制氮機(jī)富氧尾氣的回收利用

吳習(xí)

(新疆中泰化學(xué)(集團(tuán))股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830009)

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【節(jié)能與降耗】

制氮機(jī)富氧尾氣的回收利用

吳習(xí)*

(新疆中泰化學(xué)(集團(tuán))股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830009)

制氮機(jī)；富氧尾氣；固體燒堿；燃?xì)鉅t

介紹了制氮機(jī)富氧尾氣的回收措施，分析了將該富氧尾氣用于固堿生產(chǎn)裝置中燃?xì)鉅t的節(jié)能效果。

燃燒是燃料快速氧化并同時(shí)發(fā)出光和熱的過(guò)程，富氧燃燒是指助燃用的氧化劑中的氧濃度高于空氣中的氧濃度。富氧燃燒對(duì)所有燃料(包括氣體、液體和固體)在絕大多數(shù)工業(yè)鍋爐均適用。富氧燃燒技術(shù)能充分發(fā)揮優(yōu)質(zhì)燃料的性能，使燃料充分燃燒，提高燃燒效率，改善燃燒工況，穩(wěn)定燃燒過(guò)程，為企業(yè)節(jié)能降耗[1]。

新疆中泰化學(xué)(集團(tuán))股份有限公司阜康能源有限公司(以下簡(jiǎn)稱“阜康能源”)現(xiàn)有80萬(wàn)t/a聚氯乙烯樹(shù)脂及60萬(wàn)t/a離子膜法燒堿裝置，目前公用工程車間有8臺(tái)PSA制氮機(jī)，燒堿車間有7臺(tái)燃?xì)鉅t用于固堿生產(chǎn)，因此考慮將制氮機(jī)富氧尾氣回用于固堿裝置的燃?xì)鉅t。這樣，在節(jié)約天然氣消耗量的同時(shí)，減少了CO2的排放量，達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的雙盈。

1 制氮機(jī)富氧尾氣的回收

1.1 PSA制氮機(jī)運(yùn)行工況與回收氣體的總氧量

PSA制氮機(jī)運(yùn)行工況與回收氣體的總氧量如表1所示。

表1 PSA制氮設(shè)備運(yùn)行工況與回收氣體的總氧量Table 1 Operational condition of PSA nitrogen-producing machine and total oxygen amount of recovered gas

①4 800-1 500=3 300;②3 300×30.55%=1 008;③3 300×8=26 400;④1 008×8=8 064。

由表1可見(jiàn)：制氮量為1 500 m3/h的單臺(tái)制氮機(jī)產(chǎn)生富氧解吸氣為3 300 m3/h，8臺(tái)制氮機(jī)產(chǎn)生解吸氣總氧量為8 064 m3/h。

1.2 PSA制氮機(jī)富氧尾氣回收原理

制氮機(jī)排放的尾氣經(jīng)過(guò)了過(guò)濾—壓縮—凈化—吸附—解吸—排放的過(guò)程，是潔凈的、富含氧的，體積分?jǐn)?shù)在26%～31%，正好適合燃燒設(shè)備的富氧燃燒應(yīng)用。富氧尾氣回收存在兩個(gè)難題：①尾氣排放的非線性，②濃差變化不穩(wěn)定。根據(jù)這兩個(gè)問(wèn)題，阜康能源在改造中引進(jìn)一套完整的尾氣回收系統(tǒng)——變壓吸附制氮的富氧解吸氣回收裝置，在不影響制氮機(jī)正常工作的前提下，使其穩(wěn)定、安全、快速地回收富氧尾氣。

針對(duì)富氧解吸氣的非線性排放問(wèn)題，增設(shè)一套調(diào)節(jié)系統(tǒng)，將其變?yōu)榫€性，能夠穩(wěn)定輸送。另外，富氧解吸氣濃差變化不穩(wěn)定[前端氧體積分?jǐn)?shù)高(在40%左右)，后端由于氮?dú)夥创颠^(guò)程，氧體積分?jǐn)?shù)降低]，因此，增設(shè)一套調(diào)節(jié)系統(tǒng)，控制氧體積分?jǐn)?shù)在29%～31%。這樣，確保了回收的富氧解吸氣的穩(wěn)定，從而有利于燃?xì)鉅t的富氧燃燒。

1.3 氧氣濃度與理論火焰溫度關(guān)系

節(jié)能率取決于富氧空氣中氧的含量和火焰溫度，即在同一火焰溫度下，富氧濃度越高，節(jié)能率越大。但是，隨著富氧濃度的不斷增大，節(jié)能率增大量越來(lái)越小。這說(shuō)明存在一個(gè)最佳的富氧濃度范圍，而最佳的富氧濃度范圍與制氧成本、爐型、爐況及燃料等密切相關(guān)。

依據(jù)燃燒學(xué)原理和氧氣的性質(zhì)，隨著氧氣濃度的提高，氧氣反應(yīng)將加劇，在高溫條件下能與許多物質(zhì)發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，結(jié)合燃?xì)鉅t結(jié)構(gòu)和燃料特性，合理調(diào)節(jié)富氧空氣流量、濃度，準(zhǔn)確地控制火焰溫度，不會(huì)因富氧濃度配比不合理使鍋爐產(chǎn)生劇烈燃燒、局部過(guò)熱等燃燒劣化情況。根據(jù)專業(yè)測(cè)試，氧體積分?jǐn)?shù)在30%～40%時(shí)，可以提高火焰溫度50～80 ℃，提高爐膛溫度20～50 ℃[2]。因此，增加氧濃度可以增加火焰溫度，減少燃?xì)庥昧?。氧濃度變化?duì)理論火焰溫度的影響如圖1所示。

圖1 氧濃度變化對(duì)理論火焰溫度的影響Fig.1 Effect of oxygen concentration change on theoretical flame temperature

1.4 PSA制氮機(jī)富氧尾氣的回收工藝

PSA制氮機(jī)富氧尾氣回收裝置流程如圖2所示。

圖2 PSA制氮機(jī)富氧尾氣回收工藝流程Fig.2 Process flow of recovering oxygen-enriched tail gas from PSA nitrogen generator

1.5 PSA制氮機(jī)富氧尾氣回收裝置的安全控制

富氧燃燒時(shí)，要對(duì)氧氣、空氣、燃料3個(gè)參數(shù)進(jìn)行匹配。要達(dá)到三者合理匹配，完成燃料的充分燃燒，必須針對(duì)燃料充分燃燒時(shí)的助燃氧氣的總量進(jìn)行有效控制，在不改變?cè)Ｒ?guī)燃料控制系統(tǒng)的前提下，根據(jù)燃?xì)鉅t燃燒特點(diǎn)，設(shè)計(jì)單獨(dú)的富氧控制系統(tǒng)，形成含氧濃度完全受控的氧氣、空氣混合氣體，將氧氣、空氣合并為一個(gè)可控函數(shù)進(jìn)行控制，合理簡(jiǎn)化了富氧燃燒三介質(zhì)的匹配。

因此，富氧尾氣收集裝置的安全控制系統(tǒng)采用獨(dú)立自動(dòng)控制，原制氮機(jī)流程只做極小改動(dòng)(管路流程不變，只增加控制閥)，確保原制氮機(jī)控制不變(新增收集設(shè)備控制程序與原制氮機(jī)控制程序間無(wú)切換，無(wú)連鎖)，確保不發(fā)生任何不安全因素。

1.6 PSA制氮機(jī)富氧尾氣的回收

PSA制氮機(jī)常常是在壓力環(huán)境下進(jìn)行的，它通常是由加壓吸附、減壓吸附劑再生(解吸)組成的吸附-解吸系統(tǒng)。在等溫情況下，利用加壓吸附和減壓解吸組合成吸附操作循環(huán)過(guò)程。吸附劑對(duì)吸附質(zhì)的吸附量隨著壓力的升高而增大，隨著壓力的降低而減小，在減壓(降至常壓)過(guò)程中，放出被吸附的氣體，使吸附劑再生。每個(gè)塔以1次/min的頻率進(jìn)行排放，本改造中采用專用風(fēng)機(jī)收集排放的富氧尾氣，使解吸過(guò)程更加迅速、徹底，完全不影響制氮機(jī)的正常運(yùn)行。

2 富氧尾氣用于固堿裝置燃?xì)鉅t的節(jié)能效果

2.1 通入燃?xì)鉅t內(nèi)富氧尾氣的計(jì)算

通入燃?xì)鉅t內(nèi)富氧尾氣的計(jì)算數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 通入燃?xì)鉅t內(nèi)的富氧氣體的氧濃度Table 2 Oxygen concentration in oxygen-enriched gas fed into gas furnace

①10 000×21%=2 100;②2 000×30.55%=611;③(2 100-611)÷21%+2 000=9 090;④[(9 090-2 000)×21%+611]÷9 090=23.10%。

由表2可見(jiàn)：收集的富氧尾氣中氧體積分?jǐn)?shù)達(dá)23.1%。

2.2 節(jié)省天然氣費(fèi)用測(cè)算

(1)7臺(tái)燃?xì)鉅t消耗天然氣6 562.5 m3/h，1年按8 000 h計(jì)算，7臺(tái)燃?xì)鉅t耗天然氣約52 500 000 m3/a，爐膛鼓風(fēng)氧氣體積分?jǐn)?shù)由21%上升到23.10%，爐膛溫度可提高20～30 ℃，節(jié)約燃料達(dá)5%左右，節(jié)省天然氣量：

52 500 000 m3/a×5% =2 625 000 m3/a。

天然氣價(jià)格以1.4元/m3計(jì)，則節(jié)約天然氣費(fèi)用：

2 625 000 m3/a×1.4元/m3=3 675 000元/a。

2.3 富氧尾氣回收設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用

富氧尾氣回收設(shè)備配電<60 kW，電費(fèi)0.152元/(kW·h)，年運(yùn)行8 000 h，實(shí)際電負(fù)荷以80%計(jì)，則運(yùn)行費(fèi)用：

60×8 000×0.8×0.152=58 368元/a。

2.4 富氧尾氣用于固堿裝置燃?xì)鉅t的經(jīng)濟(jì)效益

富氧尾氣僅用于固堿裝置燃?xì)鉅t一項(xiàng)，每年就節(jié)約費(fèi)用：

3 675 000元-58 368元=3 616 632元。

3 富氧尾氣回用后的減排效益

燃?xì)鉅t通入富氧氣體后，生成的碳氧化合物與原值相比有明顯降低，CO2減排量如表3所示。

表3 通入富氧氣體后CO2的減排量Table 3 Reduced CO2 emission after oxygen-enriched gas is used

①2 625 000×1.977÷1 000=5 789.63。

富氧尾氣回收利用后，降低了能源消耗，減少了CO2的排放量，不但能給企業(yè)帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益，而且對(duì)于應(yīng)對(duì)氣候變化等環(huán)境問(wèn)題具有更深遠(yuǎn)的意義。

4 結(jié)語(yǔ)

富氧燃燒作為一種新型的燃燒方式，已經(jīng)越來(lái)越受到人們的重視，可為企業(yè)帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[1] 鄭蕾.增氧燃燒的原理及其在熱能工程中的應(yīng)用[J].工業(yè)鍋爐，2004(3):21-23.

[2] 蘇俊林.富氧燃燒技術(shù)研究及發(fā)展[J].工業(yè)鍋爐,2008(3):15-17.

[編輯：董紅果]

Recycling of oxygen-enriched tail gas from nitrogen-making machine

WUXi

(Xinjiang Zhongtai Chemical (Group) Co., Ltd., Urumqi 830009, China)

nitrogen-making machine; oxygen-enriched tail gas; solid caustic soda; gas-fired furnace

The measures to recover oxygen-enriched tail gas from nitrogen generator were introduced. The energy-saving effect of recycling the oxygen-enriched tail gas to the gas-fired furnace for solid caustic soda production was analyzed.

吳習(xí)(1978—)，女，現(xiàn)任新疆中泰化學(xué)(集團(tuán))股份有限公司阜康能源有限公司技術(shù)處副主任工程師。

2017-01-09

TQ083.4

B

1008-133X(2017)05-0043-03