郭新忠,曹戰(zhàn)龍

(東營華泰化工集團(tuán)有限公司，山東 東營 257091)

1 前言

節(jié)約能源作為一項(xiàng)基本國策一直受到國家層面的高度重視，1997年全國人民代表大會(huì)常務(wù)委員會(huì)專門立法通過了《中華人民共和國節(jié)約能源法》，之后又通過了3次修訂。并且2005年由國家發(fā)改委出臺(tái)了首部《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄》作為指導(dǎo)能源節(jié)約的綱領(lǐng)性文件，其后又經(jīng)過3次調(diào)整。以國家立法為基礎(chǔ)的節(jié)約能源政策逐步按規(guī)劃實(shí)施，也起到了很好的引領(lǐng)作用。在具體的工藝設(shè)備、管線如何布置缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，出現(xiàn)了相同的工藝，但能耗差別較大的現(xiàn)象。合理的工藝設(shè)備、管線布置可以充分利用流體在流動(dòng)過程中各種形式機(jī)械能之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，合理布局從而降低物料在輸送過程中的能耗。文章就東營華泰化工集團(tuán)有限公司(以下簡稱“公司”)生產(chǎn)中物料輸送的過程談一談合理的工藝設(shè)備、管線布局對(duì)節(jié)能的影響。

2 物料輸送過程中影響能耗的因素

在流體輸送過程中的基本參數(shù)有：位能、動(dòng)能、靜壓能、機(jī)械能等。參數(shù)之間的關(guān)系由伯努利方程修正式表示：

故可以通過改變物料在輸送過程中的位能、動(dòng)能等降低物料在輸送過程中的能耗。

3 氯堿生產(chǎn)中物料的輸送量

在氯堿生產(chǎn)中，精制鹽水、回鹽水、32%成品燒堿、31%成品鹽酸等物料需要通過泵向另一個(gè)罐輸送，并且輸送量較大。

(1)輸送的精鹽水及回鹽水量

在使用直流電電解食鹽水生產(chǎn)燒堿、氯氣等產(chǎn)品的氯堿生產(chǎn)工藝中，進(jìn)入電解槽的陽極液并不是全部參與了反應(yīng)，只是一部分氯化鈉進(jìn)行了分解，陽極液中的水分一部分隨著鈉離子透過離子交換膜遷移到陰極，一部分水在溫度升高的作用下，形成飽和蒸汽和生成的氯氣一起被稱為濕氯氣，大部分的鹽和水以淡鹽水的形式返回系統(tǒng)，經(jīng)脫氯處理后作為化鹽水返回化鹽系統(tǒng)中重新參與生產(chǎn)、反應(yīng)。此部分的量大約為入槽精制鹽水的0.7倍左右。

返回鹽水的量可以按硫酸根的含量進(jìn)行測算，是比較準(zhǔn)確的數(shù)值。入槽鹽水硫酸根含量為5 g/L[2]，出槽淡鹽水的硫酸根含量為7 g/L[3]。

則入槽鹽水量V入×5=V出×7

精鹽水在電解槽內(nèi)參與反應(yīng)后，大約有0.7倍的精制鹽水未參與到反應(yīng)的淡鹽水會(huì)返回系統(tǒng)。

生產(chǎn)1 t折百的燒堿，理論上需要1.462 5 t NaCl。

按精鹽水含NaCl量310 g/L[4]。則生產(chǎn)1 t折百的燒堿需要的精鹽水?dāng)?shù)量為：

1.462 5×1 000÷310=4.72(m3)

輸送的回鹽水量為：4.72×0.7=3.3(m3)

(2)輸送的產(chǎn)品的量

32%燒堿輸送量：32%的燒堿在40 ℃時(shí)的密度為1.336 2 kg/L[5]。則1 t折百燒堿折合為32%燒堿時(shí)體積為：1÷32%÷1.336 2=2.34 m3

31%鹽酸輸送量：

80 71

1X

X=1×71÷80=0.887 5 t

取陽極效率為98%則每生產(chǎn)1 t折百燒堿，能夠產(chǎn)生0.887 5×0.98=0.869 75 t氯氣。按95%的液化效率計(jì)算，則會(huì)有0.043 5 t氯氣用于生產(chǎn)鹽酸，取40 ℃時(shí)密度為1.17 kg/L[6]，生成的31%鹽酸量為：

0.043 5÷71×73÷31%÷1.17=0.123 m3

(3)總輸送量

4.72+3.3+2.34+0.123=10.48 m3，也就是說每生產(chǎn)1 t折百的燒堿就會(huì)有10.48 m3的物料需要使用離心泵進(jìn)行進(jìn)罐的輸送。公司的生產(chǎn)規(guī)模是75萬t燒堿(折百)/a，物料的輸送量非常大，所以如何降低動(dòng)力電耗輸送這部分物料，具有非?？捎^的經(jīng)濟(jì)效益。

4 目前公司工藝設(shè)備、管線安裝現(xiàn)狀

(1)公司目前設(shè)備、管線安裝、布置情況

公司在安裝時(shí)，電解的淡鹽水到化鹽池的路線走向示意圖如圖1。電解淡鹽水管線自電解到鹽水進(jìn)入化鹽池時(shí)，管道通過管廊跨過兩條馬路。淡鹽水自配水罐的頂部進(jìn)入，然后配水罐內(nèi)淡鹽水再經(jīng)化鹽泵加壓后進(jìn)入化鹽池用于溶解原料原鹽。

圖1 化鹽水管道原設(shè)計(jì)圖Fig.1 Original design drawing of pipeline of melt saline water

(2)目前布置存在的不足

此安排布局沒有很好地進(jìn)行綜合考慮。不利于動(dòng)力電耗的降低和設(shè)備的綜合利用。原設(shè)計(jì)有兩個(gè)方面的缺陷：一是由電解的淡鹽水到鹽水的配水罐沒有考慮伯努利方程理論利用利用虹吸現(xiàn)象降低動(dòng)力設(shè)施的動(dòng)力電耗；二是自鹽水的配水罐進(jìn)入化鹽池需要經(jīng)過一個(gè)管廊。使用泵的輸送才能達(dá)到最終目的，增加了運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)量。這樣的工藝布置有以上兩個(gè)問題有待商榷，沒有實(shí)現(xiàn)最大可能的降低動(dòng)力電耗的目的。

5 合理工藝布局對(duì)降低動(dòng)力電耗的可行性分析

(1)降低動(dòng)力電耗的解決措施

公司在利用伯努利方程充分討論了能耗的影響因素及局部實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了兩種改良的措施，主要從以下幾個(gè)方面著手，如：通過改變進(jìn)口位置，充分利用虹吸現(xiàn)象，降低泵的有效揚(yáng)程；通過改變管道流通直徑，改變物料流速，降低泵所必需提供的機(jī)械能；通過改變?cè)O(shè)備布局，達(dá)到減少動(dòng)力設(shè)備運(yùn)行數(shù)量，從而降低動(dòng)力電耗的目的。改造后的流程示意圖如圖2、圖3(注：以下公式、論述中均不考慮管道的摩擦阻力)。

圖2 改造后化鹽水管道布置圖Fig.2 Layout of transformed melt saline water pipeline

圖3 改造后化鹽水管道布置圖Fig.3 Layout of transformed melt saline water pipeline

(2)措施一。通過降低配水罐的進(jìn)口位置，由頂部進(jìn)入改為由底部進(jìn)入，可以通過虹吸現(xiàn)象有效的降低淡鹽水泵的有效揚(yáng)程，從而達(dá)到降低離心泵功率、降低動(dòng)力電耗的效果。

根據(jù)方程，研究一下物料自罐頂和罐底進(jìn)入時(shí)消耗的動(dòng)能的區(qū)別。如圖4、圖5。

圖4 物料自罐頂和罐底進(jìn)入時(shí)消耗的動(dòng)能分析示意圖Fig.4 Schematic diagram of kinetic energy analysis consumed when materials enter from tank top and tank bottom

物料自罐頂進(jìn)罐時(shí)，物料進(jìn)罐的壓力取截面1-1′處的壓力，記作p1。物料自罐底進(jìn)罐時(shí)，物料進(jìn)罐的壓力取截面2-2′處的壓力，記作p2。則有：

因：u1=u2，則有：p1-p2=ρg(z2-z1)<0

也就是說，物料自罐底進(jìn)入時(shí)，由于虹吸管的作用，1-1′截面出的壓力會(huì)出現(xiàn)真空的情況。

但物料自罐頂進(jìn)入時(shí)，由于物料需要流動(dòng)，p1始終大于零。設(shè)自物料自罐頂進(jìn)入時(shí)，2-2′壓力為p頂，自罐底進(jìn)入時(shí)，2-2′壓力為p底,根據(jù)前面的論證有p頂>p底。取在罐頂進(jìn)口處相同點(diǎn)比較泵所必需提供的機(jī)械能的差別。

圖5 泵與管道配位圖Fig.5 Layout of pump and pipeline

不考慮管道能量損耗，則泵所需提供的機(jī)械能為：

因u2=u1，高度h相同，泵入口壓力相同，則p2分別取p頂、p底時(shí)，會(huì)出現(xiàn)泵的機(jī)械能的差別。則物料從頂部進(jìn)入時(shí)，泵所提供的機(jī)械能w頂要大于物料自底部進(jìn)入時(shí)，泵所提供的機(jī)械能w底。即：w頂>w底。

結(jié)論。物料自罐底進(jìn)入時(shí)，由泵所提供的機(jī)械能要小于自罐頂進(jìn)入時(shí)所必需的機(jī)械能。

(3)措施二。 適當(dāng)改變進(jìn)罐管道直徑，改變物料流速，進(jìn)而降低泵所需提供的機(jī)械能(圖6)。

圖6 改變進(jìn)罐管道直徑示意圖Fig.6 Schematic diagram of changing the diameter of the inlet pipe of tank

因?yàn)槲锪显诠艿纼?nèi)連續(xù)性流動(dòng)，所以在截面1-1′和截面2-2′處，兩者的流體質(zhì)量相等。因?yàn)榻孛?-1′的直徑d1小于截面2-2′處的直徑d2，則有截面1-1′的流體流速μ1小于截面2-2′處的流速μ2。即：μ1<μ2。

(4)措施三。通過改動(dòng)設(shè)備的位置，減少動(dòng)力設(shè)備運(yùn)行數(shù)量，達(dá)到降低動(dòng)力電耗，節(jié)省能源的目的。

改變電解來的淡鹽水單純進(jìn)入配水罐的模式既可以進(jìn)配水罐也可以直接進(jìn)入化鹽池，這樣可以省去由配水罐輸送至化鹽池所必須的動(dòng)力設(shè)施——化鹽水泵，達(dá)到降低動(dòng)力電耗的目的。

將配水罐和化鹽池就近布置，這樣就可以省去了化鹽泵，當(dāng)生產(chǎn)條件發(fā)生改變或剛開車不正常時(shí)，電解來的淡鹽水進(jìn)配水罐，化鹽水通過配水罐再進(jìn)入化鹽池。正常生產(chǎn)后，電解來的淡鹽水直接進(jìn)化鹽池，配水罐基本可以空置不用，可以調(diào)節(jié)化鹽用水的平衡。比較適用于生產(chǎn)裝置的初期安裝。

配水罐和化鹽池之間有馬路，必須通過管廊才能到達(dá)的。電解來的淡鹽水直接進(jìn)入化鹽池，配水罐仍是起調(diào)節(jié)作用，在剛開車和生產(chǎn)條件變化時(shí)，淡鹽水進(jìn)配水罐臨時(shí)緩沖。配水罐內(nèi)收集的水可通過化鹽水泵輸送至化鹽池，設(shè)置化鹽水泵的目的主要也是調(diào)節(jié)的作用，平時(shí)該設(shè)備不運(yùn)行。這種改造比較適宜于在原設(shè)備安裝完成后的改造項(xiàng)目。

6 節(jié)能效果分析

崔方水等[9]論述了利用虹吸現(xiàn)象降低循環(huán)水泵揚(yáng)程的可行性和產(chǎn)生的巨大效益。可以為上述措施一、措施二中關(guān)于設(shè)備布置位置、管線進(jìn)口位置、管徑改變等的改造提供理論支持，也間接說明了工藝布置的小改動(dòng)，可以創(chuàng)造較大的經(jīng)濟(jì)效益。

對(duì)于措施三而言，可以直接利用停運(yùn)的離心泵的功率、以及運(yùn)行時(shí)間測算改造后的節(jié)能效果。

7 結(jié)語

綜上所述，同樣的生產(chǎn)工藝，但在具體安裝過程中改變儲(chǔ)存設(shè)備的進(jìn)口方位便可起到降低動(dòng)力電耗的目的。由氯堿生產(chǎn)推廣到其他凡是涉及到物料輸送的單元操作中，均有相同的效果。所以說降低能源消耗，可以通過很多的途徑進(jìn)行不同程度的實(shí)現(xiàn)。通過更新更節(jié)能的新型節(jié)能設(shè)備，也可以通過淘汰落后的生產(chǎn)工藝使用更加節(jié)能環(huán)保的新工藝達(dá)到節(jié)省能源的目的，這些都是在大的層面進(jìn)行的宏觀控制。在具體實(shí)施層面，工藝設(shè)備的布置、工藝管線的鋪設(shè)同樣會(huì)對(duì)動(dòng)力設(shè)施的能耗起到非常重要的影響。總體工藝確定后，施工人員針對(duì)施工現(xiàn)場具體的情況，審定更節(jié)能的工藝布置并及時(shí)和設(shè)計(jì)院取得聯(lián)系、溝通也是非常重要的。