化工企業(yè)節(jié)能減排潛力分析

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本文將以福建省某燒堿企業(yè)為例，在多年來對該行業(yè)企業(yè)推進(jìn)清潔生產(chǎn)研究的基礎(chǔ)上，通過在企業(yè)的清潔生產(chǎn)審核和能源審計中采用化工模擬方法［6］，分析和探討了氯乙烯(VC)實際生產(chǎn)工藝過程中可能存在的各種問題和清潔生產(chǎn)潛力，進(jìn)而提出切實可行的清潔生產(chǎn)方案，可為同類化工企業(yè)清潔生產(chǎn)審核和能源審計提供借鑒。

燒堿生產(chǎn)車間計算機(jī)模擬

1計算機(jī)模擬過程

燒堿生產(chǎn)工藝流程可采用過程穩(wěn)態(tài)模擬方法，“序貫法”(SequentialMethod)進(jìn)行求解。將生產(chǎn)流程中各個設(shè)備分別建立其數(shù)學(xué)模型，按其物料及能量流向建立流程模擬系統(tǒng)。序貫?zāi)M法的優(yōu)點是方法直觀，應(yīng)用靈活，適于模塊式處理方法，即序貫?zāi)K法，但對于復(fù)雜系統(tǒng)，尤其是對環(huán)路較多、藕合性強(qiáng)的系統(tǒng)，則難以收斂［7］。以福建某聚氯乙烯企業(yè)氯乙烯(VC)實際生產(chǎn)工藝過程的情況進(jìn)行模擬，其生產(chǎn)規(guī)模為精制聚氯乙烯90kt/a。氯乙烯生產(chǎn)過程的主要工藝參數(shù)見表1，模擬工藝流程見圖1。

2計算機(jī)模擬結(jié)果及分析

本次模擬以過程穩(wěn)態(tài)模擬為基礎(chǔ)，結(jié)合靈敏度分析、最優(yōu)化分析等工具手段進(jìn)行分析。根據(jù)給定的參數(shù)(表1)，通過計算機(jī)模擬計算得出的各出料物流數(shù)據(jù)見表2。從表2可以看出:在氯乙烯生產(chǎn)過程中，可能產(chǎn)生了大量的廢酸，經(jīng)過現(xiàn)場考察，該廢酸主要由三部分組成:氯化氫生產(chǎn)廢氣洗滌酸性廢水(含酸1.2%)、VC合成水洗廢水(含酸2.2%)以及其他可回收的高濃鹽酸。氯化氫生產(chǎn)廢氣洗滌酸性廢水和VC合成水洗廢水中的廢酸具有一定的回收價值，因此，認(rèn)為該部位具有一定的清潔生產(chǎn)潛力。

通過計算機(jī)模擬計算，可得出各設(shè)備中產(chǎn)生和交換的能量情況:氯化氫合成爐產(chǎn)生－16281.7MJ/h的熱能，石墨冷卻器移走－535.7MJ/h的熱能;石墨冷卻器移走－669.5MJ/h的熱量，石墨換熱器消耗1095.9MJ/h的熱量，氯乙烯轉(zhuǎn)化爐產(chǎn)生了－18335.9MJ/h的熱量;單體氣柜損失－213.7MJ/h的熱量，壓縮機(jī)消耗8102.5MJ/h的電能，低沸塔塔頂需要移走－26696.1MJ/h的熱量，塔底需要加入2099.8MJ/h的熱量，高沸塔塔頂需要移走－36863.2MJ/h的熱量，塔底需要加入35438.2MJ/h的熱量。聚氯乙烯合成與精制工序熱量的入方主要是:乙炔原料帶入顯熱、氯化氫顯熱、石墨換熱器加入的熱量、合成釋放的反應(yīng)熱以及低塔塔底蒸汽加熱量和高塔塔底蒸汽加熱量。出方主要分為以下7個部分:1)石墨冷卻器帶走的顯熱，約占總熱量的0.88%;2)低塔放空輕組分帶走的熱量(直接排入大氣，占總熱量的0.002%);3)高、低塔移走的熱量(用低溫水帶走該股熱量，進(jìn)入冷凍水工段，兩股熱流占總熱量的83.23%);4)壓縮機(jī)前的氣柜熱損失帶走的熱量(耗散排入環(huán)境中散失，占總熱量的0.28%);5)精制氯乙烯帶出熱量(進(jìn)入聚合工段，占總熱量的0.29%);6)鹽酸帶出熱量(作為產(chǎn)品帶走熱量，占總熱量的0.02%);7)其余熱損失，約占總熱量的15.31%，主要是管道和儲槽等保溫不密導(dǎo)致的散失;從理論上講，可以采用各種手段回收或降低上述7個方面的熱量，但是增加設(shè)備，改變工藝會帶來投資費用和操作費用的增加。因此，采取適當(dāng)?shù)墓?jié)能技術(shù)降低能耗，只有在回收或降低能耗所取得的經(jīng)濟(jì)效益大于因設(shè)備折舊及操作管理費用等提高引起的產(chǎn)品增加成本時才是合理和可取的。氯乙烯生產(chǎn)過程的熱量平衡見表3。數(shù)據(jù)經(jīng)整理后與企業(yè)實際指標(biāo)和計劃指標(biāo)進(jìn)行對比結(jié)果見表4。表4中數(shù)據(jù)顯示，能耗最高的是氯乙烯單體精制工段;產(chǎn)生熱能最多的是氯乙烯單體合成工段;合成壓縮機(jī)實際消耗的電能超過理論值的47%;氯乙烯單體精制工段實際消耗的蒸汽量超過理論值的0.1%。通過現(xiàn)場考察發(fā)現(xiàn)，本企業(yè)現(xiàn)有2臺3L-10/8型、5臺4L-20/8型活塞式壓縮機(jī)油耗約24t、水耗為15.5m3/h，效率僅60%～70%，因此，認(rèn)為該部位具有清潔生產(chǎn)潛力。

節(jié)能減排對策和清潔生產(chǎn)方案

借助工藝過程模擬、靈敏度分析、最優(yōu)化分析等工具的最終分析結(jié)論，該企業(yè)提出了合成壓縮機(jī)改造、VC合成水洗酸回收、氯化氫廢酸水回收3個清潔生產(chǎn)方案。

1合成壓縮機(jī)改造

將公司PVC分廠單體車間壓縮崗位現(xiàn)有2臺3L-10/8型、5臺4L-20/8型活塞式壓縮機(jī)全部跟換為螺桿式壓縮機(jī)。螺桿式壓縮機(jī)與活塞式壓縮機(jī)相比，具有運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壓縮效率高、維修量小、零配件數(shù)量少、節(jié)電省油、防漏油等優(yōu)點。經(jīng)過改造后，螺桿式壓縮機(jī)采用封閉的油路系統(tǒng)，克服了活塞式壓縮機(jī)冷卻水中經(jīng)常帶油的構(gòu)造缺陷，完全解決了冷卻水帶油的問題。該方案總投資180萬元，實施后油耗降低了99%，電耗降低了24.4%，同時提高壓縮能力，降低電耗與設(shè)備維護(hù)費用，取得87萬元/年的經(jīng)濟(jì)效益。

2VC合成水洗酸回收

聚氯乙烯合成車間廢酸水中酸含量約為2.2%，年排放量近2.3萬t，既造成浪費又污染環(huán)境。回收方案為:粗氯乙烯單體由新增加的膜式吸收器、水洗塔進(jìn)行循環(huán)吸收，稀酸在多次循環(huán)中逐漸增大到28%左右，成為合格的副產(chǎn)鹽酸外售。經(jīng)過多方考察，公司集多年的生產(chǎn)經(jīng)驗，在國內(nèi)某企業(yè)研制的水洗酸回收裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，研制出一套適合本公司工藝的水洗酸回收裝置。經(jīng)過改造后，水洗酸回收裝置具有結(jié)構(gòu)合理、阻力小、吸收效率高、可靠性強(qiáng)等特點。該方案總投資21萬元，實施后每年可回收鹽酸2.3萬t，取得41.91萬元的經(jīng)濟(jì)效益。

3氯化氫廢酸水回收

該公司鹽酸車間中鹽酸生產(chǎn)爐和氯化氫氣體生產(chǎn)爐在開車生產(chǎn)期間會排放含有微量氯化氫的尾氣，原工藝是通過水流噴射泵抽負(fù)壓吸收后成廢酸水直接排放，廢水中廢酸含量1.2%左右，排放量3.3萬t/年。該公司技術(shù)人員根據(jù)實際情況設(shè)計了一套廢酸水閉路循環(huán)回收工藝，用于治理氯化氫廢酸水。采用的工藝路線為:工藝HCl尾氣由水流泵噴射吸收產(chǎn)生的廢酸水，通過氣液分離后經(jīng)酸泵加壓一部分送回水流泵進(jìn)口循環(huán)使用，進(jìn)一步吸收尾氣中的HCl;另一部分含酸廢水經(jīng)分配臺分別送入各臺鹽酸膜式吸收器，取代自來水，與氯化氫直接接觸吸收生產(chǎn)食品鹽酸。為保證鹽酸質(zhì)量，水流泵進(jìn)口由工業(yè)水改為自來水。為確保鹽酸吸收器操作穩(wěn)定，增加一個8m3循環(huán)酸水貯槽。該方案總投資21萬元，實施后每年可以回收鹽酸廢水3.3萬t，取得41.91萬元的經(jīng)濟(jì)效益。

結(jié)論

借助計算機(jī)模擬等相關(guān)的計算方法，對該企業(yè)的氯乙烯生產(chǎn)過程進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)氯化氫合成、氯乙烯合成生產(chǎn)過程產(chǎn)生了大量的廢酸，合成壓縮機(jī)能耗過高，實際消耗的電能超過理論值的47%等問題，具有實施清潔生產(chǎn)方案、節(jié)能降耗的較大潛力。最后根據(jù)模擬結(jié)果，提出和實施了合成壓縮機(jī)改造、VC合成水洗酸回收、氯化氫廢酸水回收3個清潔生產(chǎn)方案，達(dá)到了預(yù)期的節(jié)能減排要求。本文所論述的方法是一種全新的清潔生產(chǎn)潛力定量分析工具，可為該行業(yè)企業(yè)實施清潔生產(chǎn)和節(jié)能減排提供科學(xué)的思路和方法，同時，也適用于其他化工企業(yè)的清潔生產(chǎn)審核和節(jié)能審計等。（本文作者：趙揚(yáng)蔡、如鈺、鄭成輝 單位：福建省環(huán)境科學(xué)研究院）