劉鴻浩,李 凱，張世亮

(山東?；煞萦邢薰炯儔A廠，山東 濰坊 262736)

在氨堿法制堿工業(yè)中，石灰乳用于氨的回收和精鹽水除鎂。合格石灰乳的正常供應(yīng)，是達(dá)到穩(wěn)定生產(chǎn)、降低生產(chǎn)消耗的重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)。我廠(山東?；儔A廠)目前控制灰乳濃度(石灰乳中活性氧化鈣的含量)在150～170 tt，波動(dòng)極差控制在5 tt以下；但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，日波動(dòng)極差均值在9 tt以上，石灰乳濃度波動(dòng)較大，導(dǎo)致蒸餾工序難操作，廢液氨超標(biāo)。

為及時(shí)掌握石灰乳濃度變化，穩(wěn)定生產(chǎn)，減少波動(dòng)，我廠自2015年新上在線灰乳密度儀，但因灰乳含砂量較大，導(dǎo)致灰乳密度儀經(jīng)常性堵塞，無(wú)法正常使用。只能通過(guò)人工滴定的方法檢測(cè)石灰乳濃度，該方法受人工化驗(yàn)誤差，時(shí)效性影響，不能及時(shí)、準(zhǔn)確反饋石灰乳的瞬時(shí)濃度變化。

在石灰乳的制備過(guò)程中，由于氧化鈣與水發(fā)生消化放熱反應(yīng)，釋放大量的熱，會(huì)提高石灰乳的溫度。本文將通過(guò)對(duì)化灰工序的熱化學(xué)反應(yīng)的剖析，以灰乳溫度這一重要生產(chǎn)參數(shù)，作為穩(wěn)定石灰乳濃度的參考依據(jù)。

1 理論基礎(chǔ)

石灰窯煅燒后的石灰石分解成生石灰和二氧化碳，其中生石灰由皮帶送至灰倉(cāng)，通過(guò)灰倉(cāng)底部的加灰器送至化灰機(jī)內(nèi)。與由溫海水、除塵水、電石渣漿水組成的化灰水發(fā)生消化反應(yīng)，生產(chǎn)粗灰乳，再經(jīng)灰乳轉(zhuǎn)篩除去砂子后的灰乳流入灰乳罐內(nèi)，通過(guò)灰乳泵將灰乳分別送至重堿車(chē)間蒸氨和鹽水車(chē)間除鎂用。

1.1 熱化學(xué)反應(yīng)過(guò)程

生石灰的主要成分是CaO,遇水時(shí)易發(fā)生消化反應(yīng)，生產(chǎn)Ca(OH)2。同時(shí)生石灰中的少量MgO遇水反應(yīng)生產(chǎn)Mg(OH)2。在該消化反應(yīng)過(guò)程中，會(huì)釋放大量的熱量，通過(guò)熱量的傳遞使石灰乳的溫度升高，其化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

在該反應(yīng)過(guò)程中，釋放熱量的多少取決于石灰的質(zhì)量及化灰用水的質(zhì)量。優(yōu)質(zhì)的石灰在消化時(shí)很容易就能制取高濃度的活性氧化鈣，同時(shí)釋放的熱量也能提高石灰乳的溫度。但石灰乳的最終溫度則取決于釋放熱量的多少跟化灰用水溫度的高低。

1.2 熱化學(xué)反應(yīng)與灰乳溫度的理論計(jì)算

設(shè)定生產(chǎn)1 t純堿需活性氧化鈣含量為160 tt的石灰乳2.08 m3。

則：1 L石灰乳含CaO為160 tt×1/20×2=4 mol/L

2.08 m3石灰乳中含CaO為2.08×1 000×4=8 320 mol

根據(jù)氧化鈣的消化反應(yīng)方式可知：

生產(chǎn)1 L160 tt的石灰乳，所釋放熱量:

Q放=4×66.6 kJ/L=266.4 kJ

石灰乳比熱容Cp=3.43kJ/(kg·℃)，相對(duì)密度ρ=1 224 kg/m3

根據(jù)物理熱量計(jì)算公式，可求出該生產(chǎn)條件下，制取活性氧化鈣含量160 tt的石灰乳的溫度升高變化值：

ΔT=Q放/(Cp×ρ)=266.4×1 000/3.43×1 220=63.66 ℃。

化灰用水溫度基本維持在冬季40 ℃以上，夏季50 ℃以上。按照平均溫度控制50 ℃的控制水平，制取活性氧化鈣含量在160 tt的灰乳，其灰乳溫度應(yīng)在113.66 ℃。在實(shí)際生產(chǎn)中，考慮化灰機(jī)排氣筒、流槽、灰乳轉(zhuǎn)篩、管線等設(shè)備的熱損耗，實(shí)際灰乳溫度控制在92～104 ℃。另外，各生產(chǎn)企業(yè)的化灰機(jī)產(chǎn)能及轉(zhuǎn)速的大小，影響石灰的消化效率，導(dǎo)致部分生石灰消化不完全，使其進(jìn)入灰乳罐及泵送系統(tǒng)后進(jìn)行二次消化，此時(shí)也會(huì)釋放熱量升高灰乳溫度。根據(jù)灰乳溫度的波動(dòng)情況可以大體掌握灰乳濃度的高低，從而有利于化灰的穩(wěn)定操作。

2 消化反應(yīng)熱量平衡分析

把化灰生產(chǎn)系統(tǒng)看做成一個(gè)熱量交換系統(tǒng)，在這個(gè)能量交換系統(tǒng)內(nèi)，收入的熱量就是生石灰?guī)氲臒崃?、化灰水帶入的熱量以及消化反?yīng)釋放的熱量。支出的熱量包括送往蒸吸和鹽水的灰乳所帶走的熱量、化灰機(jī)拔氣筒排放的蒸汽熱量、灰乳罐拔氣筒排放的蒸汽熱量、管道及設(shè)備損失的熱量。另外，在生產(chǎn)過(guò)程中石灰乳返回系統(tǒng)屬熱量?jī)?nèi)部交換系統(tǒng)，可忽略。

2.1 主體設(shè)備型號(hào)及其產(chǎn)能

表1 主要試驗(yàn)設(shè)備列表

2.2 測(cè)試數(shù)據(jù)及計(jì)算

1)收入熱量計(jì)算公式：

Qr=Ms×Cs×ΔTs+ρw×Vw×Cw×ΔTw+Q1+Q2

(1)

式中:Qr——化灰系統(tǒng)收入總熱量,kJ/h；

Ms——生石灰輸入量,kg/h；

Cs——生石灰比熱容，kJ/(kg·℃)；

ΔTs——生石灰溫差，℃；

ρw——化合水相對(duì)密度，kg/m3；

Vw——化合水用量，m3/h；

Cw——化合水比熱容，kJ/(kg·℃)；

ΔTw——化合水溫差，℃；

Q1——CaO反應(yīng)放熱,kJ；

Q2——MgO反應(yīng)放熱(量少忽略為0),kJ。

室外環(huán)境基準(zhǔn)溫度：T0=20℃。

2)支出熱量計(jì)算公式：

Qz=ρz×Vz×Cz×ΔTr+ρy×Vy×Cy×ΔTr+Qs

(2)

式中:Qz——化灰系統(tǒng)支出總熱量,kJ/h;

ρz——灰乳相對(duì)密度，kg/m3;

Vz——蒸吸灰乳用量，m3/h;

Cz——灰乳比熱容，kJ/(kg·℃);

ΔTr——灰乳溫差，℃；

ρy——鹽水相對(duì)密度，kg/m3；

Vy——鹽水灰乳用量，m3/h；

Cy——鹽水比熱容，kJ/(kg·℃)；

Qs——蒸汽排空及其他熱量損失，kJ/h。

3)測(cè)試數(shù)據(jù)及分析：

表2 化灰系統(tǒng)收入熱量測(cè)算表

表3 化灰系統(tǒng)支出熱量測(cè)算表

根據(jù)理論公式(1)、(2)，結(jié)合生產(chǎn)數(shù)據(jù)，經(jīng)測(cè)算系統(tǒng)收入總熱量130 565.87 MJ/h。

系統(tǒng)總損失熱量Qs=15 020.72+10 004.68+625.29=25 650.69 MJ/h。

熱量損失率ηS=Qs/Qr=19.65%，熱量利用率ηL=80.35%。

3 石灰乳溫度檢測(cè)及分析

為便于分析石灰乳溫度的真實(shí)變化，對(duì)灰乳罐內(nèi)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。并針對(duì)同時(shí)間段的灰乳濃度變化進(jìn)行人工化驗(yàn)測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)如圖1所示。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，灰乳罐內(nèi)溫度的變化趨勢(shì)與灰乳濃度的變化趨勢(shì)基本一致。

圖1 石灰乳濃度與灰乳溫度變化趨勢(shì)圖

為此，根據(jù)化灰工序熱量平衡分析，生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)有19.65%的熱量損失，根據(jù)第1、2節(jié)的理論推算，灰乳濃度在160 tt時(shí)，溫度升高63.66 ℃，按照19.6%的熱量損失比例計(jì)算，實(shí)際上溫度變化為ΔT=63.66×(1-19.65%)=51.15 ℃，化灰系統(tǒng)用水初始溫度50 ℃，灰乳溫度則應(yīng)該在101.18 ℃。以此類(lèi)推，生產(chǎn)1 m3石灰乳，石灰乳濃度與增溫的變化如圖2所示。

19%損失率下的實(shí)際增溫，℃圖2 實(shí)際增溫與灰乳濃度趨勢(shì)圖

在化灰工序?qū)嶋H操作中，根據(jù)此表可獲知其石灰乳濃度變化趨勢(shì)。例如：石灰乳溫度表溫在102 ℃，化灰用水溫度50 ℃，溫差52 ℃，則石灰乳濃度在160～162 tt之間。另外，化灰用水溫度變化不大，石灰乳溫度變化大，則根據(jù)此表可獲知石灰乳的波動(dòng)范圍。以幫助化灰工序操作人員通過(guò)及時(shí)的調(diào)整加灰比值來(lái)調(diào)整石灰乳濃度。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)我廠化灰工序的熱量平衡分析，石灰乳罐內(nèi)溫度的變化能及時(shí)反饋出石灰乳濃度的變化。

研究發(fā)現(xiàn)，石灰乳溫度隨濃度的升高而升高。生產(chǎn)崗位人員可根據(jù)石灰乳溫度的高低變化，及時(shí)調(diào)整加灰比值，穩(wěn)定石灰乳濃度。