氨堿法化灰工序熱量平衡分析

劉鴻浩,李 凱，張世亮

(山東海化股份有限公司純堿廠，山東 濰坊 262736)

在氨堿法制堿工業中，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，是達到穩定生產、降低生產消耗的重要生產環節。我廠(山東海化純堿廠)目前控制灰乳濃度(石灰乳中活性氧化鈣的含量)在150～170 tt，波動極差控制在5 tt以下；但在實際生產過程中，日波動極差均值在9 tt以上，石灰乳濃度波動較大，導致蒸餾工序難操作，廢液氨超標。

為及時掌握石灰乳濃度變化，穩定生產，減少波動，我廠自2015年新上在線灰乳密度儀，但因灰乳含砂量較大，導致灰乳密度儀經常性堵塞，無法正常使用。只能通過人工滴定的方法檢測石灰乳濃度，該方法受人工化驗誤差，時效性影響，不能及時、準確反饋石灰乳的瞬時濃度變化。

在石灰乳的制備過程中，由于氧化鈣與水發生消化放熱反應，釋放大量的熱，會提高石灰乳的溫度。本文將通過對化灰工序的熱化學反應的剖析，以灰乳溫度這一重要生產參數，作為穩定石灰乳濃度的參考依據。

1 理論基礎

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，通過灰倉底部的加灰器送至化灰機內。與由溫海水、除塵水、電石渣漿水組成的化灰水發生消化反應，生產粗灰乳，再經灰乳轉篩除去砂子后的灰乳流入灰乳罐內，通過灰乳泵將灰乳分別送至重堿車間蒸氨和鹽水車間除鎂用。

1.1 熱化學反應過程

生石灰的主要成分是CaO,遇水時易發生消化反應，生產Ca(OH)2。同時生石灰中的少量MgO遇水反應生產Mg(OH)2。在該消化反應過程中，會釋放大量的熱量，通過熱量的傳遞使石灰乳的溫度升高，其化學反應方程式如下：

在該反應過程中，釋放熱量的多少取決于石灰的質量及化灰用水的質量。優質的石灰在消化時很容易就能制取高濃度的活性氧化鈣，同時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 熱化學反應與灰乳溫度的理論計算

設定生產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

根據氧化鈣的消化反應方式可知：

生產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·℃)，相對密度ρ=1 224 kg/m3

根據物理熱量計算公式，可求出該生產條件下，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，其灰乳溫度應在113.66 ℃。在實際生產中，考慮化灰機排氣筒、流槽、灰乳轉篩、管線等設備的熱損耗，實際灰乳溫度控制在92～104 ℃。另外，各生產企業的化灰機產能及轉速的大小，影響石灰的消化效率，導致部分生石灰消化不完全，使其進入灰乳罐及泵送系統后進行二次消化，此時也會釋放熱量升高灰乳溫度。根據灰乳溫度的波動情況可以大體掌握灰乳濃度的高低，從而有利于化灰的穩定操作。

2 消化反應熱量平衡分析

把化灰生產系統看做成一個熱量交換系統，在這個能量交換系統內，收入的熱量就是生石灰帶入的熱量、化灰水帶入的熱量以及消化反應釋放的熱量。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、管道及設備損失的熱量。另外，在生產過程中石灰乳返回系統屬熱量內部交換系統，可忽略。

2.1 主體設備型號及其產能

表1 主要試驗設備列表

2.2 測試數據及計算

1)收入熱量計算公式：

Qr=Ms×Cs×ΔTs+ρw×Vw×Cw×ΔTw+Q1+Q2

(1)

式中:Qr——化灰系統收入總熱量,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反應放熱,kJ；

Q2——MgO反應放熱(量少忽略為0),kJ。

室外環境基準溫度：T0=20℃。

2)支出熱量計算公式：

Qz=ρz×Vz×Cz×ΔTr+ρy×Vy×Cy×ΔTr+Qs

(2)

式中:Qz——化灰系統支出總熱量,kJ/h;

ρz——灰乳相對密度，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)測試數據及分析：

表2 化灰系統收入熱量測算表

表3 化灰系統支出熱量測算表

根據理論公式(1)、(2)，結合生產數據，經測算系統收入總熱量130 565.87 MJ/h。

系統總損失熱量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 石灰乳溫度檢測及分析

為便于分析石灰乳溫度的真實變化，對灰乳罐內溫度進行實時測量。并針對同時間段的灰乳濃度變化進行人工化驗測量，測量數據如圖1所示。通過對比可以發現，灰乳罐內溫度的變化趨勢與灰乳濃度的變化趨勢基本一致。

圖1 石灰乳濃度與灰乳溫度變化趨勢圖

為此，根據化灰工序熱量平衡分析，生產過程中會有19.65%的熱量損失，根據第1、2節的理論推算，灰乳濃度在160 tt時，溫度升高63.66 ℃，按照19.6%的熱量損失比例計算，實際上溫度變化為ΔT=63.66×(1-19.65%)=51.15 ℃，化灰系統用水初始溫度50 ℃，灰乳溫度則應該在101.18 ℃。以此類推，生產1 m3石灰乳，石灰乳濃度與增溫的變化如圖2所示。

19%損失率下的實際增溫，℃圖2 實際增溫與灰乳濃度趨勢圖

在化灰工序實際操作中，根據此表可獲知其石灰乳濃度變化趨勢。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，則根據此表可獲知石灰乳的波動范圍。以幫助化灰工序操作人員通過及時的調整加灰比值來調整石灰乳濃度。

4 結 語

通過對我廠化灰工序的熱量平衡分析，石灰乳罐內溫度的變化能及時反饋出石灰乳濃度的變化。

研究發現，石灰乳溫度隨濃度的升高而升高。生產崗位人員可根據石灰乳溫度的高低變化，及時調整加灰比值，穩定石灰乳濃度。