Feasibility Study of Replacing Hot-Blast Stove Combustion-Supporting Air with Cooling Tail Gas of Diammonium Phosphate Plant
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.
1
工艺现状
云南云天化国际化工有限公司红磷分公司(以下简称红磷分公司)有多套磷酸二铵生产线，均采用预中和和管式反应器混合工艺生产磷酸二铵。磷酸与氨反应、造粒后得到的颗粒状磷酸二铵经热风炉燃烧产生的热烟气干燥后，得到水分含量合格的产品。一般干燥后的物料温度在80~90 ℃，经筛分、破碎后得到粒度合格的产品。此后再经自然空气冷却物料，以防止物料温度过高而导致运输、包装过程中出现板结现象，以保证产品质量。
经实测，红磷分公司270 kt/a磷酸二铵装置物料冷却后产生的尾气量为29 100 m3/h(标态), 温度为64~69 ℃，含氧质量分数为20%~21%，且为蒸汽所饱和。可见，该尾气具有可观的余热，开发利用冷却尾气是磷酸二铵生产装置节能的有效途径之一。
在磷酸二铵生产中，需要通过燃烧原煤来获取干燥热源。热风炉原煤充分燃烧的必要条件是有充足的氧气，燃烧温度达到1 000 ℃以上。目前，热风炉一般通过鼓风机鼓入大量常温(22 ℃)空气来实现原煤的燃烧，这不仅增加了耗电量，而且由于常温下空气带入热量较少，要达到原煤充分燃烧的最佳温度，增加了原煤的消耗量。所以，可考虑利用冷却尾气来替代常温空气。
2
热量计算与分析
2.1
热风炉燃烧热量核算与分析
2.1.1
热风炉燃烧热量核算
正常生产情况下，270 kt/a磷酸二铵装置每班组(以生产时间8 h计)平均消耗原煤量为3.63 t，炉膛温度控制在900 ℃左右，产生的烟气温度为623 ℃。经分析，原煤收到基低位发热量为19 380 kJ/kg，原煤及产生的烟气组分见表 1。
表 1
|
原煤/% |
|
烟气/% |
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w(C) |
w(S) |
|
φ(O2) |
φ(CO) |
φ(CO2) |
φ(SO2) |
|
37.41 |
0.40 |
|
17.20 |
0.30 |
4.00 |
0.01 |
由此，根据文献[1]可计算热风炉输入热量Q入。
(1) 原煤燃烧产生的热量Q原煤
式中：B——原煤消耗量，kg/h；
qr——原煤收到基低位发热量，kJ/kg。
Q原煤 =(3.63×1 000/8)×19 380=8 793 695.00(kJ/kg)
(2) 助燃空气带入的热量Q空
① 干空气带入的热量Q干空气
式中：Cp——助燃空气的定压比热容，可近似看作干空气，22 ℃下Cp为1.005 kJ/(kg·℃)；
t——鼓风机环境温度，℃；
M——助燃干空气量，kg/h；
V0——理论干空气量，m3/kg(标态)；
a——过量空气系数；
1.293——标准状态下干空气的密度，kg/m3。
根据文献[1]可知，V0=0.088 9(Cy+0.375Sy)+0.265Hy-0.033 3Oy，式中的Cy，Hy，Oy和Sy分别为原煤中碳、氢、氧和硫的质量分数。一般原煤中氢和氧含量极低，所以在本计算中忽略不计，则V0=0.088 9×(37.41+0.375×0.40)=3.34 m3/kg(标态，应用基燃料)。根据原煤产生的烟气中O2，CO，CO2和SO2含量，计算得到过量空气系数a=5.45。则：
M=B·a·V0×1.293=(3.63×1 000/8)×5.45×3.34×1.293=10 679.68(kg/h)
Q干空气 =Cp·M·t=1.005×10 679.68×22=236 127.72(kJ/h)
② 空气带入的水蒸气中的热量
计算中，通常取空气的含湿量d为10 g/kg(干空气，密度为1.293 kg/m3)，1 kg燃料燃烧所需空气带入的水蒸气量M水蒸气=d×M=(10/1 000)×10 679.68=106.80(kg/h)；22 ℃下水蒸气比热为1.82 kJ/(kg·K), 则Q水蒸气=1.82×106.80×22=4 276.27(kJ/h)。
所以，助燃空气带入的热量Q空=Q干空气+Q水蒸气=240 403.99(kJ/h)。
因此，可以计算出热风炉输入热量Q入=Q原煤+Q空=9 034 098.99(kJ/h)。
2.1.2
热风炉核算结果分析
根据实测数据可计算得到正常生产中热风炉燃烧温度在900 ℃左右时，炉膛中所需输入热量为9 034 098.99 kJ/h，按热风炉热效率为85%计算，只有当有效热量达到7 678 984.14 kJ/h才可以使磷酸二铵干燥过程中的物料水分质量分数达到合格指标的要求。其中，原煤输入热量为8 793 695.00 kJ/h，原煤消耗量为453.75 kg/h，助燃空气输入热量为240 403.99 kJ/h，需要干空气量为10 679.68 kg/h，根据鼓风机额定功率耗电量为5 kW·h。
2.2
冷却尾气核算与分析
2.2.1
冷却尾气核算
经实测，得到的冷却窑冷却物料后的尾气流量为29 100 m3/h(标态)。尾气中各组分含量为氨109.79 mg/m3、粉尘106.21 mg/m3、φ(H2O)2.40%、φ(O2)20.50%；尾气实测温度为69 ℃。
(1) 冷却风机尾气量
其中：M粉尘=V实测尾气量×C粉尘含量=29 100× 106.21/(1×106)=3.09(kg/h)；M氨=V实测尾气量×C氨含量=29 100×109.79/(1×106)=3.19(kg/h)；φ(NH3)=M氨/(ρ氨·V实测尾气量)×100%= 3.19/(0.55×29 100)×100%=0.02%；φ(粉尘) = M粉尘/(ρ粉尘·V实测尾气量)×100%=3.09/(1.619×29 100)×100%≈0.01%；M尾气含水=φ(水)×V实测尾气量×ρ水=2.40%×29 100×0.58= 405.07(kg/h)；M干空气=[1-φ(NH3)-φ(粉尘)-φ(H2O)]×V实测尾气量×ρ干空气=(1-0.02%- 0.01%-2.40%)×29 100×0.93=26 405.37(kg/h)。
则M冷却风机尾气量=26 816.72 kg/h。
(2) 冷却尾气热量
其中：Q干空气=M干空气×t尾气温度×C空气=26 405.37×69×1.009=1 838 368.26(kJ/h)；
Q尾气含水 =M尾气含水×t尾气温度×C水蒸气
=405.07×69×1.85
=51 707.18(kJ/h)；
Q粉尘=M粉尘×t尾气温度×C粉尘=3.09×69×1.42 (取磷酸二铵比热计算, 以下粉尘计算同理)= 302.76(kJ/h)；
Q氨=M氨×t尾气温度×C氨=3.19×69×2.14=471.04(kJ/h)。
则Q冷却尾气热量=1 890 849.24 kJ/h。
2.2.2
结果分析
根据实测数据计算得到，冷却尾气流量为29 100 m3/h(标态)，带走热量1 890 849.24 kJ/h。该尾气中含有一定量的气氨，但含量极低，而通常气氨在空气中的体积分数为15%~28%时才会发生爆炸，故该尾气作为热风炉助燃空气是安全可行的。
3
利用冷却尾气代替助燃空气计算分析
根据以上计算数据可得，正常生产条件下，冷却尾气完全可满足热风炉燃烧所需的助燃条件。假设冷却尾气替代助燃空气，且冷却尾气鼓入热风炉气量按正常情况下助燃空气的氧气量计算，热风炉炉膛燃烧温度不变，热风炉所需输入总热量为9 034 098.99 kJ/h，可计算出需要消耗的原煤量。
正常生产情况下，以空气为助燃气体时，热风炉燃烧所需要氧气量为(10 679.68+106.80)× 21%/1.05=2 157.30 m3/h(标态)；则以冷却尾气为助燃气体时，要满足正常生产，热风炉所需通入的冷却尾气量应该为2 157.30/20.5%= 10 523.41(m3/h，标态)。
所以，Q热风炉通入冷却尾气热量=V热风炉通入冷却尾气量× Q实测冷却尾气热量/V实测尾气量=10 523.41×1 890 849.24/ 29 100=683 786.32(kJ/h)。
由此可得，在相同条件下，冷却尾气所提供的热量为683 786.32 kJ/h。所以，要使磷酸二铵装置正常运行，需提供的热量为9 034 098.99 kJ/h，需消耗的原煤量为(9 034 098.99-683 786.32)/qr=8 350 312.67/19 380=430.87(kg/h)。
4
结语
(1) 正常生产情况下，使用鼓风机鼓入助燃空气，所耗电量为5 kW；按年生产时间300 d计，年耗电量为36 000 kW·h；所需消耗原煤量为453.75×24×300/1 000=3 267.00(t)。
(2) 当采用冷却尾气替代助燃空气，所耗原煤量为430.87×24×300/1 000=3 102.26(t)。
(3) 根据以上计算，采用冷却尾气替代助燃空气后，可停运鼓风机，可年节电36 000 kW·h，节省原煤3 267.00-3 102.26=164.74(t)。
节能降耗是我国经济和社会发展的长远战略方针，也是企业可持续发展的要求。目前，在市场经济的激烈竞争下，各企业不断对工艺进行优化改造，以提高能源利用率。在磷酸二铵生产中，冷却尾气的回收再利用，不但可减少尾气的排放量、减轻环境污染并提高企业形象，而且节省了能源消耗，降低了生产成本。
沪公网安备 31010702007066号