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带压氧化尾气能量综合利用研究点击：1762 日期：[ 2014-04-26 22:44:51 ] |
| .陆恩锡,张慧娟(华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室,广东广州 510640) 氧化尾气是环己酮装置的废气,目前国内外均直接排放到大气。该尾气的压力在1.2ＭＰａ左右,主要成分是Ｎ2、Ｏ2和极少量的环己烷等有机物。对于3万ｔ/ａ的装置,其流量约在6000ｍ3/ｈ左右。长期放空不仅造成能量的极大浪费,而且有机物排至大气也造成环境污染。寻求氧化尾气的能量综合利用方案,一方面回收能量,另一方面又避免对环境造成污染,无疑是十分重要的。膨胀机是回收带压气体或液体能量的一种机械设备,同时它也是获取低温的有效手段,在工业中有着广泛的应用[1—2]。膨胀机每产生100ｋＷ的功率,相当于移去了360ｋＪ/ｈ的热量。常温下,压力在1.0ＭＰａ左右的空气膨胀到常压可以达到-100℃以下的低温。经过长期的开发研究和工业应用,膨胀机已具有很高的可靠性,并已达到无需备用设备,实现自动操作的程度,效率已达到85%以上。 膨胀机的操作弹性较高,当采用可调喷嘴,且实际流量在设计流量的65%—110%的范围时,均能保持高效。在工业生产中,压力在0.3ＭＰａ以上的工业气体放空,其能量都可以通过膨胀机回收。除了放空气体外,凡有较大流量气体降压的过程,也存在使用膨胀机的可能性。如膨胀机大量应用于乙烯装置的脱甲烷系统,无论是美国的Ｌｕｍｍｕｓ公司、ＳｔｏｎｅＷｅｂｓｔｅｒ公司,还是德国的Ｌｉｎｄｅ公司,以及其他的乙烯专利技术供应商,都在脱甲烷塔的尾气系统中采用了膨胀机,在回收能量的同时产生低温,达到明显节能增效的目的。 1 氧化尾气能量综合利用研究 1.1 工艺技术路线选择 氧化尾气能量综合利用包括回收带压气体能量和回收尾气中少量有机物如环己烷等两方面。某3万ｔ/ａ环己酮装置,其氧化尾气的放空量为6140ｍ3/ｈ左右,1.2ＭＰａ压力的氧化尾气所具有的能量相当大。如果这一流量的空气从常压压缩到1.2ＭＰａ,则所需的功率约在900ｋＷ左右,因而能量回收的余地很大、效益显著。氧化尾气中还含有质量分数0.1%—0.3%的环己烷,长年放空到大气,不仅引起环境污染,也造成宝贵的资源浪费。其中环己烷若按质量分数0.2%考虑,则每年排放到大气中的环己烷就有370ｔ左右。仅此一项,若按目前市场价格折算,年经济损失达220多万元。由于环己烷在氧化尾气中的浓度很低,尾气流量又很大,回收相当困难。常规的活性炭或分子筛吸附法,所需吸附设备的容积相当庞大,同时吸附剂的再生,环己烷的脱吸、回收都比较困难,费用也较大,因而吸附法并不完全适用。采用膨胀机回收氧化尾气的能量及其中少量的有机物是氧化尾气能量综合利用的一个较好的方法。氧化尾气中含有少量的环己烷和水,尾气膨胀后会产生-100℃左右甚至更低的温度,而环已烷的冰点是6.5℃,水的冰点为0℃,由于膨胀后的低温,环己烷和水会直接凝华为固体,析出在膨胀机的壳壁和叶轮上,因而必须在氧化尾气进入膨胀机之前将其中的环己烷及水分除去。根据以上考虑,拟首先使膨胀后的尾气和新鲜氧化尾气进行换热,将新鲜氧化尾气预冷到低温,使其中的环己烷和水直接凝华在换热器的换热管上。除去环己烷和水的氧化尾气再进入膨胀机膨胀作功。因换热器管壁上凝结出固体颗粒,必须使用特殊结构的换热器。 华南理工大学开发出的苯酐凝华用热熔冷凝箱就是专门用于气体中少量有机物凝华的专用换热设备[3—4],在苯酐行业得到广泛的应用。它所采用的错齿圆翅片管,管外给热系数比圆翅片管提高50%,平均凝华量提高100%,其传热传质性能已接近国外同类产品的最好水平。氧化尾气的能量综合利用是考虑采用膨胀机膨胀作功,膨胀后的低温气体冷却新鲜氧化尾气,使尾气中环己烷和水在特殊结构的换热器中直接凝华的技术路线。 1.2 氧化尾气能量综合利用 工艺流程简述应用流程模拟和过程优化技术开发了如图1所示的氧化尾气能量综合利用工艺流程。该流程采用二级膨胀机膨胀,新鲜带压氧化尾气进入尾气换热器Ｅ 1的壳侧,和一次膨胀机Ｋ 1的出口低温气体进行换热,新鲜尾气被冷到-73℃左右,其中所含的绝大部分环己烷和水分直接凝华在换热管的表面。该尾气经一次膨胀机后,出口气体温度降到-105℃。经换热器Ｅ 1换热后,温度升至-13℃,再进入二次膨胀机Ｋ 2,膨胀后的气体温度达-60℃;为充分利用二级膨胀后的气体低温,再经换热器Ｅ 2与20℃的盐水进行换热,盐水被冷到5℃左右,而尾气的温度变为10℃,可以直接放至大气。 膨胀机的效率若取78%,则膨胀机Ｋ 1和Ｋ 2可回收功率总计为165ｋＷ,该功率可用于带动发电机、空气增压机等传动设备。尾气换热器Ｅ 1的壳层,当环己烷和水的结晶达到一定程度时,需切换使用。切换下来的换热器可采用低压蒸汽通入管程加热,使凝华在管壁上的环己烷和水溶化,并收集在贮槽中。清除固体凝华物之后的换热器,还需用压缩空气吹除其中的残留水分,以便再次使用。开车和备用换热器切入初期,由于系统处于常温状态,需利用干燥压缩空气作为膨胀介质,以便建立低温。当温度一达到规定值,即停掉压缩空气,切入氧化尾气,转入正常操作。 1.3 主要工艺参数 氧化尾气的压力为1.2ＭＰａ,温度15℃,流量6140ｍ3/ｈ(7759.2ｋｇ/ｈ),质量分数组成为Ｏ23%,Ｎ296%,ＣＯ20.3%,ＣＯ0.5%,环己烷0.2%。如何在回收能量的同时尽可能多地回收环己烷,关键是控制氧化尾气经换热器Ｅ 1换热后的出口温度。表1给出了该出口温度和出口气相量与凝华量的关系。氧化尾气的质量流量为7759.2ｋｇ/ｈ,其中环己烷流量为46.11ｋｇ/ｈ,氧化尾气中还有ＣＯ2(60.28ｋｇ/ｈ)、Ｎ2、Ｏ2等成分。可以看到,环己烷凝华的温度集中在-20—-77℃。在此区间内绝大部分环己烷均凝华下来,变成固体凝结在换热管表面。从表1还可看出,在-88.66℃时,凝华量为46.5ｋｇ/ｈ,这是由于随温度进一步的降低,氧化尾气中的ＣＯ2等组分也随之凝华下来,使得凝华量超过了氧化尾气中的环己烷总量。欲将大部分环己烷回收,温度控制在-54—-77℃是较适宜的。据以上考虑,通过流程模拟和优化,确定该工艺流程的主要工艺参数如表2所示。 1.4 主要工艺设备及价格 氧化尾气能量综合利用工艺流程的主要设备及价格如表3所示。 2 投资估算及经济效益分析 2.1 投资估算 该流程主要设备投资费用如表3所列为146.5万元。考虑仪表、阀门、管线、施工安装及不可预见等费用,粗估工程总费用为246万元。 2.2 经济效益分析 氧化尾气能量综合利用的年经济效益分析如表4所示。总计年经济效益达306万元,工程总投资不足一年即可回收。除此之外,由于回收了氧化尾气中的环己烷等有机物,避免了环境污染,其社会效益也是不可忽视的。 3 结论 氧化尾气能量综合利用方案具有以下特点:(1)采用两级膨胀过程回收带压尾气的压力能,每小时回收能量165ｋＷ。(2)一级和二级膨胀可分别达到-105℃和-60℃的低温。一级膨胀的冷量用于使新鲜氧化尾气预冷,回收其中的环己烷;二级膨胀的冷量可根据装置的具体情况,寻求合适的冷阱。(3)尾气中环己烷的回收,使有机物不致排放到大气中,减少了环境污染。(4)氧化尾气能量综合利用年经济效益306万元,工程总投资246万元,简单投资回收期不足一年。 |
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