經濟運行效果十分顯著。

在上述運行模式下，2013年1～7月3種運行模式涵蓋了廢堿焚燒裝置所遇到的燃料供應變化情況，對指導裝置經濟運行意義十分重要。

4 結論

a.開發了廢堿焚燒經濟運行模型，研究了燃料的種類、配比、投堿量等參數與焚燒裝置運行成本的規律，計算分析結果與實際生產情況相符合。

b.確定了不同燃料情況下對應廢堿處理量的3種經濟運行模式:全渣油、高投堿運行模式;高干氣、少量油、稍低投堿量的運行模式;全干氣、稍低投堿量結合全干氣、不投堿的運行模式。

c.將模擬計算結果應用在生產方案優化中，可以降低裝置運行成本，優化運行效果明顯。

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

［2］ 王衛濤.300MW循環流化床鍋爐模擬量控制系統設計要點［J］.華中電力，2009，22(3):64 －66.

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

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