微球装置天然气消耗分析

田玉民 1 陈勇新 2

【摘要】微球装置在生产运行过程中，需要消耗天然气的工序有喷雾干燥、焙烧及气流干燥工序，通过对某新建微球装置近1年的天然气消耗数据统计，对各天然气消耗工序进行热量平衡分析，找出装置的天然气节能降耗措施，降低装置的能耗。

【关键词】天然气；热量平衡；节能

引言

能耗指标是衡量一套化工装置是否经济运行的一项重要指标，在微球装置的各种能耗组成中，天然气占了总能耗的75％左右。在保证装置正常生产的情况下，降低装置单位产品的天然气用量对装置的节能降耗具有重要意义。本文根据对微球装置喷雾干燥、焙烧、气流干燥的热量平衡分析，找到提高各天然气消耗工序热效率的方法，从而降低装置的整体能耗。

1、工艺流程简介

微球装置需要消耗天然气的工序有喷雾干燥、焙烧及气流干燥。其中装置采用喷雾干燥工序的部分尾气回用、焙烧工序的炉膛烟气回用至喷雾干燥工序、气流干燥工序的助燃空气预热等节能设计，使装置的能耗降低到了一个新的水平。各天然气消耗工序的工艺流程简图如下：

图1 喷雾干燥及焙烧工序流程简图

图2 气流干燥工序流程简图

2、工序热量平衡分析

在干燥过程中，热量平衡分为热量输入方和输出方。对于微球装置的喷雾干燥、焙烧、气流干燥工序来说，热量输入方有天然气的燃烧热、物料带入热，热量输出方为物料加热、水分蒸发、尾气带出热、化学不完全燃烧热及散热损失。具体的热量平衡关系可用下式表达：

(2-1)

式中： — 天然气燃烧热；

— 物料带入热；

— 物料加热吸热量；

— 水分蒸发吸热量；

— 尾气带出热量；

— 天然气燃烧不完全带出热量；

— 散热损失。

其中天然气燃烧热 = 天然气用量 × 单位天然气低位发热值，因此，天然气用量可用下式表达：

(2-2)

式中： — 天然气用量；

— 单位天然气低位发热值。

在满足装置工艺指标的条件下，式（2-2）中的 、 、 及 可以近似看为一个恒定值，因此，影响天然气用量有 、 及 三部分因素，在装置的生产运行过程中，需要想方设法减少物料的水分蒸发量、尾气带出热量及天然气的不完全燃烧情况。

2.1喷雾干燥

在喷雾干燥工序中，喷雾干燥加热炉采用立式炉结构，天然气是单火嘴燃烧，根据装置的标定结果，喷雾干燥工序的空气过剩系数在2.5～3.5之间，天然气的燃烧比较完全。欲在喷雾干燥工序节约天然气，主要从降低物料的水分蒸发量和尾气带出热量两方面着手。在降低物料的水分蒸发量方面，可以通过降低物料的湿含量来实现，在前一工序控制好物料的湿含量维持在一个较低的水平；根据前面介绍喷雾干燥工序的工艺流程可知，喷雾干燥工序采用了尾气回用技术，在降低尾气带出热量方面，可以通过增大尾气回用量来实现，此外在工艺条件允许的情况下，还可以通过适当降低尾气温度来降低尾气带出的热量，从而提高喷雾干燥工序的热效率。喷雾干燥工序的输入方与输出方的热量平衡表如下：

表1 喷雾干燥工序热量平衡表

入方			出方
项目	热量kJ/h	比例％	项目	热量kJ/h	比例％
天然气燃烧热	29242020	76.24	物料吸收热	397108	1.04
焙烧烟气带入热	7019586	18.30	水分蒸发吸热	24831878	64.74
物料带入热	2094814	5.46	尾气带出热	7320000	19.08
			不完全燃烧热	2377631	6.20
			散热损失	3429803	8.94
合计	38356420	100	合计	38356420	100

根据喷雾干燥工序的热量平衡表可知，在喷雾干燥工序中，尾气带出了约20％的热量，还可以通过加大尾气回用量来降低天然气消耗；同时天然气的不完全燃烧也带走了一部分热量，约6％左右，这部分不完全燃烧热主要是在焙烧工序产生的，并由烟气回用风机带到了喷雾干燥工序，可以通过改善焙烧工序的燃烧情况来降低这部分热量损失；水分蒸发占了热量消耗的很大一部分，约65％左右，因此，如何降低物料的湿含量，从而降低喷雾干燥工序的水分蒸发量对于喷雾干燥工序的节能降耗意义重大。

2.2焙烧

喷雾干燥后的物料进入焙烧炉进行高温焙烧，装置所采用的焙烧炉采用卧式旋转炉结构，其中的天然气采用多火嘴燃烧方式，对物料进行分段焙烧固化。由于焙烧炉炉膛燃烧后的烟气全部回用至喷雾干燥工序，为了降低回用烟气对喷雾干燥加热炉内压力的影响，在装置运行过程中，采用尽量减少焙烧炉烟气量的操作方式；同时，为防止烟气回用风机过热导致设备运行不稳定，在焙烧炉上方烟气出口处，增加了一路冷风来降低烟气温度，使烟气回用风机能够在一个较低的温度下运行。在装置正常生产的情况下，焙烧工序的物料进料量及物料湿含量维持在一个比较平稳的水平，根据式2-2中得出的结论，影响焙烧工序天然气用量的主要因素有焙烧炉炉筒尾气带出热量及焙烧炉燃烧情况，因此焙烧工序节约天然气的措施主要在两方面，一是调节好焙烧炉炉筒尾气的流量，是焙烧炉炉筒内处于微负压状态；二是调节好焙烧炉各火嘴的的空气/天然气比值，使焙烧炉各火嘴的天然气燃烧完全，减少烟气中CO的生成量，从而达到节能降耗的目的。焙烧工序热量平衡表如下：

表2焙烧工序热量平衡表

入方			出方
项目	热量kJ/h	比例％	项目	热量kJ/h	比例％
天然气燃烧热	16760670	96.47	物料吸收热	2456571	14.14
物料带入热	612761	3.53	水分蒸发吸热	1840976	10.60
			烟气带出热	3449636	19.86
			尾气带出热	459000	2.64
			不完全燃烧热	5945500	34.22
			散热损失	3221748	18.54
合计	17373431	100	合计	17373431	100

根据焙烧工序的热量平衡表可知，在焙烧工序中，尾气带出了约3％的热量，尾气带出的热量较少，对焙烧工序天然气用量的影响不大；在焙烧工序热量输出方的各项内容中，由于天然气燃烧不完全带走了较大一部分热量，占到了35％左右，如何调节焙烧炉各火嘴的燃烧情况，成为降低焙烧工序天然气用量的关键，经过车间调节，焙烧炉的天然气用量从最初的470Nm³/h降到了370Nm³/h左右，节能效果明显。

2.3气流干燥

在气流干燥工序中，气流干燥加热炉采用卧式炉结构，天然气是单火嘴燃烧，根据装置的标定结果，气流干燥工序的空气过剩系数在4.5～5.5之间，天然气的燃烧比较完全，由于气流干燥工序无尾气回用，在装置正常生产情况下，尾气流量维持在一个稳定的水平，同时，要满足产品的质量要求，尾气温度必须满足最底限要求，尾气带出热量可近似看为恒定值。根据本文前面得出的结论，气流干燥工序的节能措施主要通过降低物料湿含量来实现，通过控制前一工序物料的湿含量来降低气流干燥工序的天然气用量。气流干燥工序热量平衡表如下：

表3 气流干燥工序热量平衡表

入方			出方
项目	热量kJ/h	比例％	项目	热量kJ/h	比例％
天然气燃烧热	12124740	96.79	物料吸收热	315102	2.52
物料带入热	401625	3.21	水分蒸发吸热	7657640	61.13
			尾气带出热	2874680	22.95
			不完全燃烧热	228067	1.82
			散热损失	1450876	11.58
合计	12526365	100	合计	12526365	100

根据气流干燥工序的热量平衡表可知，在气流干燥工序中，尾气带出了约23％的热量，基本维持在一个稳定的水平上，天然气不完全燃烧热所占比重比较小；在气流干燥工序热量输出方的各项内容中，水分蒸发吸收热量所占比重较大，占到了60％左右，因此，降低气流干燥工序的天然气消耗主要通过控制前一工序输出物料的湿含量来实现。

3、结论及建议

（1）天然气作为装置能耗的主要组成部分，降低天然气消耗对于装置节能降耗效果明显，可以显著提高装置的运行成本。

（2）通过对装置不同天然气消耗工序进行热量平衡分析，可以判断出各热量输出方的比重，从而快速准确地找到降低天然气消耗的有效办法。

（3）根据对装置喷雾干燥工序、焙烧工序、气流干燥的热量平衡分析，找出了装置优化操作的措施，经过车间不断地优化操作，在装置正常生产的情况下，装置的天然气流量下降了120～150 Nm³/h，装置的节能降耗效果明显。

参考文献

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[2] 王秉铨等.工业炉设计手册[M].北京：机械工业出版社，2004.7.

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