化学工业的节能减排技术.docx

《贵州省中小企业节能减排知识手册》

贵州省科技厅
贵州大学
二○○八年五月

第十章 化学工业的节能减排
1. 化工行业现状简介
1.1 化工行业现状
化学工业是我国重要的基础原料产业，是国民经济的重要支柱产业，化学工业在国民经济各部门配套服务、支援农业和国防建设等方面发挥着越来越重要的作用。
改革开放20多年来，我国化学工业已形成盐化工、煤化工、石油化工、酸碱、林产化工等20多个行业的完整的工业体系，化工产品的品种和规格达4万多个，电石、燃料、合成氨、化肥、纯碱跃居世界第一；农药居世界第二；乙烯、轮胎、涂料、合成材料等也名列前茅。总之，我国现已进入世界石油和化工生产、消费大国行列。但由于工艺技术及装备与国际水平相比相对落后，化工行业不仅是我国耗能大户，也是环境污染大户。
我国化学工业每年消耗的煤炭1亿多吨，天然气100多亿立方米，原盐3800多万吨，化学矿近6000万吨，天然橡胶近170万吨。但化石资源人均占有量很低，人均石油储量只有世界平均水平的1/8，天然气仅为1/25，只有煤的人均储量与世界水准接近。石油、天然气供求矛盾突出已成为制约我国化学工业发展的“瓶颈”因素之一。据最新的全国矿产资源储量套改统计结果，磷矿等8种主要化工矿产资源可利用的基础储量不足该类矿产总量的1/3，低于全国各种矿产资源的平均水平。资源状况不容乐观已经成为影响我国化学工业未来发展的重要因素。然而，资源的消耗却是巨大的。
化工行业年排放工业废水30亿吨,工业废气14亿m3，产生的固体废弃物8400万吨,分别占全国工业“三废” 总排放量的16%、7%和5%，位居第一、第四和第五位。
1.2 贵州省化工行业现状
贵州省是西南地区的资源大省，依托其丰富的磷、煤、铝、钡等矿产资源形成了以磷复肥、黄磷、钡盐为主导产品的化学工业模式。
贵州高浓度磷复肥、黄磷、钡盐工业在生产技术和装置水平、生产能力等方面在国内已经占有不可替代的重要地位，在国际同行中也享有较高的知名度。贵州现已建成全国最大的磷化工基地和钡盐生产基地；磷酸二铵产量居全国第一，目前占全国总产量的２５％以上；黄磷产量居全国第二，约占全国产量的２５％；碳酸钡产量约占全世界消费量的５０％，是世界上最大的生产和出口基地，２００４年出口量超过２５万吨。贵州高浓度化肥的生产技术已达到国际先进水平，对全国高浓度磷复肥的发展起到了很大的促进作用。
据不完全统计，贵州化学工业2004年全行业销售收入约为174亿元，较“九五”末2000年全行业销售收入60亿元，净增１１４亿元，约占2004年全省GDP的10％，约占全省工业销售收入的１６％。2004年贵州省化工行业出口创汇达2.5亿美元。2004年贵州省磷化工，包括磷复肥、黄磷、磷酸盐和磷矿石的销售总收入约80亿元，占全省化工行业销售收入近一半，已经成为贵州省支柱产业之一。其次是橡胶制品销售收入近30亿元，也占有较大比重。 　　
近十年贵州省化工行业高速发展，培育了一批大型骨干企业，初步形成了“开阳－息烽－修文－贵阳”和“龙里－贵定－福泉－瓮安－都匀”两条磷化工产业带及清镇、六盘水为中心的煤化工区，确立了贵州磷化工在国内的优势地位。到2004年，贵州省销售收入或产值达到、超过30亿元的企业已有贵州宏福实业开发总公司和贵州轮胎股份有限公司等两户企业；销售收入或产值超过10亿元的企业有贵州赤天化(集团)有限公司、贵州开磷(集团)有限公司、贵州西洋肥业、贵州遵义碱厂、贵州华能焦化制气有限公司、贵州红星等七家。
贵州省化工主要以重化工为主，“三废”排放多，环保压力大，远未达到循环经济模式的要求。以磷化工为例，预计到2010年贵州高浓度磷肥生产能力将达到200万吨，达产后每年排出磷石膏将达到1200万吨；黄磷生产能力将达到40万吨，每年排出磷渣将达350万吨，两者共计1550万吨。现在这些“工业垃圾”只少量用于生产水泥、水泥缓凝剂、磷石膏墙体材料等，其余的均置于碴场堆存，若不加大利用力度，将对生态环境造成严重危害。
2. 化工行业节能技术
化学工业是能源消耗和三废排放的重点产业，也是发展循环经济、节能减排潜力很大的行业。化学工业的主要高耗能产业是化肥、黄磷、电石、烧碱等。
2. 1 电石工业
2007年修订的电石行业准入条件规定，新建电石企业电石炉初始总容量必须达到10万千伏安及以上，其单台电石炉容量≥2.5万千伏安。新建电石生产装置必须采用密闭式电石炉，电石炉气必须综合利用。鼓励新建电石生产装置与大型乙炔深加工企业配套建设。
现有生产能力1万吨（单台炉容量5000千伏安）以下电石炉和敞开式电石炉必须依法淘汰。2010年底以前，依法淘汰现有单台炉容量5000千伏安以上至12500千伏安以下的内燃式电石炉。
为电石行业开展清洁生产提供向导的《清洁生产标准--电石行业（HJ/T430-2008）》已发布，并将于今年8月1日起实施。该标准将清洁生产指标分为六类，即生产工艺与装备要求、资源能源利用指标、产品指标、污染物产生指标(末端处理前)、废物回收利用指标和环境管理要求。其中每一类又分成三个级别，一级代表国际清洁生产先进水平，二级代表国内清洁生产先进水平，三级代表国内清洁生产基本水平。
(1) 节能目标
《清洁生产标准--电石行业（HJ/T430-2008）》规定，每生产1吨电石，标煤消耗至少低于1.2吨，电炉电耗至少低于3400千瓦时／吨，焦炭单耗至少低于0.63吨，石灰单耗至少低于1.05吨，水的单耗至少低于2吨；每千克电石的平均发气量至少大于280立升；而废物的利用率均要求达到100％。
(2) 节能技术
密闭式电石炉是指CO气体必须综合利用，正常生产时不允许炉气直排或点火炬。
① 新建密闭式电石炉，容量必须在1.65万kVA 以上，并且配套炉气余热回收利用装置。高温炉气不允许直接排放。改扩建新增电石炉生产规模不得小于年产4.5万吨，除电力有余、外送困难地区，新建电石炉容量要尽可能在15000千伏安以上。改、扩建项目应采用节能型新工艺和高效设备。禁止再建敞开式电石炉。电石炉采用自焙煤砖做炉衬。
② 推广炉气干法净化，回收利用电石炉气，大中型电石炉采用配料密闭和自动上料系统，采用空心电极生产技术。
③ 现有单台炉容量1.25千伏安及以上的内燃式电石炉，2010年底以前必须改造为合格的内燃式电石炉，鼓励改造为密闭式电石炉。改造的电石炉要求采用先进成熟技术，保证电石炉的安全、稳定和长周期运转。合格的内燃式电石炉具体要求如下：
 　　a）内燃式电石炉炉盖四周仅留有操作孔和观察孔，开孔面积占炉盖表面积的10%以下。
 　　b）采用原料破碎、筛分、烘干设备，确保原料粒度、水分达到工艺要求。
 　　c) 采用自动配料、加料系统。
 　　d) 电极升降、压放、把持系统必须采用先进的液压自动调节系统，使电极操作平稳，安全稳定可靠。
 　　e) 采用微机等先进的控制系统。

2. 2 烧碱及下游产业链
(1) 节能目标
烧碱工业2010年，吨烧碱能耗(隔膜法、离子膜法加权平均)，由2000年的1435kg标准煤降为1400kg 标准煤。2020年，降为1300kg 标准煤。
(2) 节能技术
① 发展离子膜法生产技术：离子膜电解制碱具有节能、产品质量高、无汞和石棉污染的优点。
我国将不再建设年产1万吨以下规模的烧碱装置，新建和扩建工程应采用离子膜法工艺。2010年，由2000年的24.8%提高到49%左右，2020年，提高到75%。淘汰汞法烧碱工艺。
如果我国的隔膜法制碱改造100万吨为离子交换膜法制碱，综合节能可节约标煤412万吨。
② 采用扩张阳极、改性隔膜技术改造的金属阳极(DSA)隔膜电解槽。这是近年来氯碱工业中电解过程改进的新技术。理论上，采用扩张阳极与改性隔膜每吨碱可节约直流电147kWh ，经济效益十分可观。
③ 采用大型可控硅整流机组；有载调压—变压—整流机组和计算机控制技术；提高盐水质量，实现长周期稳定运行；
④ 液体烧碱蒸发技术(三效逆流改造三效顺流)。采用三效逆流比三效顺流可更充分合理地利用加热蒸汽的热量，生产每吨碱可节省蒸汽一吨。
⑤ 高速自然强制循环蒸发器。采用高速自然强制循环蒸发器，可节省400万～500万吨蒸汽，全国按节省强制循环泵每吨碱节电30kWh，全行业年节电1.5亿 kwh。
⑥ 滑片式高压氯气压缩机。采用滑式高压氯气压缩机耗电85kWh，与传统的液化工艺相比，全行业年可节电23750万 kwh，同时还可减少大量的“三废”排放。碱厂现有纳氏泵应逐步更新为压缩机。
(3) 下游产业链节能技术(附加PVC生产的节能技术)
聚氯乙烯行业节能减排的主要课题应围绕降低电石消耗开展。在聚氯乙烯生产工艺中，单体精馏过程有一部分尾气直接对空排放，尾气中单体体积分数平均为15%，乙炔体积分数为2%，这部分气体的放空不仅增加了电石原料的消耗，而且又严重污染了大气。采用变压吸附装置利用吸附剂在相同压力下易吸附高沸点组分，不易吸附低沸点组分和高压下吸附量增加，减压下吸附量减少的特性，将被吸附气在一定压力下通过吸附剂床层，C2H3ClC2H2等沸点组分被选择性地吸附，H2、N2等低沸点组分不易吸附而通过吸附剂床层，从而实现C2H3ClC2H2与其他分离。然后在减压下解吸C2H3ClC2H2使吸附剂再生，再进行下一个吸附周期。
精馏尾气通过尾气回收装置，进行吸附解吸后，将解吸气C2H3ClC2H2送入转化器装置重新转化，达到回收目的。工艺流程图如下：

工艺控制指标如下：
被吸附气：压力0.55MPa，温度-5℃
净化气：净化度ρ(C2H3Cl)≤36mg/m3;ρ(C2H2)≤120mg/m3；
输出压力：0.45MPa 输出温度：≤40℃
解吸气：输出压力≥0.05MPa，温度≤40℃
聚氯乙烯精馏尾气变压吸附装置运行后，电石消耗明显降低，净化排放达到国家标准，真正实现了降低消耗，消除污染，增加效益的目的，实现了社会效益、经济效益双赢，也为电石法聚氯乙烯生产拓展了发展之路。
(4) 技术发展趋势
目前世界烧碱生产工艺主要有离子膜法、隔膜法及水银法, 另有少量苛化法。离子膜法能耗低,产品纯度高, 污染小, 操作成本低, 是新建烧碱装置的首选。世界氯碱技术发展总体方向是规模大型化, 节能降耗技术将成发展重点。新建和扩建氯碱产能90%以上将采用离子膜法工艺, 该技术发展方向主要是高性能离子膜和电解槽技术的改进和应用。
PVC 技术发展的主要方向是探索采用价格便宜的乙烷作原料, 用直接氧氯化法生产出低成本的氯乙烯单体; 改造平衡氧氯化工艺, 进一步降低生产成本; 进一步解决聚合体系的稳定性及防粘釜问题； 改进悬浮聚氯乙烯树脂的粒径分布以及开发使用性能更好的专用树脂, 如开发透明度更好的抗冲击氯化氯乙烯-丙烯酸酯接枝共聚树脂, 研制更易于加工的聚氯乙烯薄膜专用树脂,改进丙烯酸酯改性的聚氯乙烯型材专用树脂的生产方法等; 在聚氯乙烯树脂加工应用方面, 通过共聚和共混改性生产具有特殊性能和用途的聚氯乙烯产品,增加产品附加值。
近年来, 中国聚氯乙烯( PVC) 行业产能增长迅速, 在发展中电石法聚氯乙烯仍占据主要地位。由寿光新龙电化集团、北京瑞思达化工设备有限公司全国首创的干法制乙炔新技术成套工业化装置, 耗水量仅是原来的1/10, 因在环保和节能方面的突出优势, 目前已被中国氯碱协会推荐在全国进行推广。
2.3 橡胶行业
橡胶行业是国民经济中消耗能源较大的行业之一，一个年产100万套轮胎企业每小时消耗蒸汽约40吨，消耗电量约7000度。目前轮胎企业用机械式轮胎硫化机硫化1100R20子午胎时，根据轮胎硫化机采取节能措施情况，每硫化一条轮胎可消耗蒸汽约110-180kg。研究开发节能型橡胶加工设备及利用节能技术改造设备，提高设备使用性能，是目前降低橡胶行业能耗的主要措施之一。
2.3.1 节能技术
(1) 炼胎设备节能措施：
① 提高密炼机转子转速和压坨压力；
② 利用智能密炼机控制系统节能；
③ 变速混炼工艺技能；
④ 采用新型转子提高混炼效率。
(2) 高效节能新设备：
① 销钉机筒冷喂料挤出机作热炼供胎；
② 高效工程胎胎面挤出缠绕成型机；
③ 高效六角形钢丝圈挤出缠卷生产线；
④ 子午胎高效多鼓成型机；
⑤ 新型高效内胎接头机；
⑥ 纸塑再生利用平板机；
⑦ 推广吸收式热泵技术；
⑧ 研究开发直接干燥技术；
(3) 轮胎硫化系统节能
轮胎硫化是轮胎生产过程中消耗蒸汽能源的主要工序。轮胎硫化机蒸汽能源的消耗受硫化机结构及硫化工艺的制约，且轮胎硫化机是定型产品，因此硫化机本身的节能潜力有限。
① 硫化工艺
a) 氮气硫化
所谓氮气硫化是蒸汽加氮气硫化，蒸汽加热提供热能，氮气保压节能。因此，氮气硫化高效节能，降低生产成本，提高胶囊使用寿命，减少设备维护修理费用。
b) 等压变温硫化工艺
其工艺是在轮胎用定型蒸汽定型后，在1min内缓慢充入1.4-1.6MPa高压蒸汽，保持若干分钟后充入一次过热水，将热水与高温蒸汽混合，热水循环若干分钟，内温和内压达到过热水的温度和压力，开始硫化。此时关闭热水回水阀，热水停止循环，轮胎逐渐达到正硫化，保压至硫化结束。关闭热水循环后，内温渐降。由于在轮胎硫化过程中大量减少过热水循环运行时间，通过节约热水而节约热能和电能降低生产成本。
② B型轮胎硫化机改用真空泵抽真空
③ 改造硫化机外压蒸汽冷凝水外排方式和泛汽利用
④ 新型节能轮胎硫化设备
a) 电动螺旋式轮胎硫化机
b) 轮胎硫化机组
c) 节能轮胎硫化机
⑤ 热电联产
⑥ 胎硫化机供汽锅炉节能改造
根据轮胎硫化机供汽锅炉供汽量的变化，河南风神轮胎公司对一台20t/h链条锅炉的控制系统进行了改造。改造方案采用了上、下位机控制模式，通过工业因特网相连。鼓风量、引风量、给煤量通过变频器控制燃烧控制系统系统分为鼓风控制、蒸汽压力控制、炉膛负压控制三个部分。锅炉机组控制系统经过改造后，年节电节煤费用约50万元，若全部改造节能更可观。采用变频器控制给煤机，炉排电机速度可有效提高燃烧性能而节能。
(4) 高效节能力车胎设备
① 力车胎(摩托车胎)弹簧反包成型机
② 丁基内胎接头机
③ 液压框式双层内胎硫化机组
(5) 导热油加热技术的应用
导热油取代蒸汽、电加热硫化橡胶制品具有明显的节能效果。导热油的最佳应用温度为100-380度，完全可以满足橡胶制品的硫化要求，目前已在少数橡胶制品生产企业应用，取得了良好的效果。
(6) 橡胶机驱动系统节能措施
① 节电器的应用
② 交流变频调速的应用
(7) 推广废橡胶生产中的节能技术
(8) 淘汰年生产能力小于或等于50 万条的斜交轮胎，或以天然棉帘子布为骨架的轮胎

2.4 化肥行业
2.4.1 氮肥行业
2010年, 吨氮加权平均标煤耗降至1600 kg以下,力争全行业节标煤5 000 kt;通过实施循环冷却水和生产过程污水零排放工程,实现吨氨节水10% ,废渣基本回收利用。
2.4.1.1合成氨节能
中国合成氨生产企业中小型居多,生产规模小,能耗与成本高,部分企业能耗高出世界先进水平近一倍。2005年我国合成氨工业消耗能源约79Mt标准煤,占石油和化学工业能源消耗总量的25.19 % ,是我国化工行业耗能大户。
节能目标
2010年，全国吨合成氨能耗(大、中、小加权平均)，由2000 年的1699kg标准煤降为1570kg标准煤，2020 年，降为1455kg 标准煤。
大、中型装置吨合成氨能耗(煤、油、气加权平均),分别由2000 年的1372kg、1892kg 标准煤降为1140kg、1660kg标准煤，2020年，分别降为1000kg、1555kg标准煤。
2010年，小型装置吨合成氨能耗，由2000 年的1801kg 标准煤降为1700kg标准煤，2020年，降为1650kg 标准煤。
节能技术
(1) 大型合成氨
① 烃类蒸汽转化合成氨装置。一段炉烟气余热回收，降低烟道气排放温度；采用新型催化剂降低进料H2O/C，降低工艺蒸汽消耗量；采用“温和转化”或“换热转化”等设计，改变转化工艺或转化炉型，用燃气轮机驱动空气压缩机，燃气轮机的高温乏气送入一段炉作为补充空气。
② 采用低水碳比高活性的催化剂，提高CO变换率，将变换炉由轴向床改为轴径向床。
③ 采用低能耗的脱碳工艺和新型高效填料
④ 采用新型合成塔内件配以小颗粒、高活性催化剂和合成回路改造。
⑤ 采用干煤粉或水煤浆加压气化，耐硫变换，低温甲醇洗、液氮洗，低压氨合成工艺，全低压分子筛大型空分装置。增设碳黑开路系统，优化气化工况。
⑥ 采用计算机集散控制系统(DCS)，对主要工艺参数实施优化控制。
(2) 中型合成氨
① 以天然气为原料的企业，采用换热式转化炉。
② 以煤为原料的企业。采用优化常压循环流化床间歇气化技术、富氧连续气化技术；采用国内开发的恩德炉粉煤气化和灰熔聚粉煤气化技术。
③ 采用NHD、MDEA、双塔再生等新脱碳工艺；推广轴径向合成塔内件和低温高活性催化剂，提高氨净值；
④ 采用膜分离或变压吸附回收氢技术。
(3) 小型合成氨
① 合成氨生产：推广中低低变换工艺技术，淘汰中变或中串低技术；NHD 脱碳工艺技术；“DDS”及“888”脱硫工艺技术和精脱硫工艺技术；醇烃化精制合成氨原料气技术；推广新型ⅢJ-99、JR、NC 节能型氨合成系统。
低温低压氨合成催化剂，提高氨净值，降低合成压力；采用垂直筛板塔型用于传质传热过程；推广镍基钎焊热管换热器；氨合成过程集散控制（DCS）系统及优化控制系统。
推广全渣循环流化床锅炉；推广蒸汽自给和“两水”(冷却水、污水)闭路循环技术。
② 尿素生产：推广新型高效尿塔内件；合成氨-尿素蒸汽自给技术；采用双塔并联工艺；采用予分离予蒸馏工艺；全循环尿素装置的高压圈汽提法技术；采用DL塔板及螺旋板、波纹管及蒸发式冷凝器等高效传质传热设备。
③ 新型催化剂助合成氨业节能：使用Amomax210H 型预还原催化剂130t ,其汽轮机蒸汽耗量每小时节约5t ,缩短还原时间3～4 d ,节约还原开车费用约500 万元,整个还原期间不但无稀氨水排放,还能产氨100多吨,增加产值约900万元; 使用Amomax210H 预还原催化剂及Amomax210H 氧化型催化剂200t ,可使日产氨量提高11.9%,平均年增产合成氨39 kt ,增产尿素63 kt 。新型氨合成催化剂在国内外39家企业成功应用的效果显示,该产品对合成氨行业的节能减排具有巨大的促进作用。中国石油和化工协会高度评价了这种新型氨合成催化剂。
2.4.1.2 尿素行业
(1) 推广新型高效尿塔内件；
(2) 合成氨-尿素蒸汽自给技术；
(3) 采用双塔并联工艺；
(4) 采用予分离予蒸馏工艺；
(5) 全循环尿素装置的高压圈汽提法技术；
(6) 采用DL塔板及螺旋板、波纹管及蒸发式冷凝器等高效传质传热设备。

2.4.1.3 其他环节节能技术：
① 先进的煤气化技术；节能的脱硫、脱碳技术
② 全面推广两水零排放和氮肥生产节电200 kW·h工程；

2.4.2 磷肥行业
(1) 磷肥行业节能目标：
磷石膏年处理量超过10 000 kt,磷石膏排放量的22%将被综合利用;湿法精制磷酸代替热法磷酸;磷肥行业基本实现污水零排放;平均吨硫酸回收中压/低压蒸汽1 t以上,低温位余热回收率达到10%;硫铁矿制酸烧渣深加工综合利用率达到30%;硫铁矿制酸和冶炼烟气制酸全部采用稀酸净化。
(2) 节能技术：
积极研发、推广磷灰石型磷矿选矿、磷酸二铵联产磷酸一铵、磷石膏制硫酸联产水泥、磷石膏制建材、硫铁矿制酸烧渣深加工综合利用技术。

2.5 黄磷行业节能
黄磷是一种高能耗产品，其单位产品能耗限额指标包括综合能耗、电耗和电炉电耗。现有黄磷装置单位产品能耗限额应符合表10-1要求：
表10-1 黄磷单位产品能耗限额
单位产品综合能耗
tce/t(P)
单位产品电耗 kw.h/t(P)
单位产品电炉电耗 kw.h/t(P)
≤3.60
≤14200
≤13800
注：表中数值是指配合炉料中P2O5含量为24%时的执行标准值，当配合炉料P2O5含量增减时其数值增减按附录A方法计算。单位产品电炉电耗为评价值。

黄磷装置单位产品能耗限额先进值应符合表10-2要求：
表10-2 黄磷单位产品能耗限额先进值
单位产品综合能耗
tce/t(P)
单位产品电耗 kw.h/t(P)
单位产品电炉电耗 kw.h/t(P)
≤3.20
≤13400
≤13200
注：表中目标值是指配合炉料中P2O5含量为24%时的执行标准值，当配合炉料P2O5含量增减时其目标值增减按相关规定方法计算。

新建黄磷装置单位产品能耗限额先进值应符合表10-3要求：
表10-3 新建黄磷装置单位产品能耗限额准入值
单位产品综合能耗
tce/t(P)
单位产品电耗 kw.h/t(P)
单位产品电炉电耗 kw.h/t(P)
≤3.30
≤ 13500
≤13200
注：表中准入值是指配合炉料中P2O5含量为24%时的执行标准值，当配合炉料P2O5含量增减时其准入值增减按附录A方法计算。

2.5.1 节能技术
(1) 针对制磷电炉系统节能措施
提高电炉系统内能量传递效率
(2) 制磷装置系统节能
强调精料入炉，提高原料预处理系统、收磷系统、冲渣系统、污水处理系统的能量利用率
2.5.2 节能案例
1.借鉴南京化学工业有限公司磷肥厂的节能措施来分析制磷过程中的节能技术。
(1) 电炉电耗的影响因素及节能措施
在黄磷生产过程中，电炉系统消耗的电能占黄磷综合能耗的72.86%，故电炉系统的节能工作是其重点。影响制磷电炉系统能耗大小的因素很多，由于电炉电耗或综合能耗的计算，均是按输入电炉变压器的电能(电度数)或输入制磷系统的能量(折标煤)与黄磷产量(吨)之比，因此节能工作包括两方面：一是如何提高黄磷产量(本文不予讨论)；另一方面是如何减少生产过程中各种能量损耗。本文主要讨论黄磷生产中能量(电能)传递过程的损耗和热平衡分析。向变压器输入电能P，经变压器把一次高压电变换成电炉制磷需要的二次电压，通过短网、炉盖产生损耗△P1、△P2、△P3，输入电炉的电能只有P0，然后在炉内通过炉料将电能转换成热能Q(P0=Q)。由于炉壳热损耗、炉气带走热量、炉渣和磷铁带走热量、炉内副反应以及其他热损失(相应用△Q4、△Q5、△Q6、△Q7、△Q9和△Q8表示)，真正用于磷酸盐还原反应的热量为Q0。根据资料和该厂对制磷电炉热平衡测试的数据(见表10-4)看出，黄磷生产过程中能量传递效率(η)和各种损耗(∑△P/P、∑△Q/P)有关，即能量传递效率和变压器损耗△P1/P、短网损耗△P2/P、炉盖涡流损耗△P3/P、炉壳热损耗△Q4/P、炉渣带走热损耗△Q6/P、炉气带走热损耗△Q5/P、磷铁带走热损耗△Q7/P、以及炉内副反应消耗热量(△Q9/P)有关。而这些损耗又和电炉结构及其几何尺寸、电气参数、磷矿化学组成、优惠工艺指标控制有关，因此η值大小代表制磷电炉的生产水平高低。下面就上述各种损耗及相关的节能措施进行讨论。

数据
来源
热量消耗(%)
△P1/P
(变压器)
△P2/P
(短网)
△P3/P
(炉盖)
△Q4/P
(炉壳)
△Q7/P
(磷铁)
△Q6/P
(炉渣)
△Q5/P
(炉气)
△Q8/P
(其他)
(△Q9+Q0)/P
(化学反应)
南京磷肥厂
1.5
72.3
12.1
34.0
50.2
29.3
72.6
23.51
54.25
参考
文献
1.40
0.60
0.20
6.80
0.40
29.30
4.10
1.70
55.50
参考
文献
热幅射损失
27.70-36.00
4.0-4.3
—
50.0-54.2
表10-4 制磷电炉热平衡测试值
① 变压器损耗△P1/P，包括铜损和铁损。变压器损耗大小决定于其设计和制造水平(不属本文讨论范围)，但纵观我国较早投入运行的磷炉变压器，总损耗是额定变压器容量的1.5%-2.0%。若在新建或扩建相同规模黄磷装置时，应对变压器提出低损耗要求，即采用节能型磷炉变压器，其总损耗只有原来的一半，全年的节电量十分可贵。
② 短网损耗△P2/P，包括铜(铝)排、软母线、电极夹持器的损耗。从变压器二次侧出线端头到电极的二次母线总称短网。
虽然电炉短网长度不大，但流经短网的电流极大，故其损耗大小决定了取自电网的能量最有效地输入电炉和制磷装置的效率。从表10-5看出该厂短网损耗为2.31%，远大于国外的大型电炉0.60%，其原因可从短网形式、结构、材质等方面进行分析(见表10-6)。
为了找出小型电炉短网损耗大的原因，对电炉短网进行测试，其结果如表10-5。
从表10-5看出，短网损耗主要集中在铝母排损耗和电极夹持器与电极接触损耗这两项，其原因分析如下：
a） 由于该厂采用两台三相磷炉变压器并联供电，变压器标高偏低，造成铝排长度增加。另外铝排比铜管的电阻大，铝排比铜管的邻近效应和集肤效应较强，通过同样电流时铝母排损耗大就不足为奇了。

表10-5 小型电炉短网各部分损耗(△P2/P，%计)
变压器二次侧引线与铝母排接触损耗
铝母排损耗
铝母排和铜母线接触损耗
软铜母线损耗
电极夹持器与电极接触损耗
累计
0.06
1.10
0.23
0.04
0.88
2.31

表10-6 短网形式、结构、材质比较
名 称
小型电炉装置
大型电炉装置
变压器型式
1台三相变压器
3台单相变压器
母排型式
矩形截面母排(铜或铝)
通水冷却铜管
软 母 线
软铜线
软铜片
颚板型式
2块半圆形颚板、人工压紧
10块颚板用液压压紧
短网形式
短网采用炉旁三角形，母排上流过的是相电流，软母线流过的是线电流
短网通过电极接成三角形，短网上流过的是相电流、电极上流过的是线电流
评 价
三相布置不对称、短网长度长、炉内电极功率分配不均匀
三相布置对称、短网长度短、炉内电极间功率分配均匀

b）石墨电极公称直径为400mm，由于加工误差(实测为395-408mm)，而钳式铜瓦(两片)内直径为400mm，因此铜瓦内侧和电极接触不完全吻合。根据长期对铜瓦清理中发现，它们的接触面积还不到铜瓦内侧表面积的1/3，严重时可明显观察到两者间的间隙，故实际接触电流密度远大于2A/cm2。另一方面，铜瓦和电极的接触电阻与接点上压力的F1/2成正比，钳式铜瓦的电极夹持器用人工操作不易压紧，造成接触电阻增加，这些均导致两者接触损耗增加。根据以上分析，大型电炉短网配置较合理，但对小型电炉而言，不能照搬大型电炉短网配置，而应考虑电炉负荷大小、投资多少、设备制造等综合因素作出合理选择。亦可在现有基础上作一些改进：首先避免采用两台三相变压器并联供电，尽可能靠近电炉安装，适当提高变压器标高，减少短网长度，采用铜排代替铝排，这样虽增加投资，但由此节约电能，取得的经济效益远大于投资增加；其次可将钳式铜瓦由2片改为4片，用液压装置代替人工操作，这样可降低铜瓦与电极的接触损耗。
③炉盖部分涡流损耗△P3/P，包括炉盖和电极水封的涡流损耗。为防止炉气漏出，耐热混凝土炉盖外层采用钢炉盖并和钢外壳联接，当载有大电流的电极穿过钢炉盖时便感应产生涡流，使部分电能转化成热能散发而损失。通常大型电炉炉盖涡流损耗为0.2%，而该厂为2.13%，是前者10倍。为便于分析，须从炉盖结构和材质两方面进行比较。大型电炉电极通过炉盖时为避免炉气逸出，一般采用“干封”结构(即填料函密封)，炉盖钢板采用抗磁不锈钢，钢炉盖分割成4块，彼此间绝缘，和钢壳体亦采取绝缘处理，因此钢炉盖部分涡流损耗很小。我国中小型电炉的电极通过炉盖时，为避免炉气逸出一般采用“水封”结构，水封和钢炉盖均采用碳钢，其损耗实际上包括炉盖和水封两部分损耗(见表10-7)。

表10-7 钢炉盖各部分损耗(△P3/P，%计)
炉盖总损耗
其中钢炉盖损耗
其中水封损耗
2.13
0.55
1.58
为了降低中小型电炉炉盖部分涡流损耗，照搬大型电炉炉盖结构亦不切实际(因需向炉盖填料函内通入氮气)，国内一般采用三种方法：
a） 取消钢炉盖。此法虽消除了钢炉盖涡流损耗，但由于耐热混凝土炉盖密封性能差，炉气容易泄漏，而且在高温下(电炉生产不正常和电炉开、停炉时)和受力时(电极倾斜或电极折断事故的处理)炉盖易损坏，加上仍采用水封，故实际节能效果不显著而不易推广。
b） 钢炉盖仍采用碳钢，有水冷夹套，但将钢炉盖分割成三块，用不锈钢焊条进行焊接并形成10mm宽、厚20mm焊缝进行割磁，但效果不佳，测定结果如下：

碳钢焊条 不锈钢焊条
二次电流 6 200A 6 200A
室内温度 35℃ ≈35℃
炉气温度 200-230℃ 230℃
钢盖中心点温度 280-300℃ 280-300℃
c） 用抗磁不锈钢板(1Cr18Ni9Ti)制作炉盖并取消炉盖水冷却夹套。从表10-8看出，炉盖材质改用抗磁不锈钢后，炉盖中心点表面温度从碳钢炉盖的280-300℃下降至110℃，涡流损耗从0.55%下降至0.40%，效果尚可。小型电炉炉盖涡流损耗主要为水封涡流损耗，故电极水封材质亦须用抗磁不锈钢，经测定节能效果明显(见表10-9)。

表10-8 抗磁不锈钢炉盖的节能效果
项目名称
抗磁不锈钢炉盖
碳钢炉盖
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
电炉功率/kW
2 078
2 494
3 013
2 000
二次电流/A
6 857
7 200
7 919
6 200
室内温度/℃
15
4
25
35
炉气温度/℃
200
200
210
200-230
炉盖中心表面温度/℃
110
128
161
280-300

表10-9 水封材质对涡流损耗的的影响
材 质
电炉功率/kW
二次电流/A
涡流损失/1
#1
#2
#1
#2
#1
#2
碳 钢
2 300
3 000
8 800
8 600
1.75%
1.62%
抗磁不锈钢
1 500
4 100
6 600
11 800
0.50%
1.07%
为了降低能耗，在电炉强磁场周围的设备和部件的材质亦应尽可能采用抗磁不锈钢，例如靠近软母线的下料管，其涡流损耗亦不容忽视。经测定，靠近软母线的下料管在不同高度处其温度在40-70℃。高出的温度即为涡流损耗造成。
④ 电炉炉壳热损耗△Q4/P，从前述计算讨论得知，小型电炉设计时因其电炉内径远大于电炉熔池直径，故其内壁产生“挂料”，因炉衬结构采用保温材料，且炉壳采用自然冷却方式，故其热损耗低，为1 145.95×106 J/t P4，在总能耗中仅占4.05%。而大型电炉炉衬结构中没有采用保温材料，炉壳采用喷水强制冷却使其内壁产生“挂料”，炉壳热损耗为2 591×106 J/t P4，在总能耗中占6.8%，远大于小型电炉炉壳热损耗。故对小型电炉而言，炉壳采用喷水强制冷却是不合适的。
上述结论是在电炉处于正常状态下得出，如果对电炉设计不合理或操作不当，炉壳热损耗就会大幅度增加。例如在电炉输入功率和内径不变的情况下，电极布置圆直径选择过大，造成流向炉壁电流增加，炉壁“挂料”减薄甚至消失。同样，如果炉料“焦比”选择过小或I/E值选择过大，均会造成电炉熔池直径变大，炉壁挂料减薄甚至消失。以上情况均会使炉壁外壳温度升高而导致炉壳热损耗增加。另外电极位置下移，促使炉渣过热，炉底温度升高而使热损耗增加。因此以上情况应尽量避免，做到合理设计，严格控制电炉生产时的优惠工艺指标。
⑤ 炉气热损失△Q5/P。从炉内进行热交换角度考虑，要求炉内的炉气排出量均匀，尽可能把高温炉气热量加以回收，提高电炉热效率。小型电炉由于流程中没有设置电除尘器，炉气温度一般在250-300℃。受炉气中磷蒸气露点限制，炉气温度不可能再降低。而大型电炉因炉底功率强度大，炉气温度下降梯度小，炉气温度高达500℃，故炉气带走的热量大于小型电炉。但这并非绝对，如果炉料中细粉过多、水分过高，造成炉内料层结拱，实际料层厚度变薄，炉气与炉料进行热交换不充分。如果炉料“焦比”或二次电压选择过高，使反应区上移、料层相对变薄，炉气与炉料进行热交换不充分。以上情况造成炉气出口温度升高，甚至达到500-900℃，这样既恶化电炉操作，又造成了随炉气带出的热损失增加。为此必须加强对磷矿等原料预处理，严格控制电炉操作，避免上述情况发生。
⑥ 炉渣带走的热损失△Q6/P在大型电炉和小型电炉中它们所占的比例较接近。影响炉渣热损耗大小的因素是炉渣量和炉渣温度，因此应选择合适的磷矿(P2O5含量不能太低，CaO含量不宜过高，SiO2含量适宜)以减少炉渣量。同时避免炉渣酸度指标控制过低或过高，以免造成炉渣熔点升高，还应避免炉料“焦比”和二次电压选择过低，造成电极位置偏低，使炉渣温度过高，随炉渣带走热损失增加。
⑦ 磷铁带走的热损失△Q7/P。随熔融磷铁带走热损失约为0.2%-0.4%，一般不易为人们所重视。事实上，由磷铁造成能量损失包括两部分：一部分为熔融磷铁带走热损失，影响其损耗大小的因素是磷铁生成量和熔融磷铁温度；另一部分为因化学反应生成磷铁而消耗能量，此外还造成磷的损失。根据计算，每生成一吨元素磷，因生成磷铁而消耗能量折电耗108 kW·h，占电耗0.78%，再加上0.2%，因此，生成磷铁而造成的能耗约占电耗的1%，再考虑损失磷37.13kg，换算成电耗，两者相加占电耗比例为4.49%，因此其损耗决不能忽视。如果再加上选择磷矿不当或电炉工艺指标控制不当则造成能耗损失更大，必须重视因磷铁而造成的能量损失。
(2) 磷铁生成量多少决定下述因素。
① 磷矿品位(P2O5)。磷的回收率随磷矿品位降低而降低，因此磷矿品位越低，则生产每吨磷所需磷矿量越多。为便于计算，假设磷的回收率和磷矿中Fe2O3含量(1.5%)不变，由磷矿带入电炉的Fe2O3总量随磷矿品位降低而增加(见表10-10)，如果考虑磷的回收率影响，则由磷矿带入的Fe2O3量远大于表10-10中数值，带入Fe2O3量越多自然生成磷铁量就越多。故在生产时选用的磷矿品位不宜过低。

表10-10 随磷矿带入电炉的Fe2O3量(t P4 计)
名称
磷矿中w(Fe2O3)/1
37%
35%
30%
25%
20%
磷矿量/t
6.74
7.13
8.31
9.98
12.47
带入Fe2O3量/kg
101
107
124.7
149.7
187.65

② 磷矿中Fe2O3含量。磷矿中Fe2O3含量和矿种及矿点有关，Fe2O3越高则随磷矿带入的Fe2O3就越多，自然生成磷铁量就增加。
2.6 石油化学工业
2010 年，炼油行业，吨能量因数耗能达到12.2kg 标准油左右；吨乙烯产品综合能耗平均达到630kg 标准油以下；新建大型乙烯项目吨乙烯综合能耗控制在550kg 标油以内。
2.6.1 总体要求