基于计算机模拟的氯乙烯生产过程节能减排潜力分析.pdf

基于计算机模拟的氯乙烯生产过程节能减排潜力分析 * 赵扬蔡如钰郑成辉 福建省环境科学研究院， 福州 350013 摘要 采用过程稳态模拟方法， 通过计算机模拟、 灵敏度分析、 最优化分析手段对氯乙烯生产流程进行模拟计算。计算 结果表明 在氯化氢合成、 氯乙烯合成生产过程产生了大量的废酸， 合成压缩机能耗过高， 实际消耗的电能超过理论值 的 47 。最后根据模拟结果提出合成压缩机改造、 VC 合成水洗酸回收、 氯化氢废酸水回收等清洁生产方案， 达到了 预期的节能减排要求。同时提出了清洁生产潜力定量分析新工具， 可为该行业企业实施清洁生产和节能减排提供科 学的思路和方法。 关键词 化工流程模拟; 清洁生产; 氯乙烯; 节能减排 ANALYSIS OF POTENTIAL OF ENERGY- SAVING AND POLLUTION REDUCTION DURING VINYL CHLORIDE PRODUCTION BASED ON PROCESS SIMULATION Zhao YangCai RuyuZheng Chenghui Fujian Research Academy of Environmental Sciences，Fuzhou 350013，China AbstractBased on the steady-state process simulation，using computer aids，such as simulation calculation，sensitivity analysis，optimization analysis，vinyl chloride production process had been simulated． The results showed that the process of hydrogen chloride synthesis and vinyl chloride synthesis generated a lot of acidic wastewater，and the compressor consumed too much energy，which was greater than 47 of the theoretical value．According to these simulation results，three cleaner production programs，e． g． transation of synthetic compressor，acidic wastewater recycling of VC synthesis washing，acidic wastewater recycling of hydrogen chloride，were presented to achieve the desired emission reduction requirements． Keywords chemical process simulation; cleaner production; vinyl chloride; energy-saving ＆ emission reduction * 福建省自然科学基金项目 2010J01022 。 0引言 氯碱行业是化工生产中的一个重要行业， 在国民 经济发展中有着重要的作用。近年来， 随着国内 PVC 行业的迅猛发展， 氯乙烯生产企业必须在发展中不断 调整发展思路， 实现经济增长方式的根本转变， 以赢 得竞争优势。今后的发展趋势可概括为原料多样化、 产品精细化、 技术新型化、 生产绿色化和工艺集约 化 ［1- 2］。另外从环境保护的角度来说， 目前该行业还 依然采用污染较严重的电石乙炔法， 在其生产过程中 也产生了大量的“工业三废” 。如何实现清洁生产和可 持续发展， 已经是国内外该行业普遍关注的问题 ［3- 4］。 流程模拟技术是近几十年来发展起来的一门综 合学科， 它是设计新的或应用己有的过程模型， 利用 软件技术形成单元模块， 通过对单元的组合建模对生 产过程进行模拟的。随着化工过程中计算机模拟技 术的发展， 该技术已经成为化工生产过程中资源和能 源消耗分析、 工艺设备改进方面的重要分析工具。聚 氯乙烯生产过程是典型的一种化工生产过程， 早在 1994 年廖丽华采用 MircoCHESS 软件模拟了氯乙烯 精制装置。田正义等针对氯乙烯精制过程的低沸塔 改造方案研究中也采用了流程模拟软件 HYSYS 对氯 乙烯装置低沸塔进行了模拟分析， 并提出了改造方 案 ［5］。尽管这种技术在氯乙烯行业中的应用已经较 为成熟， 但国内尚无采用该技术进行废物产生分析的 报道。 本文将以福建省某烧碱企业为例， 在多年来对该 行业企业推进清洁生产研究的基础上， 通过在企业的 清洁生产审核和能源审计中采用化工模拟方法 ［6］， 分析和探讨了氯乙烯 VC 实际生产工艺过程中可能 731 环境工程 2013 年 2 月第 31 卷第 1 期 存在的各种问题和清洁生产潜力， 进而提出切实可行 的清洁生产方案， 可为同类化工企业清洁生产审核和 能源审计提供借鉴。 1烧碱生产车间计算机模拟 1. 1计算机模拟过程 烧碱生产工艺流程可采用过程稳态模拟方法， “序贯法” Sequential 进行求解。将生产流 程中各个设备分别建立其数学模型， 按其物料及能量 流向建立流程模拟系统。序贯模拟法的优点是方法 直观， 应用灵活， 适于模块式处理方法， 即序贯模块 法， 但对于复杂系统， 尤其是对环路较多、 藕合性强的 系统， 则难以收敛 ［7］。 以福建某聚氯乙烯企业氯乙烯 VC 实际生产工 艺过程的情况进行模拟， 其生产规模为精制聚氯乙烯 90kt/a。氯乙烯生产过程的主要工艺参数见表 1， 模 拟工艺流程见图 1。 图 1氯乙烯生产工艺模拟流程 1. 2计算机模拟结果及分析 本次模拟以过程稳态模拟为基础， 结合灵敏度分 析、 最优化分析等工具手段进行分析。 1. 2. 1物流模拟结果 根据给定的参数 表 1 ， 通过计算机模拟计算得 出的各出料物流数据见表 2。 从表 2 可以看出 在氯乙烯生产过程中， 可能产 生了大量的废酸， 经过现场考察， 该废酸主要由三部 分组 成氯 化 氢 生 产 废 气 洗 涤 酸 性 废 水 含 酸 1. 2 、 VC 合成水洗废水 含酸 2. 2 以及其他可 回收的高浓盐酸。氯化氢生产废气洗涤酸性废水和 VC 合成水洗废水中的废酸具有一定的回收价值， 因 此， 认为该部位具有一定的清洁生产潜力。 表 1主要工艺参数 代码名称进料量/ kg h －1进料温度 /℃ 进料压力 /kPa S1-H2氢气1853080. 0 S2-CL2氯气6 5003080. 0 S-C2H2乙炔4 520. 23055. 0 R-HCL 氯化氢合成炉6 685150 66. 7 R-VC氯乙烯转化炉11 205. 210055. 0 表 2出料物流参数模拟结果 代码物流名称 流量及纯度 / kgh － 1 温度 / ℃ 压力 / kPa S2-W-HCL盐酸废水55 563. 67 含 HCl 5. 7 35. 655 S4-C2H2含乙炔工艺尾气36. 64 含乙炔 89. 9 37. 7500 S5-DMCL高沸物11. 0825. 2400 S5-PROD精制 VC10 757. 55 含 VC 99. 998 30. 0380 1. 2. 2能量及能耗 通过计算机模拟计算， 可得出各设备中产生和交 换的能量情况 氯化氢合成炉产生 － 16281. 7 MJ/h 的热能， 石墨冷却器移走 － 535. 7 MJ/h 的热能; 石墨 冷却器移走 － 669. 5 MJ/h 的热量， 石墨换热器消耗 1095. 9 MJ/h 的 热 量，氯 乙 烯 转 化 炉 产 生 了 － 18335. 9 MJ/h的热量; 单体气柜损失 － 213. 7 MJ/h 的热量， 压缩机消耗8102. 5 MJ/h的电能， 低沸塔塔顶 需要移 走 － 26696. 1 MJ/h 的热量， 塔底需 要 加 入 2099. 8 MJ/h 的 热 量，高 沸 塔 塔 顶 需 要 移 走 － 36863. 2 MJ/h的热量， 塔底需要加入 35438. 2 MJ/h 的热量。 聚氯乙烯合成与精制工序热量的入方主要是 乙 炔原料带入显热、 氯化氢显热、 石墨换热器加入的热 量、 合成释放的反应热以及低塔塔底蒸汽加热量和高 塔塔底蒸汽加热量。出方主要分为以下 7 个部分 1 石 墨 冷 却 器 带 走 的 显 热，约 占 总 热 量 的 0. 88 ; 2 低塔放空轻组分带走的热量 直接排入大 气， 占总热量的 0. 002 ; 3 高、 低塔移走的热量 用 低温水带走该股热量， 进入冷冻水工段， 两股热流占 总热量的 83. 23 ; 4 压缩机前的气柜热损失带走 的热量 耗散排入环境中散失， 占总热量的 0. 28 ; 5 精制氯乙烯带出热量 进入聚合工段， 占总热量的 0. 29 ; 6 盐酸带出热量 作为产品带走热量， 占总 831 环境工程 2013 年 2 月第 31 卷第 1 期 热量 的 0. 02 ; 7 其 余 热 损 失， 约 占 总 热 量 的 15. 31 ， 主要是管道和储槽等保温不密导致的散失; 从理论上讲， 可以采用各种手段回收或降低上述 7 个方面的热量， 但是增加设备， 改变工艺会带来投 资费用和操作费用的增加。因此， 采取适当的节能技 术降低能耗， 只有在回收或降低能耗所取得的经济效 益大于因设备折旧及操作管理费用等提高引起的产 品增加成本时才是合理和可取的。 氯乙烯生产过程的热量平衡见表 3。 数据经整理后与企业实际指标和计划指标进行 对比结果见表 4。 表 4 中数据显示， 能耗最高的是氯乙烯单体精制 工段; 产生热能最多的是氯乙烯单体合成工段; 合成压 缩机实际消耗的电能超过理论值的 47 ; 氯乙烯单体 精制工段实际消耗的蒸汽量超过理论值的 0. 1 。 通过现场考察发现， 本企业现有 2 台 3 L- 10 /8 型、 5 台 4 L- 20 /8 型活塞式压缩机油耗约 24t、 水耗为 15. 5m3/h， 效率仅 60 ～ 70 ， 因此， 认为该部位具 有清洁生产潜力。 表 3氯乙烯合成精制工序热量平衡表 项目数量 / MJh － 1 百分比 热量乙块229． 340． 3 入方氯化氢271． 940． 36 氯乙烯转化器前石墨换热器1 095． 891． 43 反应热18 335． 8524． 01 低塔热底热量20 998． 2627． 5 高塔热底热量35 438． 1646． 4 合计76 369． 44100 热量石墨冷却器669470． 88 出方低塔移走热量26 696． 1434． 96 放空轻组分1． 450 高塔移走热量36 863． 2248． 27 塔底重组分0． 340 气柜热损失213． 720． 28 精制氯乙烯218． 350． 29 盐酸11． 630． 02 热损失11 69415． 31 合计76 368． 31100 表 4产量能耗核算比较表 以每吨 PVC 产品计 设备项目 氯化氢合成工段氯乙烯单体合成工段合成压缩机氯乙烯单体精制工段 总产热量 / MJ 热损失 / MJ 总产热量 / MJ 总耗热能 / MJ 耗电能 / kWh －1 蒸汽 折热能 / MJ 蒸汽 折标煤 / t 蒸汽 / t 年单耗计划指标4 707160． 751． 25 实际361． 84 104． 504140． 1741． 09 理论1 780． 658． 5912 005． 252119． 8492464 105． 241140． 0711． 089 2节能减排对策和清洁生产方案 借助工艺过程模拟、 灵敏度分析、 最优化分析等 工具的最终分析结论， 该企业提出了合成压缩机改 造、 VC 合成水洗酸回收、 氯化氢废酸水回收 3 个清洁 生产方案。 2. 1合成压缩机改造 将公司 PVC 分厂单体车间压缩岗位现有 2 台 3L- 10 /8 型、 5 台 4L- 20 /8 型活塞式压缩机全部跟换 为螺杆式压缩机。螺杆式压缩机与活塞式压缩机相 比， 具有运转平稳、 压缩效率高、 维修量小、 零配件数 量少、 节电省油、 防漏油等优点。经过改造后， 螺杆式 压缩机采用封闭的油路系统， 克服了活塞式压缩机冷 却水中经常带油的构造缺陷， 完全解决了冷却水带油 的问题。 该方案 总 投 资 180 万 元， 实 施 后 油 耗 降 低 了 99 ， 电耗降低了 24. 4 ， 同时提高压缩能力， 降低 电耗与设备维护费用， 取得 87 万元 /年的经济效益。 2. 2VC 合成水洗酸回收 聚氯乙烯合成车间废酸水中酸含量约为 2. 2 ， 年排放量近 2. 3 万 t， 既造成浪费又污染环境。回收 方案为 粗氯乙烯单体由新增加的膜式吸收器、 水洗 塔进行循 环 吸收， 稀 酸在 多 次 循 环 中 逐 渐 增 大 到 28 左右， 成为合格的副产盐酸外售。经过多方考 察， 公司集多年的生产经验， 在国内某企业研制的水 洗酸回收装置的基础上进行优化， 研制出一套适合本 公司工艺的水洗酸回收装置。经过改造后， 水洗酸回 收装置具有结构合理、 阻力小、 吸收效率高、 可靠性强 等特点。 该方案总投资 21 万元， 实施后每年可回收盐酸 2. 3 万 t， 取得 41. 91 万元的经济效益。 2. 3氯化氢废酸水回收 该公司盐酸车间中盐酸生产炉和氯化氢气体生 产炉在开车生产期间会排放含有微量氯化氢的尾气， 原工艺是通过水流喷射泵抽负压吸收后成废酸水直 接排放， 废水中废酸含量 1. 2 左右， 排放量 3. 3 万 t/ 年。该公司技术人员根据实际情况设计了一套废酸 水闭路循环回收工艺， 用于治理氯化氢废酸水。采用 的工艺路线为 工艺 HCl 尾气由水流泵喷射吸收产 931 环境工程 2013 年 2 月第 31 卷第 1 期 生的废酸水， 通过气液分离后经酸泵加压一部分送回 水流泵进口循环使用， 进一步吸收尾气中的 HCl; 另 一部分含酸废水经分配台分别送入各台盐酸膜式吸 收器， 取代自来水， 与氯化氢直接接触吸收生产食品 盐酸。为保证盐酸质量， 水流泵进口由工业水改为自 来水。为确保盐酸吸收器操作稳定， 增加一个8 m3循 环酸水贮槽。 该方案总投资 21 万元， 实施后每年可以回收盐 酸废水 3. 3 万 t， 取得 41. 91 万元的经济效益。 3结论 借助计算机模拟等相关的计算方法， 对该企业的 氯乙烯生产过程进行分析， 可以发现氯化氢合成、 氯 乙烯合成生产过程产生了大量的废酸， 合成压缩机能 耗过高， 实际消耗的电能超过理论值的 47 等问题， 具有实施清洁生产方案、 节能降耗的较大潜力。最后 根据模拟结果， 提出和实施了合成压缩机改造、 VC 合 成水洗酸回收、 氯化氢废酸水回收 3 个清洁生产方 案， 达到了预期的节能减排要求。 本文所论述的方法是一种全新的清洁生产潜力 定量分析工具， 可为该行业企业实施清洁生产和节能 减排提供科学的思路和方法， 同时， 也适用于其他化 工企业的清洁生产审核和节能审计等。 参考文献 ［1］薛之化． 国内聚氯乙稀生产技术的进展［J］． 中国氯碱， 2005 6 1- 5． ［2］张英民， 梁锡伟， 国内 PVC 行业发展趋势和思路［J］． 中国氯 碱， 2006 11 1- 6． ［3］杨海． 氯碱工业中的环境友好工艺［J］． 中国氯碱， 2000 4 35- 36． ［4］贺全三． 注重环境保护努力实现清洁化生产［J］． 中国氯碱， 2001 8 33- 35． ［5］田正义， 仇汝臣， 孔锐睿， 等． 氯乙烯装置低沸塔的改造方案 ［J］． 化工时刊， 2007， 21 11 41- 42． ［6］赵扬． 化工过程模拟在清洁生产中的应用研究［J］． 环境与可 持续发展， 2007 6 1- 4． ［7］杨友麒． 过程流程模拟［J］． 计算机与应用化学， 1995， 12 1 1． 作者通信处赵扬350013福州市晋安区茶园小区环北三村 10 号 楼 福建省环境科学研究院清洁生产中心 E- mailzhaoyangyang sina． com 2012 － 05 － 08 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 68 页 毒有害气体， 危险废气， 各种化学物质等， 且不会造成 二次扬尘， 相对于传统的干式 ESP 技术， 其优势是显 而易见的， 粉尘比电阻问题不存在; 水滴凝聚在小尘 粒上更利于捕集; 空间电荷增强， 不会产生反电晕。 此外， IWS 还可同时净化有害气体， 如 SO2、 SO3、 HF 及其他有恶臭的污染气体等， 是一种非常值得在国内 推广应用的先进静电除尘技术。 参考文献 ［1］解广润， 陈慈萱． 高压静电除尘［M］． 北京 水利电力出版社， 1993． ［2］王艳琴． 影响高压静电除尘器除尘效率的因素［J］． 电子科技， 2008， 21 12 86- 88． ［3］赵琴霞． 静电除尘技术的发展趋势及其对策［J］． 机电工程， 2002， 19 4 68． ［4］时培章． 俄制 800MW 机组静电技术改造［J］． 东北电力技术， 2009 7 44- 52． ［5］许德云． 放电极喷过饱和蒸汽静电除尘技术的研究［J］． 环境 工程， 1998， 16 4 38- 40． ［6］田贺中． 利用静电除尘器脱除汞［J］． 国际电力， 2005， 9 6 62- 64． ［7］翟松森． 带有湿式静电除尘器的除尘脱硫装置工业实验［J］． 河北电力技术， 2001， 20 3 8- 14． ［8］张建平． 静电除尘器粉尘运动轨迹的数值模拟与分析［J］． 环 境工程， 2011， 29 2 78- 81． ［9］依成武． 提高静电除尘器粉尘驱进速度方法研究［J］． 环境工 程， 2010， 28 4 49- 52． ［ 10］赵志斌． 静电收集理论的研究［J］． 环境工程， 1992， 10 3 35- 38． ［ 11］李庆． 微细粉尘在静电除尘器中的运动状态分析［J］． 环境工 程， 2011， 29 2 73- 77． ［ 12］刘艳菊． 湿式高压静电除尘器原理及运用［J］． 电气技术， 2008 10 83- 84． 作者通信处吕馨200233上海市徐汇区虹漕路 461 号 56 栋 18 楼中国天辰工程公司上海分公司 2012 － 05 － 22 收稿 041 环境工程 2013 年 2 月第 31 卷第 1 期