氟化氢传统工艺装备改进方案研究DOC.doc

申 报 论 文（中级）题目： 氟化氢传统工艺装备改进方案研究 单 位： 福建龙氟化工有限公司 姓 名： 雷 游 生 申报专业： 机 械 撰写时间： 2015年6月25日 目 录摘要 关键词 3第一章 氟化氢传统工艺装备存在问题的分析 31.1 生产工艺热能利用情况 41.1.1热能有效利用情况 41.1.2方案实施可行性分析 41.2 导气箱腐蚀严重及堵管频率高的原因分析 71.3反应转炉炉头和炉尾密封问题分析 71.4有水酸制酸现状分析 71.5减轻有水氟化氢人工充装劳动强度的研究 8第二章 氟化氢传统工艺装备改进方案 82.1反应转炉余热利用装置 82.2新型导气箱及自动推渣装置 92.3炉头炉尾机械密封装置 102.4有水酸制酸自动控制装置 102.5有水氟化氢自动充装装置 10第三章 方案实施及效果分析 113.1反应转炉余热利用装置113.2新型导气箱及自动推渣装置113.3炉头炉尾气缸机械密封装置123.4新型导气箱及自动推渣装置123.5有水氟化氢自动充装置14第四章 结论 15第五章 参考文献 16氟化氢传统工艺装备改进方案研究【摘要】 本文作者通过研究氟化氢传统工艺装备存在的问题，提出了改进方案。通过设计安装反应转炉余热利用装置、新型导气箱及自动推渣装置、炉头炉尾机械密封装置、有水酸制酸自动控制装置及有水氟化氢自动充装装置，大幅改善了氟化氢生产条件，稳定了生产工艺，提高HF产能15%；年节约生产成本300万元；年减少二氧化硫排放量达10.59吨，年减少烟尘排放4.25吨，取得了可喜的成果。关键词：氟化氢 传统工艺装备 改进方案 研究氟化氢是现代氟化工的基础，是制取元素氟、各种氟致冷剂、含氟新材料、无机氟化盐、各种有机氟化物等的最基本原料1 2。生产氟化氢的主要原材料是萤石，萤石是不可再生资源，经过多年的开采，已濒临枯竭状态，萤石成了国家战略物资。因此，探索高效低能耗、绿色环保和可持续发展的氟化氢生产工艺对氟化工行业有很重要意义和深远的影响。本文作者利用所学专业知识结合生产实际，通过分析现有生产工艺设备存在的问题，并针对装备的问题点提出改进方案，设计安装反应转炉余热利用装置、新型导气箱及推渣耙、炉头炉尾机械密封装置、有水酸制酸自动控制装置及有水氟化氢自动充装装置，大幅改善了氟化氢生产条件，提高HF产能20%。与此同时，实现了节能、降耗、减排，年节约生产成本300万元，年减少二氧化硫排放量达10.59吨，年减少烟尘排放4.25吨。通过实施改进方案后，大大增加了氟化氢生产工艺的稳定性，延长了工艺设备的使用寿命，取得了可喜的成果。1、氟化氢传统工艺装备存在问题的分析因氟化氢其固有的理化特性决定了其对生产工艺设备的条件较为苛刻，不仅要有较好的耐腐蚀、耐高温要求，而且生产系统是在密闭的环境下连续生产，因而对其密封性有也有较高的要求，另外反应转炉需要大量连续供应的热能，如何节能也成为需重点解决的问题。通过对LF公司生产工艺条件中几个突出的问题的研究分析，重点归纳出如下几个需重点改善的项目，一是反应转炉排空的余热未充分利用；二是导气箱是普通的碳钢材料，在高温高湿条件下极易腐蚀3；三是反应转炉炉头与炉尾弹簧式压紧机构可靠性不强；四是有水氟化氢生产工艺的改造；五是氟化氢充装是用人工原始充装，劳动强度大且安全性也不高；针对上述5个关键突出问题，分别对其进行分析研究改进。1.1 生产工艺热能利用情况众所周知，氟化氢生产过程中反应工序及分馏工序需用到热能，关键设备中的反应转炉所需的热能需求量最大，占整个工艺热能利用的90%左右，而分馏工序中所需的热能较少，仅在精馏塔釜及脱气塔釜需要5565之间的热能。为保证氟化氢生产工艺的连续运行，因而所需的热能也必须是持续稳定的供给。现阶段大部分的氟化氢生产线所需的热能均采用煤气发生炉制备的煤气经过燃烧室的燃烧产生热气来达到加热的目的。而分馏工艺中所需的热能，大部分企业是通过锅炉产生的蒸汽，通过相关辅助控制件来调节蒸气开启及运行速度来达到所需的温度。1.1.1热能有效利用情况分析LF公司反应转炉的热源由煤气发生炉产生的煤气经燃烧室燃烧产生的热气，通过高温循环风机将热风通过管路引入反应转炉夹套空腔，余热大部分通过循环风机在转炉循环利用，但仍有一部分排空，经现场分析检测，排空的烟气温度可达450。这部分热能未加以利用，因而存在能源浪费的损失。传统生产氢氟酸的精馏系统加热方式是采用蒸汽，对精馏塔和脱气塔塔釜的氢氟酸半成品进行加热。这种加热方式必须配置锅炉及其附属设备；目前锅炉的燃烧材料依然是煤炭为主，煤的燃烧不仅需要大量的煤炭，而且也产生很多二氧化硫和粉尘污染环境。实际上，在分馏工艺中的精馏塔釜和脱气塔釜所需的热量温度范围是5565，而蒸汽的温度是100以上，因此这里也存在热能的浪费。通过上述分析，可以发现LF公司的能源浪费是一重点改进的项目之一。1.1.2方案实施可行性分析通过上述对热能利用情况的分析发现，如果可以利用反应转炉的余热，进行回收传热装置产生热水，用热水对氢氟酸生产的精馏系统进行加热，即可实现资源综合利用，又可通过取消蒸汽锅炉，降低生产成本和减少环境污染。图1为改造前供热系统流程简图。图1 改造前供热系统流程图通过分析，设计出改进供热方案，如图2图2.供热方案简图通过比较上述两供热简图可以看出，如果改造成功，那么转炉内的余热将得到充分利用，2T锅炉也会随之而取消。产生的经济效益和环境效益将非常可观，为此，将此项目确定为重点实施对象。为了确保方案产施成功，经过技术部相关人员的努力，通过现场勘测，及绘制相应改造图，评估得出本次改造所需的设备清单及改造后可产生的直接经济效益和环境效益。（1）改造所需的费用评估如下：序号名称规格/型号数量预估价1换热器1300*50001个500002热水泵DFRG100-125/2/112台250003热水槽2500*2000*15001个270004精馏塔釜2200*2600890005脱气塔釜1200*28001个90006烟囱800X260001个480007自动化仪表测温仪器及软件1套520008电加热系统72KW1套100009其他管道、阀门等及安装费用1套12000010合计费用/350000以上为一条生产线所预估改造费用，LF公司有二条生产线，因而其相应改造费用为：70万元左右。（2）改造后产生的经济效益评估如下：该方案实施后，安装余热装置需投资35万元，可减少煤用量1430吨/年，一吨煤800元，可减少114.4万元/年，取消蒸汽锅炉，可减少4个员工开支，共可减少人工成本14.4万元/年（4*3000*12）。一共可节约成本128.8万元/年。 效益分析4：项目总投资（I）： 35万元年收益（P）：由经济效益估算可知，P=128.8万元年折旧（D）：D=I/Y=3.5（万元）（Y：设备折旧期为10年）应纳税利润（T）：T=P-D=125.3（万元）净利润（E）：E=T（1-税率）=93.97（万元）（税率为25%）年现金流量10（F）：F=E+D=97.47（万元）投资偿还期（N）： =0.36（年）净现值（NPV）：NPV= = 619（万元）(设备折旧期 10 年，贴现率i = 8%)净现值率（NPVR）：NPVR=NPV/I100%=619/35100%=1768.57%内部收益率（IRR）： 40%该方案实施后，净现值收益619万元，大于零，内部收益率大于40%，即大小于8%，经济效益非常明显。3.同时相应原环境效益也非常可观，具体如下：余热回收后可取消蒸汽锅炉，原蒸汽锅炉耗煤平均需1430吨/年煤，停机运行后即可减少燃煤1430吨/年，同时减少二氧化硫和烟尘排放量5。以煤质含硫量S0.57%，可燃硫占全硫80%，灰份A4.09%，及工业锅炉产排污系数二氧化硫排放系数4.8S，烟尘排污系数0.16A，可减少二氧化硫量和烟尘排放量计算如下：削减二氧化硫排放量：4.8煤质含硫量（1-脱硫效率）燃煤量 =4.80.5714300.8/1000 =3.130吨/年削减烟尘排放量：0.16煤质灰分量燃煤量 =0.164.091430/1000 =0.936吨/年煤灰渣产生量：煤量9.24灰分量 =14309.244.091000 =54.042吨/年从上述估算来看，此方案实施后，可削减二氧化硫排放量3.130 吨/年，烟尘排放量0.936吨/年，煤灰渣产生量54.042吨/年。综上所述，无论从直接产生的经济效益还是环保效益来评估，该方案都是可行的。1.2导气箱腐蚀严重及堵管频率高的原因分析原氟化氢生产反应转炉气体出口导气箱的材质为碳钢材料，由于受氟化氢的特性及高温的影响，导气箱很容易受到腐蚀，40天就需要进行检修更换，后伸入节常常因腐蚀造成冷凝酸从机械密封处漏出，检修更换的频率高，不能连续性生产，造成生产成本大。另一方面，由于导气箱是直接与反应转炉连接的抽料管，与进料口距离较近，在负压作用下，易将原料萤石粉及其它粉尘杂质吸入在水平过渡处，生产时间大约2小时后，即会出现导气箱抽气不畅的现象，俗称“堵管”，这将严重影响生产的连续运行，且会导致炉头机械密封处漏气，会对环境产生污染。1.3反应转炉炉头和炉尾密封问题分析在传统的氢氟酸生产工艺6 7中，反应转炉炉头和炉尾端盖密封均用弹簧压紧机构装置8，实际应用中，因弹簧压紧力不足，密封并不严实，压盖处极易造成漏气。加上弹簧长时间在酸性条件下工作易腐蚀致弹力失效，因而严重影响其寿命。同时由于各弹簧间受力不均极易造成密封面偏差，造成漏气隐患。限于弹簧压紧机构在安装、维修拆装时的不便，在转炉检维修中也存在较大的缺陷。1.4有水酸制酸现状分析原制取不同浓度的有水氢氟酸均由人工控制无水氟化氢和工业水的投料配比和速度。投料速度不易控制，受氢氟酸理化特性9影响，快了易引起暴沸，安全隐患大；慢了又影响制酸效率。投料量按制酸槽液位计，精确度低，增加了化验检测工作量。另人工制酸过程中也易引起制酸槽冒汽，不仅浪费原料，而且也对环境造成一定的影响。1.5减轻有水氟化氢人工充装劳动强度的研究传统的氢氟酸生产行业的有水氢氟酸充装装置，主要是利用磁力泵从成品槽中抽取有水氢氟酸，后通过连接管路打到充装点，充装点与连接管路上装配一根充装软管，通过人工将充装软管把有水氢氟酸打入充装桶中，充装桶充装物料时，放置在设定好目标重量的磅秤中，利用阀门控制充装的开启和切断。这套装置的特点是通过磁力泵直接打入充装桶中，压力较高，充装过程中容易产生喷溅现象，充装软管受有水氢氟酸浓度高低和使用时间的影响，容易产生老化开裂的现象，操作工人的人身安全存在隐患。由于充装重量是通过人工进行手动控制充装阀门的，到充装终点时，阀门关闭过快或过慢都会让实际充装重量与目标重量存在很大偏差，所以会把磅秤的实际充装重量提高0.2kg左右，使充装时目标重量不存在偏低的现象，无形中使得产品得到流失，使得生产的成本大大的提高。该装置对工人的操作和劳动强度要求比较高，而且充装时产生的挥发废气直接排入大气中污染环境。因而如何改善上述问题，也是呈现给企业的一个亟待解决的课题。2、氟化氢传统工艺装备改进方案 针对氟化氢传统装备存在的问题，通过设计安装反应转炉余热利用装置、新型导气箱及推渣耙、炉头炉尾机械密封装置、有水酸制酸自动控制装置及有水氟化氢自动充装装置，达到提高氟化氢工艺稳定性，节能降耗减排，提升传统工艺技术水平的目标。2.1 反应转炉余热利用装置 应用列管换热法设计换热器，热风从下端进入换热器，流经列管后从上端排出，水在换热器上端从列管外围流入换热器浸泡列管，与列管形成自上而下逆流换热，由于列管排列密度高，流入换热器的水得到快速分散加热，热水从换热器外壳的下端流出，达到高效吸收转炉余热的效果。 应用管道和阀门，将脱气塔釜加热器、精馏塔釜加热器、换热器、热水泵及热水槽联通形成热水加热循环系统。在热水泵作用下，热水槽的热水经换热器进一步加热后，输送至脱气塔釜加热器和精馏塔釜加热器加热氢氟酸半成品，热水释放热能降温后，返回热水槽，形成热水加热循环通道。如图3。图3、反应转炉余热利用装置2.2新型导气箱及自动推渣装置应用钢板衬聚四氟乙烯10材料，设计新型的导气箱，延长导气箱的使用寿命，减少了污染物的排放。应用变频电机、时间控制器、推渣棒、转轴、轴承座等部件设计导气箱自动推渣装置，解决氟化氢转炉导气箱淤堵问题，如图4。图4、新型导气箱及自动推渣装置2.3 炉头炉尾机械密封装置通过应用多气缸结构设计新型氟化氢转炉端盖气缸机械密封装置，解决前后炉门漏气和维修问题，减少了污染物排放，消除了安全隐患。如图5。图5、炉头炉尾机械密封装置2.4 有水酸制酸自动控制装置应用PLC可编程控制器、电磁进酸阀、电磁进水阀、磁力泵、取样管、制酸槽、取样管等部件设计有水酸制酸自动控制装置。如图6。图6、有水酸制酸自动控制装置1-加酸槽 2-温度传感器 3-制酸槽 4-液位器 5-回流管 6-加水电动阀 7-取样管 8-泵 9-重量传感器2.5 有水氟化氢自动充装装置应用成品槽、磁力泵、高位槽、气动阀、重量控制器、空压机、电子秤、尾气吸收装置等部件设计有水氢氟酸自动充装装置，如图7。图7、有水氟化氢自动充装装置3 方案实施及效果分析3.1 反应转炉余热利用装置该余热回收装置主要设备有：余热换热器、热水槽、热水泵、精馏塔和脱气塔塔釜加热器等，将冷水转化成热水（5565），供精馏系统加热的一种装置。余热由下进上出的方式进入换热器（管程）后再行排空，换热器进口与出口用管道连接，中间设置一个阀门控制换热器进口热量大小；设置一个热水槽，热水槽的水通过泵由上进下出的方式进入换热器（壳程），通过换热后产生的热水，利用管道连接至精馏塔和脱气塔塔釜加热器，管道设置阀门控制热水的流量，从加热器出来的水回到热水槽，产生一个持续循环的过程。精馏塔、脱气塔塔釜加热器由原有的盘管式加热器改造为列管式加热器，并加大了换热面积。换热面积的增加对供热的温度要求有所减低，只需5565温度就可以达到工艺操作要求，降低了原由加热器因受局部高温腐蚀的风险及维护成本，最可取的是取消锅炉的运行成本及人工费用，降低生产成本又减少锅炉废气污染。3.2 新型导气箱及自动推渣装置导气箱在高温（120220）、强腐蚀条件下工作，因而需要既耐腐蚀又耐高温的材料来制作，考虑到用作洗涤塔内的拉西环填料，其制作材料就是四氟乙烯，此材质在不仅耐腐蚀而且还耐高温，因而尝试是否用这种材料来制作导气箱呢。现场测绘出导气箱的尺寸规格图，发给生产厂家按要求用四氟乙烯材料制作导气箱，制作完成先行安装尝试，经使用测试，该材料能达预期效果，自安装更换后，近2年不需更换维修。此新型高温耐腐蚀导气箱装置，包括导气箱、伸缩节、伸入节组成，导气箱采用四氟乙烯材料制作耐腐蚀程度高，利用伸缩节把导气箱和反应转炉炉头密封对接，伸入节也是四氟乙烯材料，能有效的防止高温腐蚀。采用这种耐腐蚀导气箱后，可减少受氢氟酸气体理化特性受高温腐蚀的影响，延长导气箱及伸入节的使用周期，只需两年更换一次，降低维修频率，从而节约维修成本。对于导气箱堵管的问题，通过在导气箱过渡处安装自动化清堵机构，利用电机带动螺旋搅拌推渣耙，用时间控制器设定好推渣时间，这样就可以在设定的时间里自动将导气箱淤积的粉尘清理回反应转炉内，从而确保导气箱通畅。无需人工操作，达到降低生产成本、工人劳动强度和减少环境污染的目的。为达到上述目的，本实用新型导气箱自动推渣耙装置，包括电机、螺旋搅拌推渣耙、时间控制器组成的一种自动推渣耙装置。该装置完全能实现自动将导气箱淤积的粉尘推回反应转炉内。3.3 炉头炉尾气缸机械密封装置通过使用气缸机械密封的装置取代弹簧压紧装置，在反应转炉前端盖均布4个气缸，用空压机产生的空气源输入到储气罐，再送至气缸，由气缸压紧端盖。因气缸为标准件，4个气缸所产生的压力误差近乎为0，反应转炉端盖所受的压紧力均匀，故机械密封较好，漏气现象得以很好的控制。同时因气缸用耐腐蚀材料制作，因而其寿命也较传统弹簧高个35倍以上。在实际应用中，因气缸的压紧与松开完全由气源控制，检修时无需拆卸，只需将气缸气源断开，即可将端盖松开，无需拆密封机构，从而给转炉的检维修带来极大的方便。3.4 有水酸制酸自动控制装置 该自动制酸装置由一套由微机控制的自动投料11系统，精确控制投料量和投料速度，进而取代人工制酸作业。实现自动化控制作业，降低操作强度和化验检测工作量，同时提高操作安全系数和减少对环境的污染。为达上述目的，在车间中控室计算机上，利用DCS系统对制酸生产过程主要参数进行显示记录、报警、控制。制酸槽电子秤重量用通讯方式传输给计算机，计算机根据设置的各种参数调节电动阀或控制开关阀，防止流量过大反应激烈而超温，实现制酸生产过程自动控制。同时DCS系统具有记录、查询、统计报表等管理功能。受无水氟化氢理化性的影响，为确保安全，生产过程中可根据需要设定上、下限报警功能，并提供手/自动切换功能。结合图8、图9作进一步详细分析。图8、投料原理图图9、制酸配管示意图如图8、图9所示，每1个制酸槽均通过2个接口（即COM1和COM2）将实际重量和温度数据传送到中控室监控主机上，由主机依据所接收的信号对分别对加水电动阀和加酸阀进行控制。简言之，制酸作业员只需输入酸的浓度及重量两个数据，其它具体制酸过程交由微机系统自动完成，制酸完毕，监视屏会显示制酸完成。同时该系统设置了相应的投料上下限，当超出此上下限时，系统会作出警报，从而有效控制投料量并确保安全。另受无水氟化氢理化性能的影响，制酸时需确保先加水后加无水氟化氢的投料顺序，故该系统增加了相应的联锁装置，以避免出现先加无水氟化氢后加水的错误顺序，从而大大提高了操作安全系数。注：主机程序写入下列制酸公式，以实现电脑完成自动配比功能。a.稀释：X=M（A-B）/Bb.调浓：Y=M（B-A）/（1-B）说明：M=有水酸总重量 A=现有有水酸浓度B=目标有水酸浓度 X=加水量 Y=加无水酸量主机按下述两个指标，对温度传感器传回的信号作出相应的反馈。a.制酸槽温度80 b.磁力泵温度753.5 有水氟化氢自动充装置该有水氢氟酸自动充装装置，包括电子秤、重量控制器、气动阀、成品槽、磁力泵、高位槽、空压机、尾气吸收装置，利用连接管路和控制元件组成的一种自动充装装置。成品槽中有水氢氟酸利用磁力泵打入高位槽，高位槽底部接管至充装点，高位槽设置一个溢流管，直接溢流回成品槽。充装点上接一个气动阀，空压机压力保持在0.4-0.5MPa供气动阀使用，通过重量控制器设置好充装皮重和净重，当重量控制器开关开启是，通过重量控制器给气动阀信号，开启气动阀。当充中重量达到重量控制器设置的净重时，通过重量控制器给气动阀信号，关闭气动阀停止充装，完成一次充装操作。本装置设计的管道连接部门均为PP材质管道的硬性连接及有水氢氟酸通过高位差流至充装点，不存在因压力高等问题导致的管道老化和安全隐患。在充装桶充装位置设置一个吸气口把桶中的挥发气体抽入尾气吸收系统进行吸收。使充装过程中不存在大气污染。下面结合附图3-6 对本实施方案作进一步的详细说明。如图所示将成品槽中的有水氢氟酸利用磁力泵打入高位槽，有水酸再从高位槽流至充装点，充装点安装的电子秤和气动阀利用重量控制器进行联锁，单把电子秤充装桶皮重和净重设定好后，启动气动阀开始充装，充装至设定的净重重量后，电子秤信号反馈给重量控制器关闭气动阀门，完成一次充装操作；气动阀所用的压缩空气由空压机提供，充装过程中充装桶口的挥发气体通过管道连接至尾气吸收装置，进行吸收后再行排放。综上所述，项目5项技术方案实施后，经过一时期的试运行调整，原传统萤石-硫酸法传统氟化氢生产条件得到大幅改善，产品质量稳定，实现了节能、降耗、减排的目标。数据统计表明，技术方案实施后，年节约生产成本300万元，减少二氧化硫排放量10.59吨，烟尘排放量减少4.25吨，优于预算值，并向国家知识产权局申请6件实用新型专利，取得可喜的成果。4 结论 （1） 5项装备改进方案实施后，稳定了氟化氢生产工艺，提高HF产能15%。（2） 降低年生产成本300余万元。（3） 年节约烟煤1430吨，减少二氧化硫排放量3.13吨/年，减少烟尘排放量0.936吨/年。参考文献1. 赵力强，.浙江省萤石资源开发现状及发展对策.浙江冶金，1993（4）.2. 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