制氮尾氣在石灰窯中的應(yīng)用

安 永

（唐山三友化工股份有限公司，河北 唐山 063305）

制氮尾氣是工業(yè)制氮機(jī)提取氮?dú)夂蟮膹U氣。我集團(tuán)在氯堿生產(chǎn)和有機(jī)硅生產(chǎn)中的制氮系統(tǒng)會產(chǎn)生含有約30%的氧氣的制氮尾氣15 000Nm3／h。

純堿廠石灰工序自2009年開始采用外購純氧與空氣按一定比例混合后，用鼓風(fēng)機(jī)送入石灰窯內(nèi)，作為石灰窯助燃?xì)怏w。隨著集團(tuán)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的逐漸深入，用氯堿以及硅業(yè)公司制氮機(jī)尾氣替代外購純氧，使制氮機(jī)尾氣不再外排而應(yīng)用到石灰窯富氧助燃的生產(chǎn)，真正的變廢為寶。

1 石灰窯富氧助燃生產(chǎn)及節(jié)能原理

1.1 生產(chǎn)原理

石灰石借助燃料（焦炭或白煤）的燃燒熱在石灰窯內(nèi)得到充分的分解，制得符合下工序使用的生石灰以及二氧化碳。該反應(yīng)方程式如下：

燃燒需要大量的空氣，理論上每燃燒1kg純碳需2.67kg氧氣，相當(dāng)于9m3空氣（0℃，101.357 kPa）。如空氣供給量不足，使碳燃燒不完全而產(chǎn)生一氧化碳?xì)怏w。此時(shí)，需要多消耗燃料，因此在燃料燃燒時(shí)，為保證焦炭的完全燃燒，應(yīng)鼓入過量的空氣，通?？諝膺^量系數(shù)為1.05～1.2。改造前采用的是微富氧助燃技術(shù)，即用外購純氧與進(jìn)窯的空氣按一定比例混合均勻后，送入石灰窯內(nèi)進(jìn)行助燃。

1.2 節(jié)能原理

1.2.1 提高火焰溫度

因富氧空氣中氮?dú)夂繙p少，總空氣量及煙氣量均顯著減少，故火焰溫度隨著燃燒空氣中氧氣比例的增加而顯著提高。但富氧濃度不宜過高，一般富氧濃度在26%～33%時(shí)為最佳，因?yàn)楦谎鯘舛仍俑邥r(shí)，火焰溫度增加較少，而制氧投資等費(fèi)用猛增，綜合效益反而下降。

1.2.2 加快燃燒速度，促進(jìn)燃燒完全

燃料在空氣和純氧中的燃燒速度相差甚大，如氫氣在空氣中的燃燒速度最大為280cm／s，在純氧中為1 175cm／s，是在空氣中的4.2倍，天然氣則高達(dá)10.7倍。富氧助燃，不僅能使火焰變短、燃燒強(qiáng)度提高、加快燃燒速度，從而獲得較好的熱傳導(dǎo)；而且由于溫度提高，促進(jìn)燃燒完全。

1.2.3 降低燃料的燃點(diǎn)溫度

燃料的燃點(diǎn)溫度不是一個(gè)常數(shù)，它與燃燒狀況、受熱速度、環(huán)境溫度等有關(guān)，如CO在空氣中燃點(diǎn)為609℃，在純氧中僅388℃，所以用富氧助燃能降低燃料燃點(diǎn)，提高火焰強(qiáng)度、增加釋放熱量等。

1.3 富氧助燃效果

1.3.1 提高窯氣CO2濃度

入窯助燃空氣氧濃度的提高會使燃料的燃燒更加趨于完全，配焦率低，相應(yīng)減少了供燃料燃燒的空氣量。石灰石分解反應(yīng)只有一種氣體產(chǎn)物CO2，因?yàn)榭諝饬康臏p少，CO2濃度相對提高。

另一方面，氧濃度提高，相應(yīng)地降低了助燃空氣組分中氮?dú)獾臐舛龋ㄒ驗(yàn)榭諝庵械难鹾繛?0.9%，氮?dú)夂空?9%，氮?dú)庠诟G內(nèi)不參與燃燒），焦炭與氧氣燃燒產(chǎn)生的CO2濃度相對提高。

我公司石灰窯使用富氧助燃后，經(jīng)計(jì)算得出：當(dāng)空氣中氧濃度提高1%，石灰石配焦率可降低4%，窯氣濃度可提高4%。

1.3.2 提高石灰窯的生產(chǎn)能力

入窯助燃空氣中氧濃度的提高，使燃料的燃燒更迅速、更完全，橫截面的氣流更加通暢，從而使石灰石的分解更加徹底，減少了分解時(shí)間，提高了石灰窯的生產(chǎn)能力。

2 制氮尾氣應(yīng)用的改造方案

富氧尾氣來源于集團(tuán)氯堿生產(chǎn)過程中制氮系統(tǒng)的乏氣和有機(jī)硅生產(chǎn)中制氮系統(tǒng)尾氣。氯堿生產(chǎn)中制氮系統(tǒng)共有8臺機(jī)組，生產(chǎn)采用變壓吸附，產(chǎn)生的富氧乏氣量約11 000Nm3／h，氧含量為30.1%；有機(jī)硅生產(chǎn)中制氮系統(tǒng)共有2臺機(jī)組，生產(chǎn)氮?dú)夥椒ú捎脡嚎s冷凍，產(chǎn)生的富氧乏氣量約4 000Nm3／h，氧含量為30.1%。

由于生產(chǎn)方法不同，對兩個(gè)單元收集富氧尾氣的方案也不同，經(jīng)收集后輸送到石灰窯工序，通過緩沖系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)按一定比例送到生產(chǎn)中。具體方案如下：

2.1 有機(jī)硅生產(chǎn)尾氣收集

分成兩路，一路為高溫氣體，經(jīng)過散熱器對其冷卻后，進(jìn)入除水器，除水器同時(shí)起到緩沖罐的作用，然后經(jīng)風(fēng)機(jī)送至氯堿公司集氣罐。另一路為常溫氣體，經(jīng)儲氣罐后直接用風(fēng)機(jī)送至氯堿公司集氣罐。通過控制輸送管道內(nèi)壓力的變化，調(diào)整風(fēng)機(jī)輸送量，達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定，同時(shí)系統(tǒng)也設(shè)有自動放空裝置，以確保原系統(tǒng)的生產(chǎn)穩(wěn)定。

2.2 氯堿生產(chǎn)尾氣收集

首先在不影響制氮系統(tǒng)操作的前提下，各個(gè)尾氣單元分成兩路，一路低壓部分經(jīng)回收風(fēng)機(jī)進(jìn)入單元尾氣回收罐，經(jīng)壓力平衡后到收集集氣罐；然后通過羅茨風(fēng)機(jī)送到氣體總緩沖罐。單臺制氮機(jī)均設(shè)有自動放空閥，以保證制氮機(jī)的正常運(yùn)行。另一路（高壓部分）直接進(jìn)入總緩沖罐。

2.3 石灰工序配送方案

氯堿公司將硅業(yè)公司收集的尾氣和單元尾氣回收罐中的尾氣由羅茨風(fēng)機(jī)送到總緩沖罐，壓力穩(wěn)定后，直接由管道送至純堿公司石灰工序。石灰工序由總管道分成10條支路管道，分別進(jìn)入各鼓風(fēng)機(jī)入口，然后由鼓風(fēng)機(jī)送入窯內(nèi)。在各分支路管道上安裝了氣動調(diào)節(jié)閥和流量計(jì)，在富氧空氣總管線和部分鼓風(fēng)機(jī)出口管線上安裝氧氣濃度在線檢測儀，DCS系統(tǒng)根據(jù)各窯進(jìn)窯空氣流量所占總風(fēng)量的百分?jǐn)?shù)以及總富氧空氣量，計(jì)算出各支路富氧空氣流量，作為調(diào)節(jié)閥給定值，與其支路實(shí)測富氧空氣流量進(jìn)行比較，自動調(diào)節(jié)閥的開度，保證所供富氧空氣全部利用?？偣茉O(shè)有排空裝置，可手動放空。

3 結(jié) 語

改造后經(jīng)過幾個(gè)月的使用，制氮尾氣中的氧濃度穩(wěn)定在30%左右，每小時(shí)可節(jié)約2 500Nm3／h左右的純氧用量（折合液氧3.5t），總氣量也能滿足10座石灰窯的使用。同時(shí)進(jìn)入各窯的混合后氣體氧氣濃度均達(dá)到以前使用液氧混合空氣后的氧氣濃度，在助燃后根據(jù)氧濃度的不同配焦率也隨之降低，氧濃度每提高1%，噸石配比降低約2kg，窯氣濃度提高約為1%～2%，達(dá)到了高效節(jié)能降耗的目的。

［1］ 關(guān)宸祥.石灰窯［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1986

［2］ 中國純堿工業(yè)協(xié)會.純堿工學(xué)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1990

［3］ 趙俊學(xué)，李小明，崔雅茹.富氧技術(shù)在冶金和煤化工中的應(yīng)用［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2013