磷酸二銨裝置冷卻尾氣替代熱風爐助燃空氣的可行性研究

楊雄(云南云天化國際化工有限公司紅磷分公司　云南開遠　661600)

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磷酸二銨裝置冷卻尾氣替代熱風爐助燃空氣的可行性研究

楊雄
(云南云天化國際化工有限公司紅磷分公司云南開遠661600)

摘要在磷酸二銨生產(chǎn)中，冷卻尾氣的回收再利用不但可減少尾氣的排放量、減輕環(huán)境污染，而且可降低生產(chǎn)成本。結(jié)合實際生產(chǎn)工藝，對磷酸二銨冷卻尾氣與熱風爐燃燒熱量進行分析和計算，探討了利用磷酸二銨冷卻尾氣來替代常溫空氣作為熱風爐原煤燃燒的助燃氣體的可行性。

關(guān)鍵詞磷酸二銨冷卻尾氣余熱利用

Feasibility Study of Replacing Hot-Blast Stove Combustion-Supporting Air with Cooling Tail Gas of Diammonium Phosphate Plant

Yang Xiong
(Red Phosphorus Branch of Yunnan Yuntianhua International Chemical Co.，Ltd.Yunnan Kaiyuan 661600)

Abstract In production of diammonium phosphate (DAP)，the recycle of cooling tail gas can not only reduce discharge of tail gas，relieve environmental pollution，but also can lower the cost of production.Based on actual production process，analysis and calculation are carried out of the diammonium phosphate cooling tail gas and hot-blast stove combustion calories，and the feasibility is discussed of using diammonium phosphate cooling tail gas to replace normal temperature air as combustion-supporting gas of raw-coal combustion in hot-blast stove.

Keywords diammonium phosphate (DAP) cooling tail gas waste heat utilization

1　工藝現(xiàn)狀

云南云天化國際化工有限公司紅磷分公司(以下簡稱紅磷分公司)有多套磷酸二銨生產(chǎn)線，均采用預中和和管式反應器混合工藝生產(chǎn)磷酸二銨。磷酸與氨反應、造粒后得到的顆粒狀磷酸二銨經(jīng)熱風爐燃燒產(chǎn)生的熱煙氣干燥后，得到水分含量合格的產(chǎn)品。一般干燥后的物料溫度在80～90℃，經(jīng)篩分、破碎后得到粒度合格的產(chǎn)品。此后再經(jīng)自然空氣冷卻物料，以防止物料溫度過高而導致運輸、包裝過程中出現(xiàn)板結(jié)現(xiàn)象，以保證產(chǎn)品質(zhì)量。

經(jīng)實測，紅磷分公司270 kt/a磷酸二銨裝置物料冷卻后產(chǎn)生的尾氣量為29 100 m3/h(標態(tài))，溫度為64～69℃，含氧質(zhì)量分數(shù)為20％～21％，且為蒸汽所飽和。可見，該尾氣具有可觀的余熱，開發(fā)利用冷卻尾氣是磷酸二銨生產(chǎn)裝置節(jié)能的有效途徑之一。

在磷酸二銨生產(chǎn)中，需要通過燃燒原煤來獲取干燥熱源。熱風爐原煤充分燃燒的必要條件是有充足的氧氣，燃燒溫度達到1 000℃以上。目前，熱風爐一般通過鼓風機鼓入大量常溫(22℃)空氣來實現(xiàn)原煤的燃燒，這不僅增加了耗電量，而且由于常溫下空氣帶入熱量較少，要達到原煤充分燃燒的最佳溫度，增加了原煤的消耗量。所以，可考慮利用冷卻尾氣來替代常溫空氣。

2　熱量計算與分析

2.1熱風爐燃燒熱量核算與分析

2.1.1熱風爐燃燒熱量核算

正常生產(chǎn)情況下，270 kt/a磷酸二銨裝置每班組(以生產(chǎn)時間8 h計)平均消耗原煤量為3.63 t，爐膛溫度控制在900℃左右，產(chǎn)生的煙氣溫度為623℃。經(jīng)分析，原煤收到基低位發(fā)熱量為19 380 kJ/kg，原煤及產(chǎn)生的煙氣組分見表1。

表1　原煤以及產(chǎn)生的煙氣組分

由此，根據(jù)文獻［1］可計算熱風爐輸入熱量Q入。

(1)原煤燃燒產(chǎn)生的熱量Q原煤

式中: B——原煤消耗量，kg/h;

qr——原煤收到基低位發(fā)熱量，kJ/kg。

(2)助燃空氣帶入的熱量Q空

①干空氣帶入的熱量Q干空氣

式中: Cp——助燃空氣的定壓比熱容，可近似看作干空氣，22℃下Cp為1.005 kJ/ (kg·℃) ;

t——鼓風機環(huán)境溫度，℃;

M——助燃干空氣量，kg/h;

V0——理論干空氣量，m3/kg(標態(tài)) ;

a——過量空氣系數(shù);

1.293——標準狀態(tài)下干空氣的密度，kg/m3。

根據(jù)文獻［1］可知，V0= 0.088 9 (Cy+ 0.375Sy) +0.265Hy－0.033 3Oy，式中的Cy，Hy，Oy和Sy分別為原煤中碳、氫、氧和硫的質(zhì)量分數(shù)。一般原煤中氫和氧含量極低，所以在本計算中忽略不計，則V0=0.088 9×(37.41 +0.375× 0.40) = 3.34 m3/kg(標態(tài)，應用基燃料)。根據(jù)原煤產(chǎn)生的煙氣中O2，CO，CO2和SO2含量，計算得到過量空氣系數(shù)a =5.45。則:

②空氣帶入的水蒸氣中的熱量

計算中，通常取空氣的含濕量d為10 g/kg(干空氣，密度為1.293 kg/m3)，1 kg燃料燃燒所需空氣帶入的水蒸氣量M水蒸氣= d×M = (10/ 1 000)×10 679.68 =106.80(kg/h) ; 22℃下水蒸氣比熱為1.82 kJ/(kg·K)，則Q水蒸氣= 1.82× 106.80×22 =4 276.27(kJ/h)。

所以，助燃空氣帶入的熱量Q空= Q干空氣+ Q水蒸氣=240 403.99(kJ/h)。

因此，可以計算出熱風爐輸入熱量Q入= Q原煤+ Q空=9 034 098.99(kJ/h)。

2.1.2熱風爐核算結(jié)果分析

根據(jù)實測數(shù)據(jù)可計算得到正常生產(chǎn)中熱風爐燃燒溫度在900℃左右時，爐膛中所需輸入熱量為9 034 098.99 kJ/h，按熱風爐熱效率為85％計算，只有當有效熱量達到7 678 984.14 kJ/h才可以使磷酸二銨干燥過程中的物料水分質(zhì)量分數(shù)達到合格指標的要求。其中，原煤輸入熱量為8 793 695.00 kJ/h，原煤消耗量為453.75 kg/h，助燃空氣輸入熱量為240 403.99 kJ/h，需要干空氣量為10 679.68 kg/h，根據(jù)鼓風機額定功率耗電量為5 kW·h。

2.2冷卻尾氣核算與分析

2.2.1冷卻尾氣核算

經(jīng)實測，得到的冷卻窯冷卻物料后的尾氣流量為29 100 m3/h(標態(tài))。尾氣中各組分含量為氨109.79 mg/m3、粉塵106.21 mg/m3、φ(H2O) 2.40％、φ(O2) 20.50％;尾氣實測溫度為69℃。

(1)冷卻風機尾氣量

其中: M粉塵= V實測尾氣量×C粉塵含量= 29 100× 106.21/(1×106) =3.09(kg/h) ; M氨= V實測尾氣量× C氨含量=29 100×109.79/(1×106) =3.19(kg/h) ; φ(NH3) = M氨/(ρ氨·V實測尾氣量)×100％ = 3.19/ (0.55×29 100)×100％ = 0.02％;φ(粉塵) =M粉塵/(ρ粉塵·V實測尾氣量)×100％ = 3.09/(1.619× 29 100)×100％≈0.01％; M尾氣含水=φ(水)× V實測尾氣量×ρ水= 2.40％×29 100×0.58 = 405.07(kg/h) ; M干空氣=［1－φ(NH3)－φ(粉塵)－φ(H2O)］×V實測尾氣量×ρ干空氣= (1－0.02％－0.01％－2.40％)×29 100×0.93 =26 405.37(kg/h)。

則M冷卻風機尾氣量=26 816.72 kg/h。

(2)冷卻尾氣熱量

其中: Q干空氣= M干空氣×t尾氣溫度×C空氣= 26 405.37×69×1.009 =1 838 368.26(kJ/h) ;

Q粉塵= M粉塵×t尾氣溫度×C粉塵= 3.09×69× 1.42(取磷酸二銨比熱計算，以下粉塵計算同理) = 302.76(kJ/h) ;

則Q冷卻尾氣熱量=1 890 849.24 kJ/h。

2.2.2結(jié)果分析

根據(jù)實測數(shù)據(jù)計算得到，冷卻尾氣流量為29 100 m3/h(標態(tài))，帶走熱量1 890 849.24 kJ/h。該尾氣中含有一定量的氣氨，但含量極低，而通常氣氨在空氣中的體積分數(shù)為15％～28％時才會發(fā)生爆炸，故該尾氣作為熱風爐助燃空氣是安全可行的。

3　利用冷卻尾氣代替助燃空氣計算分析

根據(jù)以上計算數(shù)據(jù)可得，正常生產(chǎn)條件下，冷卻尾氣完全可滿足熱風爐燃燒所需的助燃條件。假設冷卻尾氣替代助燃空氣，且冷卻尾氣鼓入熱風爐氣量按正常情況下助燃空氣的氧氣量計算，熱風爐爐膛燃燒溫度不變，熱風爐所需輸入總熱量為9 034 098.99 kJ/h，可計算出需要消耗的原煤量。

正常生產(chǎn)情況下，以空氣為助燃氣體時，熱風爐燃燒所需要氧氣量為(10 679.68 + 106.80)× 21％ /1.05 = 2 157.30 m3/h(標態(tài)) ;則以冷卻尾氣為助燃氣體時，要滿足正常生產(chǎn)，熱風爐所需通入的冷卻尾氣量應該為2 157.30/20.5％ = 10 523.41(m3/h，標態(tài))。

由此可得，在相同條件下，冷卻尾氣所提供的熱量為683 786.32 kJ/h。所以，要使磷酸二銨裝置正常運行，需提供的熱量為9 034 098.99 kJ/h，需消耗的原煤量為(9 034 098.99－683 786.32) / qr=8 350 312.67/19 380 =430.87(kg/h)。

4　結(jié)語

(1)正常生產(chǎn)情況下，使用鼓風機鼓入助燃空氣，所耗電量為5 kW;按年生產(chǎn)時間300 d計，年耗電量為36 000 kW·h;所需消耗原煤量為453.75×24×300/1 000 =3 267.00(t)。

(2)當采用冷卻尾氣替代助燃空氣，所耗原煤量為430.87×24×300/1 000 =3 102.26(t)。

(3)根據(jù)以上計算，采用冷卻尾氣替代助燃空氣后，可停運鼓風機，可年節(jié)電36 000 kW·h，節(jié)省原煤3 267.00－3 102.26 =164.74(t)。

節(jié)能降耗是我國經(jīng)濟和社會發(fā)展的長遠戰(zhàn)略方針，也是企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的要求。目前，在市場經(jīng)濟的激烈競爭下，各企業(yè)不斷對工藝進行優(yōu)化改造，以提高能源利用率。在磷酸二銨生產(chǎn)中，冷卻尾氣的回收再利用，不但可減少尾氣的排放量、減輕環(huán)境污染并提高企業(yè)形象，而且節(jié)省了能源消耗，降低了生產(chǎn)成本。

參考文獻

［1］鍋爐教材編審小組.鍋爐原理［M］.云南:云南工業(yè)大學，1999.

(收稿日期2014-09-12)

中圖分類號:TQ442.14

文獻標識碼:A

文章編號:1006-7779(2016) 01-0013-03

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