吴习

(新疆中泰化学(集团)股份有限公司，新疆 乌鲁木齐 830009)



【节能与降耗】

制氮机富氧尾气的回收利用

吴习*

(新疆中泰化学(集团)股份有限公司，新疆 乌鲁木齐 830009)

制氮机；富氧尾气；固体烧碱；燃气炉

介绍了制氮机富氧尾气的回收措施，分析了将该富氧尾气用于固碱生产装置中燃气炉的节能效果。

燃烧是燃料快速氧化并同时发出光和热的过程，富氧燃烧是指助燃用的氧化剂中的氧浓度高于空气中的氧浓度。富氧燃烧对所有燃料(包括气体、液体和固体)在绝大多数工业锅炉均适用。富氧燃烧技术能充分发挥优质燃料的性能，使燃料充分燃烧，提高燃烧效率，改善燃烧工况，稳定燃烧过程，为企业节能降耗[1]。

新疆中泰化学(集团)股份有限公司阜康能源有限公司(以下简称“阜康能源”)现有80万t/a聚氯乙烯树脂及60万t/a离子膜法烧碱装置，目前公用工程车间有8台PSA制氮机，烧碱车间有7台燃气炉用于固碱生产，因此考虑将制氮机富氧尾气回用于固碱装置的燃气炉。这样，在节约天然气消耗量的同时，减少了CO2的排放量，达到经济效益和社会效益的双盈。

1 制氮机富氧尾气的回收

1.1 PSA制氮机运行工况与回收气体的总氧量

PSA制氮机运行工况与回收气体的总氧量如表1所示。

表1 PSA制氮设备运行工况与回收气体的总氧量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可见：制氮量为1 500 m3/h的单台制氮机产生富氧解吸气为3 300 m3/h，8台制氮机产生解吸气总氧量为8 064 m3/h。

1.2 PSA制氮机富氧尾气回收原理

制氮机排放的尾气经过了过滤—压缩—净化—吸附—解吸—排放的过程，是洁净的、富含氧的，体积分数在26%～31%，正好适合燃烧设备的富氧燃烧应用。富氧尾气回收存在两个难题：①尾气排放的非线性，②浓差变化不稳定。根据这两个问题，阜康能源在改造中引进一套完整的尾气回收系统——变压吸附制氮的富氧解吸气回收装置，在不影响制氮机正常工作的前提下，使其稳定、安全、快速地回收富氧尾气。

针对富氧解吸气的非线性排放问题，增设一套调节系统，将其变为线性，能够稳定输送。另外，富氧解吸气浓差变化不稳定[前端氧体积分数高(在40%左右)，后端由于氮气反吹过程，氧体积分数降低]，因此，增设一套调节系统，控制氧体积分数在29%～31%。这样，确保了回收的富氧解吸气的稳定，从而有利于燃气炉的富氧燃烧。

1.3 氧气浓度与理论火焰温度关系

节能率取决于富氧空气中氧的含量和火焰温度，即在同一火焰温度下，富氧浓度越高，节能率越大。但是，随着富氧浓度的不断增大，节能率增大量越来越小。这说明存在一个最佳的富氧浓度范围，而最佳的富氧浓度范围与制氧成本、炉型、炉况及燃料等密切相关。

依据燃烧学原理和氧气的性质，随着氧气浓度的提高，氧气反应将加剧，在高温条件下能与许多物质发生剧烈的化学反应，结合燃气炉结构和燃料特性，合理调节富氧空气流量、浓度，准确地控制火焰温度，不会因富氧浓度配比不合理使锅炉产生剧烈燃烧、局部过热等燃烧劣化情况。根据专业测试，氧体积分数在30%～40%时，可以提高火焰温度50～80 ℃，提高炉膛温度20～50 ℃[2]。因此，增加氧浓度可以增加火焰温度，减少燃气用量。氧浓度变化对理论火焰温度的影响如图1所示。

图1 氧浓度变化对理论火焰温度的影响Fig.1 Effect of oxygen concentration change on theoretical flame temperature

1.4 PSA制氮机富氧尾气的回收工艺

PSA制氮机富氧尾气回收装置流程如图2所示。

图2 PSA制氮机富氧尾气回收工艺流程Fig.2 Process flow of recovering oxygen-enriched tail gas from PSA nitrogen generator

1.5 PSA制氮机富氧尾气回收装置的安全控制

富氧燃烧时，要对氧气、空气、燃料3个参数进行匹配。要达到三者合理匹配，完成燃料的充分燃烧，必须针对燃料充分燃烧时的助燃氧气的总量进行有效控制，在不改变原常规燃料控制系统的前提下，根据燃气炉燃烧特点，设计单独的富氧控制系统，形成含氧浓度完全受控的氧气、空气混合气体，将氧气、空气合并为一个可控函数进行控制，合理简化了富氧燃烧三介质的匹配。

因此，富氧尾气收集装置的安全控制系统采用独立自动控制，原制氮机流程只做极小改动(管路流程不变，只增加控制阀)，确保原制氮机控制不变(新增收集设备控制程序与原制氮机控制程序间无切换，无连锁)，确保不发生任何不安全因素。

1.6 PSA制氮机富氧尾气的回收

PSA制氮机常常是在压力环境下进行的，它通常是由加压吸附、减压吸附剂再生(解吸)组成的吸附-解吸系统。在等温情况下，利用加压吸附和减压解吸组合成吸附操作循环过程。吸附剂对吸附质的吸附量随着压力的升高而增大，随着压力的降低而减小，在减压(降至常压)过程中，放出被吸附的气体，使吸附剂再生。每个塔以1次/min的频率进行排放，本改造中采用专用风机收集排放的富氧尾气，使解吸过程更加迅速、彻底，完全不影响制氮机的正常运行。

2 富氧尾气用于固碱装置燃气炉的节能效果

2.1 通入燃气炉内富氧尾气的计算

通入燃气炉内富氧尾气的计算数据如表2所示。

表2 通入燃气炉内的富氧气体的氧浓度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可见：收集的富氧尾气中氧体积分数达23.1%。

2.2 节省天然气费用测算

(1)7台燃气炉消耗天然气6 562.5 m3/h，1年按8 000 h计算，7台燃气炉耗天然气约52 500 000 m3/a，炉膛鼓风氧气体积分数由21%上升到23.10%，炉膛温度可提高20～30 ℃，节约燃料达5%左右，节省天然气量：

52 500 000 m3/a×5% =2 625 000 m3/a。

天然气价格以1.4元/m3计，则节约天然气费用：

2 625 000 m3/a×1.4元/m3=3 675 000元/a。

2.3 富氧尾气回收设备运行费用

富氧尾气回收设备配电<60 kW，电费0.152元/(kW·h)，年运行8 000 h，实际电负荷以80%计，则运行费用：

60×8 000×0.8×0.152=58 368元/a。

2.4 富氧尾气用于固碱装置燃气炉的经济效益

富氧尾气仅用于固碱装置燃气炉一项，每年就节约费用：

3 675 000元-58 368元=3 616 632元。

3 富氧尾气回用后的减排效益

燃气炉通入富氧气体后，生成的碳氧化合物与原值相比有明显降低，CO2减排量如表3所示。

表3 通入富氧气体后CO2的减排量Table 3 Reduced CO2 emission after oxygen-enriched gas is used

①2 625 000×1.977÷1 000=5 789.63。

富氧尾气回收利用后，降低了能源消耗，减少了CO2的排放量，不但能给企业带来显著的经济效益，而且对于应对气候变化等环境问题具有更深远的意义。

4 结语

富氧燃烧作为一种新型的燃烧方式，已经越来越受到人们的重视，可为企业带来良好的经济效益和社会效益。

[1] 郑蕾.增氧燃烧的原理及其在热能工程中的应用[J].工业锅炉，2004(3):21-23.

[2] 苏俊林.富氧燃烧技术研究及发展[J].工业锅炉,2008(3):15-17.

[编辑：董红果]

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.

吴习(1978—)，女，现任新疆中泰化学(集团)股份有限公司阜康能源有限公司技术处副主任工程师。

2017-01-09

TQ083.4

B

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