氨碱法中窑气浓度计算研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 22 日 作者简介：曹志磊，本科学历，中共党员，化工工程师，唐山三友化工股份有限公司纯碱分公司，从事纯碱生产工作十余年。-53-氨碱法中窑气浓度计算研究 曹志磊 唐山三友化工股份有限公司纯碱分公司，河北 唐山 063200 摘要：摘要：窑气是指石灰石分解、燃料燃烧所产生的气体，该气体的 CO2 浓度与氨碱法的反应效率、环境质量密切相关。文章以氨碱法为落脚点，首先介绍了氨碱法的原理、步骤、优点和不足，其次分析了计算窑气浓度的意义，再次讨论了影响窑气浓度的因素，具体包括窑气中 O2、CO 气体的含量，最后以既有窑气浓度计算公式为基础，结合影响因素，对计算公式的细节进行了修正。希望能够给有关人员以帮助，为日后计算窑气浓度等工作提供可靠参考。关键词：关键词：窑气；氨碱法；计算浓度 中图分类号：中图分类号：TQ114 0 引言 目前，在纯碱的生产中使用较为广泛的工艺方法是氨碱法，通过做好单元三氨盐水的制备与碳酸化处理，可以提升工艺处理水平，使得气体浓度指标达到满意标准。氨碱法生产纯碱需要使用的主要原料是石灰石、食盐，辅料则为氨，经过技术升级后，生产窑中的气体浓度可以人为控制，其产品质量较好。与其他生产方法比较，氨碱法的优势明显，全部生产过程共计经过 3 段清洗，随后经过自然沉降、分离淡化，最终将淡化的液体与母液混合。上述工艺技术干预后，纯碱生产窑中的气体浓度可控，其处理工艺与技术创新价值均较高，可达到行业领先水平。为更好实现对气体浓度的科学控制，本文研究了氨碱法生产工艺，并对窑气中浓度指标计算方式加以优化，由此提升了纯碱制备工艺，对化工行业先进技术推广产生促进作用。1 氨碱法介绍 现阶段，氨碱法主要用于生产硝酸铵（NH4NO3），通常需要先将氨气和 CO2气体在水溶液中反应，生成氨基碳酸铵，再经过浓缩和结晶，最终得到符合要求的硝酸铵1。具体生产步骤如下：第一步，将氨气通入水中，形成氨水。第二步，氨水与 CO2气体在吸收塔中反应生成氨基碳酸铵。第三步，通过蒸发和结晶，从反应混合物中得到优质的固体硝酸铵产品。氨碱法的优点包括原料易得、反应条件温和、产品纯度高，当然，该方法也存在较为明显的不足，例如，生产过程中产生的废水和废气会对环境造成污染、极易出现安全隐患等。总而言之，氨碱法是一种重要的工业生产方法，可以用于生产氮肥和爆炸物原料，对该方法加以应用时，要注意环保和安全方面的问题。2 计算窑气浓度的意义 窑气是指吸收塔吸收 CO2气体后，塔内吸收液所释放出氨气、水蒸气混合气体，通常由氨气和 CO2气体组成，某些情况下，还会混入少量的水蒸气、氮气、CO气体2。窑气中氨气浓度、CO2气体浓度是影响生产效率和环境影响的重要参数，在氨碱法生产过程中，窑气需要先经过净化处理，去除其中的杂质和有害成分，再作为燃料或者用于其他用途，窑气中氨气和 CO2气体浓度需要在适当的范围内，以确保生产的效率和产品的质量。由此可见，在氨碱法生产过程中，不仅要对窑气进行合理的处理及利用，同时也要控制、调节窑气中氨气和 CO2气体的浓度，确保生产活动能够按照计划顺利推进。而计算窑气浓度的具体原因如下：首先，氨气和CO2气体的浓度会直接影响氨碱法反应的效率，计算窑气中气体浓度，可以确定反应条件是否符合要求，在此基础上，有针对性地调整生产参数，提高反应效率。其次，高浓度的氨气和 CO2气体会对周围生态环境产生污染，影响空气质量以及生态环境，计算窑气浓度，可以评估生产过程对附近环境的污染，及时采取措施，减少排放对环境的不良影响。最后，窑气中氨气和 CO2气体的浓度超过安全标准可能会对生产人员造成危害，中国科技期刊数据库 工业 A-54-计算窑气浓度，有助于管理人员及时发现浓度异常，采取措施保障生产人员的安全。综上，计算氨碱法中窑气浓度的初衷是确保反应效率、满足环保要求和保障生产安全，通过对窑气浓度进行监测和控制，实现高效、环保和安全的生产，其重要性不言而喻。3 窑气浓度的影响因素 计算窑气浓度前，先要了解影响窑气浓度的因素，据此修正既有计算公式，以确保计算结果具有实际意义。3.1 含 O2量 若窑气含 O2气体，则表示现场可能存在两种情况：一是窑顶有空气漏入；二是鼓入窑内的空气与燃料接触不充分，导致燃烧后仍有少量空气遗留3。无论是通过窑顶所漏入空气，还是燃烧后遗留的空气，均可被归入遗留空气量之列，下文将分两种情况讨论：（1）如果遗留空气量以漏入空气为主，那么，在窑内总气量持续增加、CO2气体量维持不变的前提下，窑气的 CO2气体浓度会明显下降。若用 O2%表示窑气含O2量，可以推导出以下公式：%)(209.02O理想窑气量漏入空气量漏入空气量 窑气量漏入空气量%209.0%22OO 经过修正可以得到以下公式：209.0%209.0%100)%209.0%1)(209.0(22222OCOOObabaCO理想浓度窑气浓度窑内（2）如果遗留空气量以未燃烧空气为主，则要明确未燃烧固定碳给碳酸盐分解率、CO2气体浓度造成的影响。考虑到窑内燃烧不充分的空气会影响燃料燃烧率，导致煅烧区不断缩小，因此，如果将窑气含 O2量设为 O2%，可以推导出以下公式：窑气量未燃烧空气量209.0%2O 209.0/b空气总量 窑气量空气总量未燃烧空气量bO%2 其中，a 是指计划煅烧碳酸盐和未能顺利煅烧的同物质的比值。b 是指计划燃烧固定碳和未能彻底燃烧的同物质的比值。此种情况下，有关人员可通过以下公式对 CO2气体产量、窑气量分别加以计算：窑气量产量bObabaCO%)()(22 窑气量窑气量bOaba%)209.0(2 通过上文的分析可知，在氨碱法生产过程中，窑气指的是吸收塔内吸收液吸收 CO2气体所释放的混合气体，窑气中氨气浓度和 CO2气体浓度会受到 O2浓度的影响。一方面，O2浓度偏高会促进窑气中氨气和 CO2气体发生反应，从而增加氨基碳酸铵的生成，进而导致窑气中氨气浓度持续降低。因此，在生产过程中，有关人员需要严格控制窑气含 O2量，确保窑气中氨气浓度始终在适当的范围内浮动，从而保证生产效率、产品质量。另一方面，窑气 O2浓度的变化会影响窑气中CO2气体的浓度。若窑气 O2浓度较高，则会促进 CO2气体的吸收和反应，从而降低窑气中 CO2气体的浓度，换言之，窑气含 O2量会对其 CO2气体浓度产生重要影响。综上所述，窑气含 O2量与窑气浓度密切相关，需要在生产过程中进行合理的控制与调节，确保窑气中氨气、CO2气体的浓度符合要求，从而使生产的效率以及产品质量达到理想水平。3.2 含 CO 量 实践经验表明，虽然形成 CO 气体的因素较多，但正常情况下，窑气 CO 浓度普遍偏低，仅有遇到停窑、减风、燃料聚集或窑内结瘤的情况时，窑气 CO 浓度才会明显增加。分析发现，若仅考虑物质的量这一指标，则 CO 气体与 CO2气体的关系为 1:1，简单来说，就是窑气含 CO 气体量每增加 1 份，CO2气体量便会减少 1份，与此同时，其他组分含量、窑气体积不变4。CO 气体含量对氨碱法中窑气浓度的影响比较复杂，主要体现在以下几方面：首先，CO 是一种有毒气体，高浓度的 CO 会对人体和环境造成危害，因此，在生产过程中，需要控制 CO 气体的含量，以确保生产环境的安全。其次，CO 气体的存在会对窑气中氨气和 CO2气体的浓度产生影响。CO 气体可以与氨气发生反应，生成氮气和水蒸气，导致窑气中氨气浓度持续降低。最后，CO 气体的存在可能影响窑气中 CO2气体的浓度。这是因为 CO 气体可以与 CO2气体发生反应，生成 CO 气体和碳酸氢铵，使得窑气中 CO2气体浓度的降低。综上所述，CO 气体含量对氨碱法中窑气浓度的影响较为复杂，需要在生产过程中进行合理的控制和调节，确保窑气中氨气和 CO2气体的浓度在适当范围内，同时保证生产环境的安全，有关人员应对此引起重视。4 计算窑气浓度的公式 中国科技期刊数据库 工业 A-55-4.1 原始公式 4.1.1 物质的量 物质的量是描述物质数量的物理量，通常用摩尔作为单位。物质的量与物质的质量、物质的摩尔质量有关，摩尔质量指的是一个物质中含有 1 摩尔基本粒子的质量，通常以 g/mol 为单位，例如，氧气的摩尔质量是32g/mol，这意味着1摩尔的氧气质量为32g5。物质的量在化学反应和物质计量中发挥着极为重要的作用，可以用来计算物质的质量、体积和其他性质，这点应有所了解。窑气物质的量包括 CO2气体对应物质的量、总物质的量。其中，窑气 CO2气体主要源于燃料燃烧所形成CO2气体、石灰石所含 CaCO3以及 MgCO3组分，换言之，燃料所含固定碳、CaCO3以及 MgCO3对应物质的量的总和，即为窑气 CO2气体对应物质的量。而对于总物质的量，由于 C 和 O2相遇并生成 CO2气体的过程中，气体对应物质的量不会发生改变，空气所含 O2被 1:1 替换为CO2气体，这表示无论是燃烧所产生的气体还是空气，其各组分对应物质的量、体积均与燃烧前相同，加之空气所含 O2的体积比通常是 20.09%，这表示反应所生成混合气体所含 CO2气体的体积比同样是 20.09%，由此可以推导出以下公式：)209.0/1(碳物质的量混合气体物质的量 混合气体物质的量物质的量物质的量窑气物质的量33MgCOCaCO 4.1.2 理论浓度 氨碱法生产中窑气的理论浓度取决于生产过程中所使用的原料和反应条件。在氨碱法中，窑气主要由氨气和 CO2气体组成，另外，还含有少量的水蒸气、氮气和 CO 气体。在氨碱法的主要反应中，氨气和 CO2气体通过吸收塔吸收反应生成尿素，据此可以计算出理想条件下生成尿素所需要的氨气和 CO2气体的摩尔比。然而，实际生产中的窑气浓度受到多种因素的影响，例如，原料的纯度、反应条件、反应效率均会影响窑气浓度，因此，窑气理论浓度需要根据具体的生产工艺和实际情况进行计算和调整。一般来说，窑气的理论浓度可以根据生产装置的设计参数和反应平衡条件计算，需要考虑原料的摩尔比、反应温度、压力等因素，此外，在实际生产中，还需要对窑气进行分析和监测，确保窑气中氨气和 CO2气体的浓度在合适的范围内，保证生产的效率和产品的质量。相关计算公式如下：%100)209.0/1(12/%3.84/%100/%12/%3.84/%100/%100)(333322CFMgCOCaCOCFMgCOCaCOCOCO窑气总物质的量物质的量窑气体积百分数理论浓度窑气 其中，CaCO3%是指石灰石所含 CaCO3对应的质量百分数；100 是指 CaCO3对应的摩尔质量。MgCO3%是指石灰石所含 MgCO3对应的质量百分数；84.3 是指 MgCO3对应的摩尔质量。F 是指配焦比。C%是指燃料碳质量。12是指 C 对应的摩尔质量。其中，配焦比是指在炼焦过程中，用于制造高品质焦炭的焦炭矿石和焦炭矿石的混合比例，配焦比的选择对炼焦炉的操作、焦炭质量有重要影响。在选择配焦比时，有关人员要考虑以下因素：一是焦炭需求，基于炼焦炉的产能和焦炭实际需求量，确定所需焦炭的产量。二是焦炭质量要求，根据灰分、硫分等焦炭质量指标，选择合适的矿石混合比例。三是矿石质量，综合考虑所使用焦炭矿石的固定碳含量、挥发分含量等特性，选择合适混合比例。四是经济性，根据矿石的价格和供应情况，优化矿石混合比例，由此降低生产成本。一般情况下，高品质的焦炭要求使用高固定碳、低灰分和低挥发分的焦炭矿石，低品质的焦炭可以使用质量较差的矿石，配焦比的选择需要综合考虑以上因素，以达到所需的焦炭质量和经济效益。4.1.3 理想浓度 生产过程中，燃料、石灰石无法通过一次燃烧完全分解，导致窑气 CO2气体实际浓度和理论浓度不同。有关人员通常将不含 O2、CO 气体的窑气视作理想窑气，出于缩小浓度差距的考虑，需选择配合比确定的混合料，通过扩大参数量的方式，使燃料燃烧率、碳酸盐分解率与 CO2气体浓度计算公式充分结合，由此确定窑气 CO2气体理想浓度。研究发现，若燃料燃烧率、碳酸盐分解率均达到 100%，则窑气 CO2气体理想浓度与理论浓度相等。除此之外，窑气含 O2气体量、含 CO 气体量同样会影响窑气 CO2气体浓度，鉴于此，在分析窑气时，有关人员既要考虑 CO2气体，同时也要考虑 O2、CO气体，将窑气 CO2气体理论浓度和理想浓度作为基础，对 O2、CO 气体所带来影响进行推导，为后续工作的开展奠基。4.2 修正后公式 通过分析可知，窑气组分遵循以下规律：混料石灰窑对应窑气组分的 CO2气体浓度受 O2、CO 气体影响，中国科技期刊数据库 工业 A-56-通常会随着 O2、CO 气体总量的增加而下降。由此可以得出，修正后窑气 CO2气体实际浓度为：%-222COOkCOCO理想浓度窑气实际浓度 修正后窑气 CO2气体理想浓度为：%222COOkCOCO实际浓度理想浓度窑气 理想浓度通常代表混合料 CO2气体浓度的最高值，由配合比、燃烧料燃烧率和碳酸盐分解率决定，可以为后续调整配焦比提供可靠依据。需要注意的是，一味地缩小实际浓度、理论浓度的差距，并不能够保证氨碱法发挥出应有作用，鉴于此，在实际工作中，有关人员应考虑石灰煅烧情况，根据混合料粒度品质，对浓度下限及上限加以确定。修正后窑气 CO2气体浓度为：)%209.0%1(209.0%12/%)3.84/%100/%(%12/%)3.84/%100/%(2233332OOrCFMgCOCaCOrCFMgCOCaCOCO浓度窑气 其中，O2%是指窑气含 O2气体量。CO%是指窑气含CO 气体量。%是指碳酸盐分解率。r%是指燃料燃烧率。5 结论 通过分析可知，氨碱法中窑气浓度的影响主要体现在两个方面：一是窑气中氨气和 CO2气体的浓度会影响氨碱法反应的效率。氨气是氨碱法的重要原料之一，氨气浓度越高，反应效率越高，另外，CO2气体的浓度同样会影响反应的推进，高浓度的 CO2气体将抑制反应的进行，降低反应效率。二是窑气中的气体浓度会对环境产生影响。高浓度的氨气和 CO2气体极易对周围环境造成污染，影响空气质量和生态环境，因此，在氨碱法生产过程中，有关人员需要控制窑气中气体浓度，减少对环境的影响。综上，窑气浓度的变化会直接影响氨碱法反应的效率和环境的影响，鉴于此，在生产过程中，应对窑气中的气体浓度展开实时监测和控制，将氨碱法给环境造成的负面影响降至最低。参考文献 1顾元鹏,刘鸿浩,潘学彬,等.氨碱法蒸馏塔热量平衡分析J.纯碱工业,2022,(06):23-26.2万李,应虎,肖燕军,等.氨碱法蒸馏系统 300 m3 预灰桶搅拌桨流场数值模拟分析J.化学工业与工程,2022,39(06):117-126.3邬建国,杨红亮,张洋,等.石灰纯碱法盐水精制生产控制技术评述J.盐科学与化工,2021,50(03):37-39.4邱国亮,靳均敏,赵明荣,等.氨碱法制纯碱工艺蒸吸流程优化J.纯碱工业,2020(05):24-26.5张伙荣,李正国,李征徐,等.石灰窑气 CO_2 浓度数据偏差原因分析J.纯碱工业,2020(04):33-36.