CN103253632B - 一种浆纸厂处理富余氢气的系统及其处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了浆纸厂处理富余氢气的系统及方法，该系统包括依次连接的水洗塔、碱洗塔、碳过滤器、氢气压缩机、冷却器、气液分离器加热器、石灰窑。利用系统处理富余氢气的方法包括以下步骤：（1）将富余氢气进行净化处理；（2）对净化后氢气的处理：将净化后的氢气输送至石灰窑中燃烧利用，即完成了整个处理富余氢气的工作。本发明的优点是：浆纸厂车间收集的富余氢气经水洗塔、碱洗塔、碳过滤器、氢气压缩机、冷却器、加热器彻底净化，将氢气输送到石灰窑中实现循环再利用，并且整个处理过程安全、不会发生爆炸、泄露、及意外情况产生的燃烧，引起事故，该系统可以自动控制，也可以人工手动控制，方便易操作。
Description
技术领域
本发明属于工业生产过程中处理富余氢气，资源循环综合利用的技术领域，具体是一种浆纸厂处理富余氢气的系统及其处理方法。
背景技术
随着国内能源形势越来越紧张，能源成本在生产制造类类企业中占有的比例越来越大，如何在生产过程中实现节能降耗对企业的生产发展都至关重要。一个现代化的采用ECF漂白工艺的百万吨阔叶木浆厂，在其自产漂白剂、制浆蒸煮用碱的化学品工厂生产过程中，典型的全套建有氯碱电解工段和氯酸盐电解工段的化学品车间，生产每吨浆纸会耗用ClO217-19kg、NaOH32-40kg，每天富余的氢气达7.9t/d，单位氢气热值43.2MJ/kg，重油单位热值约38.5MJ/kg，则一个百万吨浆厂每天富余的氢气资源总热值相当于29吨重油。大部分厂家采取直接放空或废弃掉的处理方式，因氢气易燃，因此这样对于废气的处理方式将导致产生潜在的安全隐患和可再生资源的巨大浪费。
据了解，在国外大型浆纸厂同时将该氯碱、氯酸盐两部分氢气一起送到白泥石灰窑燃烧的技术实践，尚无先例，在国内同类工厂，也未见成功应用；即使是氯碱厂，2011年前投产的大部分氯碱厂氢气也是放空、废弃处理，仅有少数厂家因配套建有盐酸合成炉用了少量氢气（进一步用于生产聚氯乙烯、环己烷、糠醇、对氨基苯甲醚等），还有少量氯碱厂改扩建了燃烧氢气的废热锅炉或用作加氢生产双氧水、纯化氢气钢瓶等产品。但这些通过单独投资来建设氢气利用的方法对于大型浆厂显然不是最佳的选择方案，现有技术浆纸厂生产过程后富余的氢气不能燃烧利用的主要原因：1、氢气易爆 、危险。氢气的爆炸极限为4%-74.2% ，非常容易爆炸，在运行过程中要非常小心——从而导致：氢气易爆、危险会影响氢气的燃烧；2、氢气阻火器堵塞。氢气阻火器堵塞后，会使氢气流量降低，阻火器后的压力降低，氢气燃烧量减少，甚至不能燃烧；3、氢气中的水分不能排出。氢气生产及输送过程中的水份如不能除去，会影响输送及燃烧。
发明内容
为了解决现有浆纸厂处理富余氢气可产生潜在的安全隐患和可再生资源的巨大浪费的问题，本发明设计出一种浆纸厂处理富余氢气的系统，及其处理方法，该系统对浆纸厂在生产过程后的氢气净化，再将净化后的氢气利用掉，完成整个处理富余氢气的工作，既消除了以往氢气在进行利用时可能引起的一系列爆炸风险、技术问题和安全隐患，又节约了能源，实现了资源的循环再利用，整个处理系统自动化程度高、操控简便，适合处理工业化生产时产生的富余氢气。
为实现上述目的的技术方案为，首先本发明设计出一种浆纸厂处理富余氢气的系统，包括依次连接的水洗塔、碱洗塔、碳过滤器、氢气压缩机、冷却器、气液分离器、加热器和石灰窑。收集浆纸厂生产车间出来的富余氢气，氢气先经水洗塔水洗降温，再经碱洗塔除去氢气气中的氯气，使氢气得到初步纯化，得到初步提纯的氢气，然后在经过碳过滤器进一步除去仍存在的微量氯气，再将氢气送进压缩机给氢气加压，便于后续冷却器降温去除气体中的水份，气液分离器可使氢气与液体分离，再将氢气经加热器升温，防止氢气输送利用过程中低于露点结露腐蚀管道、出现泄漏爆炸危险。
上述浆纸厂处理富余氢气的系统，还包括串联在氢气压缩机和冷却器之间的分离器。分离器是将氢气中的水分等杂质分离除去气液分离器作用：使氢气冷却器冷凝的水滴通过旋风分离和不锈钢材质的丝网除沫填料捕集下来，达到除水分离、防止后续管道腐蚀的目的。
上述系统包括石灰窑与加热器之间依次串联自动化DCS控制系统、过滤器、阻火器。过滤器作用：滤除氢气流中夹带的管道内微量铁锈、炭过滤器穿漏的碎炭微粒，以防止堵塞石灰窑燃烧枪。阻火器的作用：即燃烧所需要的必要条件之一就是要达到一定的温度,即着火点。低于着火点,燃烧就会停止。依照这一原理,只要将燃烧物质的温度降到其着火点以下,就可以阻止火焰的蔓延。当火焰通过其内部的阻火元件的许多细小通道之后将变成若干细小的火焰。
本阻火器设计时，内部的阻火元件采用特殊金属材质制成、快速散热,则尽可能扩大细小火焰和通道壁的接触面积,强化传热,使火焰温度降到着火点以下,从而阻止火焰蔓延。
经水洗塔、碱洗塔、碳过滤器、氢气压缩机、冷却器、加热器净化后得到的氢气，可以输送至石灰窑中利用，以往石灰窑都是燃烧的重油，本发明的这种设计不仅可以使富余氢气得到循环再利用，还可以节省重油的重量，节省燃料的成本。
上述浆纸厂处理富余氢气的系统中采用的是具有如下结构的石灰窑，包括窑体、支架、燃烧枪、扇形冷却器、斗提机、石灰仓、旋风分离器、螺旋喂料器、以及电除尘装置；燃烧枪固定在窑体内部；窑头、尾两端固定支架将窑体固定在地面上；扇形冷却器固定在窑头位置，其通过斗提机与石灰仓连接；窑尾依次固定旋风分离器、螺旋喂料器，电除尘装置与旋风分离器连接。该石灰窑的型号是LK750-(Ø4500×125000)，此种型号的石灰窑现在是燃烧率比较高的先进型号，是国内最大的单体碱回收石灰窑，产量每台750t/d；窑头温度高，石灰煅烧温度可达1100℃;石灰粒度质量好、纯度高，残余碳酸钙含量≤3%。
上述石灰窑中燃烧枪枪体上依次开有重油输入口、蒸汽入口、氢气通道、天燃气通道、废气回收通道、一次风径向通道、一次风轴向通道。因为此石灰窑会用氢气代替一部分重油，所以在燃烧枪的枪体上增加了氢气通道。
所述加热器与石灰窑之间依次串联自动化DCS控制单元、过滤器、阻火器。过滤器作用：滤除氢气流中夹带的管道内微量铁锈、炭过滤器穿漏的碎炭微粒，以防止堵塞石灰窑燃烧枪。阻火器的作用：即燃烧所需要的必要条件之一就是要达到一定的温度,即着火点。低于着火点,燃烧就会停止。依照这一原理,只要将燃烧物质的温度降到其着火点以下,就可以阻止火焰的蔓延。当火焰通过其内部的阻火元件的许多细小通道之后将变成若干细小的火焰。
本阻火器设计时，内部的阻火元件采用特殊金属材质制成、快速散热,则尽可能扩大细小火焰和通道壁的接触面积,强化传热,使火焰温度降到着火点以下,从而阻止火焰蔓延。
上述自动化DCS控制单元的结构包括依次连接的氢气流量计、氧气分析仪、紧急放空装置。净化后的废气先经氢气流量计计量流量，再经在线氧气分析仪监控氧气含量低于爆炸极限，确保输送到石灰窑中的废气能够安全利用。
本发明还包括利用上述系统处理浆纸厂富余氢气的方法，该方法包括以下步骤：（1）将富余氢气进行净化处理：①浆纸厂生产过程结束后，将收集的富余氢气通入水洗塔，水洗塔的工作压力 0.01 MPa，氢气流量2700～3000NM3/h，水流量253kg/h，水洗15～20s。
②经步骤①处理后的氢气输送入碱洗塔，碱洗塔的工作压力为0.01 MPa ，使用的碱液是质量浓度为140g/L的氢氧化钠，在碱洗塔中氢气流量2700～3000NM3/h ，氢氧化钠流量60～80L/h，碱洗15～20s。
③经②步处理后的氢气输送至碳过滤器中，碳过滤器的工作压力为0.01 MPa，活性炭的吸附、过滤时间12～15s，温度等同碱洗塔出口温度（35℃～40℃）。
④将上步处理过的氢气输送至氢气压缩机中，氢气压缩机的出口压力为0.1MPa，温度为45～50℃，经氢气压缩机后氢气的压力升至0.1MPa。
⑤经④步升压的氢气输送至冷却器进行降温处理，冷却器的温度为5～8℃，将氢气冷却到12～15℃；
⑥经⑤步降温后的氢气进入气液分离器中，使水分从氢气中充分分离出去，气液分离器的温度12～15℃、压力0.08～0.1 MPa；
⑦经上步分离后再把氢气输送至加热器中，加热器的温度为80～90℃，将氢气加热到50～60℃，即可得到净化后的氢气；
（2）对净化后氢气的处理：将净化后的氢气输送至石灰窑中燃烧利用，即完成了整个处理富余氢气的工作。
所述步骤⑤中氢气进入冷却器之前先进入分离器中，分离器的温度为12～15℃、压力为0.1Mpa 。
所述步骤③碳过滤器中炭的强度≥97.5%、浮灰≤0.1%、碘吸附值≥900mg/g、粒度为4～8目、水份≤10。
所述步骤（2）净化后的氢气输送至石灰窑前要先经过DCS控制系统的检测，确定氢气中氧气含量低于爆炸极限后，再经过滤器、阻火器，最后输送至石灰窑中。
所述氢气经过DCS控制系统检测，确定氢气中氧气含量是否低于爆炸极限的方法为：将净化处理后的氢气先送入DCS控制系统中的氢气流量计计量流量，再经氧气分析仪计量氧气的含量，计算出氧气在氢气中的含量，以及氢气的含量，当氢气中氧气的含量小于或等于2.6%时，低于爆炸极限，氢气可输送至石灰窑；当氢气中氧气的含量大于2.6%时，经DCS控制系统中的紧急放空装置排出。
综上，本发明的有益效果：浆纸厂车间收集的富余氢气经水洗塔、碱洗塔、碳过滤器、氢气压缩机、冷却器、加热器彻底净化，将氢气输送到石灰窑中实现循环再利用，并且整个处理过程安全、不会发生爆炸、泄露、及意外情况产生的燃烧，引起事故，该系统可以自动控制，也可以人工手动控制，方便易操作。
现代的ECF漂白木浆厂都具备碱回收白泥石灰窑。在利用石灰窑烧制出石灰时，要消耗大量重油或天然气燃料，而化石能源在可以预见的今后十数年内，将是持续供给偏紧、价格走高，倒逼企业逐步研发新的能源替代产品和节能减排新技术开发，所以本发明设计的这种系统及其方法可利用浆纸厂的富余氢气，送到石灰窑替代重油或天然气的清洁生产的燃烧技术，具有重大的现实意义和社会经济效益。
按照现在浆纸厂生产每吨浆纸每天产生的富余氢气达7.9t/d，单位氢气热值43.2MJ/kg，重油单位热值约38.5MJ/kg，所以石灰窑利用氢气燃烧会得到更高的热值，可以最大限度的代替使用重油烧石灰窑，原先使用重油：吨石灰重油单耗150kg/tCaO，现在由于增加了使用氢气，节省了重油：吨石灰重油单耗下降15kg/tCaO，所以使燃料的成本节省了，也降低了重油能源的消耗，符合国内ECF浆纸业要实现和达到“十二五”规划目标，除了在产业布局方面逐步淘汰落后的草浆产能，增加商品木浆和废纸的利用，适度发展林纸一体化等措施外，还需充分挖掘当前富余氢气这一高效、绿色、优质能源，加快石灰窑烧氢气技术升级，实现了确保在发展造纸产业的同时，不增加或减少重油等化石能源的资源消耗和污染物排放的目的。
附图说明
图1为本发明浆纸厂处理富余氢气系统的结构示意图；
图2为本发明系统中所采用石灰窑的结构；
图3为本发明中石灰窑内部固定的燃烧枪结构示意图；
图中符号说明，1、水洗塔；2、碱洗塔；3、碳过滤器；4、氢气压缩机；5、气液分离器；6、冷却器；7、气液分离器；8、加热器；9、DCS控制单元；91、氢气流量计；92、氧气分析仪；93、紧急放空装置；10、过滤器；11、阻火器；12、石灰窑；13、窑体；14、支架；15、燃烧枪；16、扇形冷却器；17、斗提机；18、石灰仓；19、旋风分离器；20螺旋喂料器；21、电除尘装置；22、重油输入口；23、蒸汽入口；24、氢气通道；25、天燃气通道；26、废气回收通道；27、一次风径向通道；28、一次风轴向通道。
具体实施方式
下面结合附图对本发明内容做进一步说明。
如图1所示的本发明浆纸厂处理富余氢气的系统，包括依次连接的水洗塔1、碱洗塔2、碳过滤器3、氢气压缩机4、冷却器6、气液分离器7、加热器8、石灰窑12。
碳过滤器的主要功能是将碱洗后的氢气再通过碳过滤器去除微量氯气。其主要原理是利用一种特别开发的高强度活性炭的作用，其再生过程利用高温蒸汽再生、热空气/吹扫。
特别设计的除露、防腐蚀技术。氢气压缩、管道输送是该系统最后一个输送环节，配有冷却降温除水换热器、除水后氢气升温换热器防止净化后氢气在此后过程中低于露点再次生成结露。
氢气进压缩机加压后的氢气再去氢气冷却器降温去除水份，换热后再经氢气加热器升温防止输送利用过程中低于露点结露腐蚀管道、出现泄漏爆炸危险。其中氢气的冷却介质为温度5～8℃的冷冻水，冷却后的氢气温度为12～15℃；去除水分后的氢气还需经换热升温至高于露点温度，以确保氢气温度在冬季仍高于露点：加热氢气的换热介质为温度85～90℃的热水，加热的氢气温度为50～60℃。氢气压缩机的参数：选用Nash氢气压缩机,400KW，额定吸气量18000m3/h、额定出口压力0.17 MPa(1.7bar) ，工作时吸气压力0.008～0,01Mpa（80～100mmbar）、出口压力：0.1MPa(配西门子电机)，冷却器、氢气加热器，均为316L材质的不锈钢列管式换热器。
上述的系统还包括串联在氢气压缩机和冷却器之间的分离器5。
本加热器与石灰窑之间依次串联自动化DCS控制单元9、过滤器10、阻火器11。所述自动化DCS控制单元包括依次连接的氢气流量计91、氧气分析仪92、紧急放空装置93。浆纸厂生产车间收集的富余氢气经水洗塔、碱洗塔、碳过滤器、氢气压缩机、冷却器、加热器净化后先经氢气流量计计量流量，再经在线氧气分析仪监控氧气含量低于爆炸极限，确保后续的氢气安全利用。其中氢气流量计、氧气分析仪测得的净化后的氢气的指标：氢气含氯量≤1ppm，氧气含量≤2.5%，压力≥0.1MPa，氢气纯度≥95%，水份≤2.0%，流量≥250kg/h。
本发明采用的石灰窑如图2所示，包括如下结构:窑体13、支架14、燃烧枪15、扇形冷却器16、斗提机17、石灰仓18、旋风分离器19、螺旋喂料器20、以及电除尘装置21；支架固定在窑头、尾两端，用来支撑固定窑体；燃烧枪固定在窑体内部，窑体的窑头固定扇形冷却器，扇形冷却器通过斗提机与石灰仓连接，窑体的末端固定螺旋喂料器和旋风分离器，电除尘装置与旋风分离器连接。
所述石灰窑中燃烧枪如图3所示，燃烧枪上依次开有重油输入口22、蒸汽入口23、氢气通道24、天燃气通道25、回收废气通道26、一次风径向通道27、一次风轴向通道28。
本发明还包括利用上述系统处理浆纸厂富余氢气的方法，该方法包括以下步骤：（1）将富余氢气进行净化处理：①浆纸厂生产过程结束后，将收集的富余氢气通入水洗塔，水洗塔的工作压力 0.01 MPa，氢气流量2700～3000NM3/h，水流量253kg/h，水洗时间15～20s。
②经步骤①处理后的氢气输送入碱洗塔，碱洗塔的工作压力为0.01 MPa ，使用的碱液是质量浓度为140g/L的氢氧化钠，在碱洗塔中氢气流量2700～3000NM3/h ，氢氧化钠流量60～80L/h，碱洗15～20s。
③经②步处理后的氢气输送至碳过滤器中，碳过滤器的工作压力为0.01 MPa，活性炭的吸附、过滤时间12～15s，温度等同碱洗塔出口温度（35℃～40℃）。
④将上步处理过的氢气输送至氢气压缩机中，氢气压缩机的出口压力为0.1MPa，温度为45～50℃，经氢气压缩机后氢气的压力升至0.1MPa。
⑤经④步升压的氢气输送至冷却器进行降温处理，冷却器的温度为5～8℃，将氢气冷却到12～15℃；
⑥经⑤步降温后的氢气进入气液分离器中，使水分从氢气中充分分离出去，气液分离器的温度12～15℃、压力0.08～0.1 MPa。
⑦经上步分离后再把氢气输送至加热器中，加热器的温度为80～90℃，将氢气加热到50～60℃，即可得到净化后的氢气。
（2）对净化后氢气的处理：将净化后的氢气输送至石灰窑中燃烧利用，即完成了整个处理富余氢气的工作。
所述步骤⑤中氢气进入冷却器之前先进入分离器中，分离器的温度为12～15℃、压力为0.1Mpa 。
所述步骤③碳过滤器中炭的强度≥97.5%、浮灰≤0.1%、碘吸附值≥900mg/g、粒度为4～8目、水份≤10。
所述步骤（2）净化后的氢气输送至石灰窑前要先经过DCS控制系统的检测，确定氢气中氧气含量低于爆炸极限后，再经过滤器、阻火器，最后输送至石灰窑中。
所述氢气经过DCS控制系统检测，确定氢气中氧气含量是否低于爆炸极限的方法为：将净化处理后的氢气先送入DCS控制系统中的氢气流量计计量流量，再经氧气分析仪计量氧气的含量，计算出氧气在氢气中的含量，以及氢气的含量，当氢气中氧气的含量小于或等于2.6%时，低于爆炸极限，氢气可输送至石灰窑；当氢气中氧气的含量大于2.6%时，经DCS控制系统中的紧急放空装置排出。
上述实施例仅是本发明最佳实施例而已，一切基于以上所述结构和方法所作出的简单改变，均应落在本发明保护的范围内。
Claims (3)
1.一种处理浆纸厂富余氢气的方法，该方法采用的系统包括依次连接的水洗塔（1）、碱洗塔（2）、碳过滤器（3）、氢气压缩机（4）、冷却器（6）、气液分离器（7）、加热器（8）、石灰窑（12），在氢气压缩机和冷却器之间串联有分离器，加热器与石灰窑之间依次串联自动化DCS控制单元（9）、过滤器（10）、阻火器（11）其特征在于，该方法包括以下步骤：（1）将富余氢气进行净化处理：①浆纸厂生产过程结束后，将收集的富余氢气通入水洗塔，水洗塔的工作压力 0.01 MPa，氢气流量2700～3000NM3/h，水流量253kg/h，水洗时间15～20s；
②经步骤①处理后的氢气输送入碱洗塔，碱洗塔的工作压力为0.01 MPa
，使用的碱液是质量浓度为140g/L的氢氧化钠，在碱洗塔中氢气流量2700～3000NM3/h ，氢氧化钠流量60～80L/h，碱洗时间15～20s；
③经②步处理后的氢气输送至碳过滤器中，碳过滤器的工作压力为0.01 MPa，活性炭的吸附过滤时间为12～15s，温度为35℃～40℃；
④将上步处理过的氢气输送至氢气压缩机中，氢气压缩机的出口压力为0.1MPa，温度为45～50℃，经氢气压缩机后氢气的压力升至0.1MPa；
⑤经④步升压的氢气输送至冷却器进行降温处理，降温处理之前先进入分离器中，分离器的温度为12～15℃、压力为0.1Mpa ，分离之后再进入冷却器降温，冷却器的温度为5～8℃，将氢气冷却到12～15℃；
⑥经⑤步降温后的氢气进入气液分离器中，使水分从氢气中充分分离出去，气液分离器的温度12～15℃、压力0.08～0.1 MPa；
⑦经上步分离后再把氢气输送至加热器中，加热器的温度为80～90℃，将氢气加热到50～60℃，即可得到净化后的氢气；
（2）对净化后氢气的处理：将净化后的氢气输送至石灰窑中燃烧利用，即完成了整个处理富余氢气的工作。
2.根据权利要求1所述处理浆纸厂富余氢气的方法，其特征在于，所述步骤（2）净化后的氢气输送至石灰窑前要先经过DCS控制系统的检测，确定氢气中氧气含量低于爆炸极限后，再经过滤器、阻火器，最后输送至石灰窑中。
3.根据权利要求2所述处理浆纸厂富余氢气的方法，其特征在于，所述氢气经过DCS控制系统检测，确定氢气中氧气含量是否低于爆炸极限的方法为：将净化处理后的氢气先送入DCS控制系统中的氢气流量计计量流量，再经氧气分析仪计量氧气的含量，计算出氧气在氢气中的含量，当氢气中氧气的含量小于或等于2.6%时，低于爆炸极限，氢气可输送至石灰窑；当氢气中氧气的含量大于2.6%时，经DCS控制系统中的紧急放空装置排出。
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