CH相余热锅炉工艺设计与运行

陈 耘何天文 重庆长寿化工有限责任公司 重庆 401220

CH相余热锅炉工艺设计与运行

陈 耘＊何天文 重庆长寿化工有限责任公司 重庆 401220

介绍乙炔法生产氯丁橡胶过程中,副产物 CH相余热锅炉的燃烧实验、工艺设计和安全措施,投用后工业运行表明每小时产生 3t蒸汽,使吨氯丁橡胶蒸汽消耗下降 1t。

CH相 燃烧实验 余热锅炉

CH相是在乙炔法生产氯丁橡胶过程中,乙炔二聚反应气在混冷塔中冷凝产生的油相物质,主要成份为二乙烯基乙炔、乙炔多聚物以及少量吸收剂二甲苯等。由于只含碳氢元素,俗称为 CH相。长化公司氯丁橡胶生产设计能力 30kt/a,年产生的 CH相约 2.1kt,原采用开放式土灶进行简单焚烧处理,未充分利用其热能,加之每年的土灶维护费用,造成资源和能源极大浪费。本着 “减量化,再利用,资源化”原则,提出实施 CH相焚烧余热锅炉方案,回收利用燃烧的热能产生蒸汽。该项目得到国家节能奖励资金支持,同时被列为2008年重庆市节能关键技术攻关项目。

1 余热回收装置

1.1 燃烧机开放性燃烧实验

由于 CH相含有不饱和的双键和三键物质,极易与氧反应生成爆炸性极强的过氧化物,且爆炸范围宽。以前采用开放式燃烧,燃烧的稳定性和完全性还不是很重要,但采用相对密闭的锅炉燃烧,如果燃烧不稳定和不完全,就会在炉膛积聚爆炸性混合物,严重危及安全。经过考察比较,选用广州某公司引进的德国燃烧机及其控制系统。在 2008年 4月进行燃烧机开放性燃烧实验后,确定以天然气为长明火 (70Nm3/h),用压缩空气雾化 CH相,CH相焚烧时间大于 1s,焚烧温度为1300K等工艺条件。燃烧实验证明,该燃烧机燃烧稳定,无气阻现象,燃烧完全无炭黑产生,解决雾化及堵塞问题。燃烧的稳定、安全及燃烧处理量等完全达到预期效果,符合余热锅炉安全燃烧的工艺要求。

1.2 安全技术措施

虽然燃烧实验成功,可以配备锅炉,但必须考虑周密的安全防范措施和控制方案,确保万无一失。

(1)确保锅炉负压操作,即使意外熄火,流入炉膛已气化的 CH相燃料会迅速被引风吸走,要保证引风机能力,同时进行燃烧联锁控制,如引风机意外故障,必须联锁停机,自动关闭 CH相燃料的进料阀。

(2)安装可燃气体浓度在线监测仪,实时在线分析监测炉膛内可燃气体,一旦燃烧不完全就联锁停车。关闭 CH相燃料阀,即使在点火之前,也必须启动可燃气体浓度监测,否则点火程序不能启动。

(3)安装烟道气中氧含量在线监测仪,根据烟道气中剩余氧含量来判断 CH相燃料是否充分燃烧,如含氧量过高,影响热效率,含氧量过低,燃烧不充分,易发生二次燃烧的危险;当含氧量低于 2%时,设计联锁停车。

(4)在燃烧机上装有两个火焰监测探头:一个是天然气火焰监测:一个是 CH相火焰监测。启动点火程序后,先引燃天然气,接着是 CH相阀门打开,并被天然气长明火点燃,同时减小天然气量,使天然气火焰缩短并包住 CH相火焰。只要其中任何一个火焰探头监测不到火焰信号,控制程序会发出报警并联锁停车。

(5)安装冗余的 CH相燃料切断阀,当系统因联锁停车后,首先会切断 CH相来料阀,考虑到阀门质量缺陷而导致的内漏,设置三个串联的电磁切断阀,确保 CH相联锁停车后不会继续进料。

(6)为保证 CH相完全、稳定燃烧,CH相燃烧室采用特殊结构,确保 CH相在燃烧室的停留时间大于 1s,该设计使烟气在燃烧室的停留时间为5s,并在前端敷设耐火泥,使炉膛前端形成高温区,以确保 CH相充分燃烧。

(7)当锅炉低水位时报警,并与燃烧机联锁,迅速切断 CH相进料。

(8)设置天然气长明火,防止因 CH相带水造成熄火事故。

(9)燃烧机、炉膛设置氮气紧急吹扫系统和炉膛设置防爆门等安全附件。

2 工艺设计

2.1 基础数据

(1)CH相组成复杂,色谱分析有 10几种成分,实测其相对密度 d为 0.845,根据烃类燃油热物性经验计算式[1]:

可估算出 CH相总发热量 Q为 45562 kJ/kg,其热值与重油、柴油相当。故按综合能耗计算通则[2]取 CH相低位热值:

天然气低位热值取:

(2)CH相锅炉年生产时间为 7200h,副产物CH相年产量为 2100t,则燃烧 CH相量为:

根据燃烧工艺实验,辅助天然气燃烧量 BG为70 Nm3/h。

2.2 热负荷

CH相完全燃烧产生热量为:

天然气辅助燃烧产生的热量:

以上共计总热负荷为:

燃烧室热负荷上限为[3]:

故按热负荷计算燃烧室体积为:

2.3 助燃空气

CH相组成复杂,但主要以乙炔多聚物、二甲苯等 C8为主,设计以 C8H8进行模拟计算,天然气以 CH4为计算基础。

因 C8H8的分子量是 104,故每小时燃烧 CH相摩尔数:

则所需氧摩尔数:

在标况下每 kmol气体的体积是 22.4m3,故每小时燃烧天然气摩尔数为:

所需氧摩尔数为:

理论共需氧摩尔数:

考虑设计 10%富裕氧含量确保充分燃烧,则实际需氧量:

所需空气摩尔数:

选取流量为 5000 Nm3/h助燃风机。

2.4 产生烟气量和燃烧室规格

燃烧温度控制在 1100～1300K,产物均为气态。由式 (7)可知,每摩尔 CH相燃烧将产生 12摩尔烟气即产生废气为:

由式 (8)可知,每摩尔天然气燃烧产生 3摩尔烟气,则产生废气量为:

烟气中的过剩氧为:

氮气摩尔数:

总烟气流量为:

实际在操作条件下烟气体积流量为:

为保证充分燃烧,设计烟气在燃烧室内停留时间 Tr为 5s,则按停留时间计算燃烧室体积为:

燃烧室体积应同时考虑热负荷及燃烧效率的原则,故实际燃烧室体积取:

参考锅炉厂家意见,最终确定燃烧室尺寸为Φ2100×9800mm,实际体积为 35.5m3。

3 锅炉能力

由式 (5)知热负荷为 1.5×107kJ/h,由于未设计省煤器,热效率η较低,选取为 70%。

产生 1.1MPa蒸汽的热焓 H为 2785.5kJ/kg[4],故锅炉蒸发量为:

考虑以后扩产及必要的操作弹性,选取额定蒸发量为 6t/h。

3.1 主要设备及参数

根据工艺计算数据,考虑必要的操作弹性和安全裕量,结合燃烧机厂家和锅炉厂规格型号,确定设备参数。

3.1.1 燃烧室

最大排烟量:6000Nm3/h

燃烧温度:1100～1400K

停留时间:5s

燃烧室尺寸:Φ2100×9800mm

3.1.2 燃烧机

根据厂家提供的燃烧机的规格,结合工艺计算确定选取能同时处理油气的混合燃烧器,其参数如下:

燃料 1为 CH相有机燃料:

助燃空气 5000Nm3/h

功率 5400kW

功率调节比 1∶5

燃料 2为天然气:

助燃空气 2400 Nm3/h

功率 2000kW

功率调节比 1∶10

在实际运行中,根据烟气中的过剩氧的含量和燃烧是否充分,采用变频控制助燃空气量的大小,实际为 3500～4000Nm3/h。

3.1.3 蒸汽锅炉

按照德国 AD和 TDA标准设计和制造,锅炉设置在燃烧室后面,高温烟气经管外,水和蒸汽经管内。

烟气流量:6000Nm3/h

烟气入口温度:1300K

烟气出口温度:670K

蒸汽量:6t/h

热回收功率:4100kW

4 生产运行

4.1 流程简述

来自乙烯基乙炔工段的 CH相用氮气压入 CH相贮槽,并保压 0.2～0.4MPa。天然气经两级减压至 0.07～0.09MPa,流量为 40～160m3/h,并通入适量助燃空气,在燃烧机内燃烧。当炉膛温度为450℃时,投入 CH相,在压力为 0.1～0.13 MPa的压缩空气雾化下燃烧,并保持炉膛为 -100Pa的微负压。当高温烟气经过锅炉炉膛,加热水冷壁及下下锅筒,使锅炉内的水沸腾产生 0.8～1.0 MPa的蒸汽,经计量后并入蒸汽主管。水箱里的软水经给水泵打入锅炉,由水位控制器控制锅炉正常液位。锅炉每班定期排污 1～2次。

4.2 效果

4.2.1 安全

自 2010年投入运行,实践证明装置联锁控制程序考虑充分、合理和灵敏,在运行调试过程能及时起到保护作用,燃烧机能平稳、充分燃烧,完全能满足安全生产的需要。但由于受氯丁橡胶限产的影响,CH相量只有 160kg/h,达不到设计要求,目前的蒸汽产量只有 3t/h左右。

4.2.2 环保

由于不含硫、氮、氯等物质,不会产生 SO2、NOX、HCl等酸性气体,燃烧充分,烟气色度合格,不会产生新的污染。还可以减少锅炉用煤量而减少粉尘排放。

5 效益

5.1 总成本计算

生产装置按 14年计算,建设期为 1年,总投资为 963.5万元,装置定员为 14人,工资及福利为 24000元 /年人。则每吨蒸汽消耗定额见表 1。

表1 CH相余热锅炉每吨蒸汽消耗表

各种动力费用:脱盐水为 7.0元/t;电为 0.8元/kWh;天然气为 1.2元/Nm3,每吨蒸汽动力消耗为 50.9元,则 CH相余热锅炉总成本费用见表2。

表2 CH相余热锅炉总成本费用 (万元)

5.2 销售收入计算

蒸汽产量为 3t/h,售价为 200元/t,则全年收入为:

200×3×7200=432万元

每年能创造利润近 200万元。如氯丁橡胶满负荷生产,创造利润将达到 250万元以上。

5.3 CH相热能利用

由于受市场影响,氯丁橡胶产能只有 22kt/a,CH相锅炉年副产蒸汽 21.6kt,使吨氯丁橡胶蒸汽消耗下降 1t,具有良好的节能效果。热利用率达75%,热能利用见表 3。

表3 CH相热能利用

1 张松寿.工程燃烧学 [M].上海:上海交通大学出版社,1987:25.

2 GB/T 2589-90,综合能耗计算通则 [S].

3 日本化学技术编著.化工机械设计和保养 [M].上海:上海科学技术文献出版社,1985:91.

4 谭天恩.化工原理 (上册) [M].北京:化学工业出版社,1990:333.

(修改回稿 2010-09-10)

＊陈 耘:高级工程师,副厂长。1993年毕业于郑州工学院有机化工专业,2010年毕业于重庆大学化学工程专业获硕士学位。已发表论文 4篇。联系电话:(023)40262539,E-mail:cschenyun@163.com。