蒸吸工序的工藝選擇與節能途徑

李發榮,馬少波,王占和,楊 波,康林勇

(1.青海昆侖堿業有限公司,青海 德令哈 817000;2.天津渤海化工設計院,天津 300450)

蒸吸工序的工藝選擇與節能途徑

李發榮1,馬少波1,王占和1,楊 波1,康林勇2

(1.青海昆侖堿業有限公司,青海 德令哈 817000;2.天津渤海化工設計院,天津 300450)

通過對蒸吸各種工藝流程的分析,選擇采用大型篩板蒸餾塔和真空蒸餾及二次閃發技術相結合工藝流程,經國產化的篩板式蒸氨塔,使以前無法克服的惡劣繁重的清塔工作變得簡單、容易。同時篩板蒸氨塔具有操作穩定、系統阻力小、生產能力高、塔內結疤少、運行周期長的優點。篩板塔技術的工藝優化和選型是氨堿廠節能降耗的重要途徑。

蒸餾吸收;篩板蒸氨塔;真空蒸餾;節能;防結疤

1 概 述

氨堿法純堿生產中,氨是作為中間介質存在的;在工藝過程中,它是周而復始不斷循環的,而這種循環就是借助于蒸餾和吸收來實現的。蒸吸工序是利用蒸餾設備回收制堿母液及其他含氨雜水中所含的以NH4Cl、(NH4)2CO3、NH4OH等形式存在的氨及二氧化碳。它的設置,使氨在制堿中循環使用成為可能。蒸吸工序處于制堿的主要物料流溶液處理的前端和末端,它是NH3與CO2返回下一個制堿循環的重要連接點,它的工況與生產效果如何是建立全系統良性工業循環的關鍵,也是全廠降低物料消耗與能量消耗的一個重點。冬季生產的供汽與夏季的冷卻作業方面的不利條件,都對搞好蒸氨生產起著制約作用。蒸吸工序在純堿生產工藝中,是一個非常重要的環節,蒸吸工序設備狀況及操作狀況的好壞,直接影響純堿生產成本和能耗的高低。蒸氨能耗約占氨堿總能耗的30%左右,因此,對于蒸吸工序的設備、工藝管理及技改技措管理有著十分重要的意義。

化工生產中,單元操作過程的影響因素,往往是錯綜復雜的,有時甚至是相互矛盾的;因此,工業生產,工藝指標的確定,力求全面客觀,在綜合分析的基礎上做出適宜選擇。氨堿廠蒸餾工藝的設計和操作管理應考慮的因素主要有:

1)盡可能地將NH3和CO2從溶液中驅除,以最大限度減少廢液中的氨和石灰乳消耗量;

2)有效利用熱量交換,減少蒸餾廢液當量和降低廢液溫度,以降低能耗;

3)緩和蒸餾設備的結疤速度,延長其作業周期,減少清塔頻率;

4)尋求較高的設備生產強度。

在實際生產中,通常在行業上評價蒸氨工序工藝與裝備優良與否的標準是:

1)能否提高母液的處理量,各段能力與每套蒸氨裝置的綜合能力相匹配;

2)能否確保蒸氨出氣的冷卻與濃縮合乎規定的要求;

3)能否在降低蒸汽、灰乳、水、電消耗量的條件下,將氨和二氧化碳蒸出完全;

4)能否確保設備管道上氣液物料流的通過能力大、阻力小,并維持穩態流動。

以上4項就是對蒸吸工序產量、質量、消耗、安全與均衡作業的全面要求。

氨堿廠蒸氨過程旨在將含氨溶液,通過蒸汽提餾將其中的NH3和CO2回收循環再用。對工藝完整的氨堿廠來說,重堿分離母液一般與其他含氨溶液分開蒸餾進行氨的回收。分開蒸餾的目的,一方面是為了把部分不含有結合氨的溶液單獨蒸餾加熱以驅出揮發性的NH3和CO2,可以節約石灰,同時還可以將蒸餾液作為其他工藝用水,做到兩次利用;另一方面則可使蒸餾廢液的體積當量縮小,便于處理。需要指出的是氨冷凝液,它含有很高的NH3和CO2,在工藝安排上,習慣將這部分溶液用作回流,以精餾母液蒸氨塔的出氣,并降低蒸汽消耗,但是也有些工廠將它與濾過母液一并處理。蒸吸工序所處理的母液,因其是否經煅燒爐氣預分解,而有熱母液與冷母液之分。采用母液洗滌爐氣流程的堿廠,母液是熱母液;該工序是始于冷母液還是熱母液,對作業的進程和效果都有一定的影響。目前國內多數廠都是使用熱母液蒸氨流程的。

蒸吸氨工序是氨堿法純堿生產的主要氨耗崗位;正常消耗在1.0～1.5 kg/t堿,最好的操作指標可達0.5 kg/t堿;但也有操作水平不高的工廠,單位消耗可能超過5 kg/t堿。

2 蒸吸工序各種工藝流程特點

過程所采用的工藝操作方法,各國都根據各自的研究成果和客觀條件作出各自的選擇。截至目前,常用的蒸氨工藝可以歸納為以下幾種流程:①典型的正壓蒸餾流程;②真空蒸餾流程;③干法石灰蒸餾流程;④固體氯化銨蒸餾流程;⑤大型篩板蒸氨塔和真空蒸餾及二次閃發技術相結合流程。

2.1 典型的正壓蒸氨工藝流程

氨堿廠使用冷母液洗滌爐氣,一方面可以提高母液溫度,降低蒸氨汽耗,另一方面可以脫除母液中的CO2,提高爐氣中 CO2含量,這種典型的蒸氨工藝流程已被國內外眾多堿廠采用,其工藝流程是大致相同的,只是各廠在完善程度上不盡相同而已。

冷母液由冷母液泵送入爐氣洗滌塔上部,煅燒爐出氣從母液洗滌塔下部進入,與母液逆流接觸進行洗滌,吸收母液中的CO2,降低爐氣溫度,提高母液溫度。熱母液從母液洗滌塔出來進入熱母液儲桶,與向生產系統補充的氨水、回收的含氨雜水及作防腐劑的硫化鈉溶液相匯合,用母液泵送往母液蒸餾塔上部預熱段,與蒸氨出氣進行熱交換,母液被預熱,升溫約18～30℃,然后進蒸氨塔的加熱分解端上段的分布器,在填料層中淋灑而下,被下部上來的氣體加熱而分解,使絕大部分CO2及一部分游離氨蒸出,從這一段底部出來的液體即預熱母液自流入預灰桶內。由灰乳泵送來的石灰乳進入高位分配器,經計量槽定量調節后放入預灰桶內,進行加灰反應。多余的石灰乳從分配器上部溢出回流至灰乳儲罐,由于保持回流,分配器內總是充滿的,故能維持穩定的灰乳加入量。

母液與石灰乳在預灰桶內因攪拌混勻而迅速反應,部分NH3、H2O汽逸出,導入蒸氨塔中部。調和液從預灰桶上部出口溢流到下蒸餾段頂圈,液體經逐塊塔板,進行熱量與質量傳遞,分離出氨氣,下降至底圈,成為廢液排出,通過兩級串聯的閃發器(或一級閃發器),廢液因上空被蒸汽噴射器抽引成真空而自蒸發。閃發的蒸汽引入到塔中部或淡液蒸餾塔以利用其熱量。液體則由泵送往渣場,澄清、存放。蒸汽進塔底與液體相向流動,其氨分壓逐圈遞增,從下部蒸餾段頂圈上至空圈,與預灰桶揮發出來的氣體在這里匯合并分離去灰沫,上至加熱蒸餾段底的1塊(或2塊)泡罩塔板,將灰沫洗凈,然后上升至填料層中進行熱、質傳遞,氣體繼續上升到冷凝液精餾圈,驅出液體中一部分CO2與NH3,然后離開主蒸餾段,至蒸氨冷凝器,氣體被冷卻并冷凝直至可滿足下工序對氣體溫度、濃度的要求,然后送往吸氨塔。而冷凝液則流至淡液桶,再用泵抽出經計量后送往淡液蒸餾塔處理。廢淡液從塔底排出,用泵送往化灰或化鹽使用,或經過鈦板換熱器冷卻后送到過濾工序作為堿車洗水使用。淡液蒸餾塔用汽是以二級閃發器的低壓蒸汽送入。淡液塔出氣也單獨經過小冷凝器進行冷凝。其凝液則回流到淡液塔入口上方的塔板或返回淡液桶內。

氨堿廠直接采用冷母液蒸餾的工藝流程為:冷母液由濾過工序母液泵送來,經母液過濾器除去其中的固體雜質后,進入氨氣冷凝器與蒸餾塔蒸出的混合氣換熱,換熱后的熱母液自流進入母液蒸餾塔頂部的預熱段,其他流程與熱母液流程基本相同。

2.2 干法石灰蒸餾流程

干法石灰蒸餾是一項降低蒸氨能耗的有效措施,眾所周知,石灰消化能放出大量的熱,反應方程式如下:

CaO(S)+H2O(l)=Ca(OH)2(S)+66542 kJ/mol

假如在蒸氨過程中這些熱量能直接加以利用,可以大大降低蒸汽的消耗;從理論上講,干石灰蒸餾無論對節汽、節水、強化裝置能力和增濃廢液CaCl2濃度都十分有益。

干法石灰工藝流程,主要包括以下幾個步驟:

1)石灰磨粉:石灰窯煅燒石灰石所得粒度大約100～150 mm的石灰,先粗碎成大約40 mm的碎塊,而后再磨成粒度＜0.15 mm的細粉,合格的石灰粉用空氣輸送到石灰粉倉。

2)干石灰化灰:由蒸氨塔預熱段來的預熱母液在預灰桶內與運來的石灰粉混合進行消化反應,所得調和液由預灰桶底部壓入集砂罐,石灰粉夾帶的砂子在這里分離后,再入洗砂罐,定時用預熱母液和蒸餾廢液分2次洗滌后棄之。調和液則從集砂罐頂部溢出,自壓入蒸氨塔的蒸餾段。預灰桶反應產生的NH3由桶頂引出,被送往蒸氨塔的預熱段。

3)蒸氨過程:預灰桶來的調和液在蒸氨塔蒸餾段內與塔底加入的新鮮汽提餾蒸出氨氣;這些分解反應所產生的NH3按常規直接進入預熱段的下部。蒸餾段底圈放出的廢液,則流經閃發器閃發部分蒸汽后,再稀釋排放到廢液渣場。

4)母液預熱:母液預熱流程類似壓力或真空蒸餾,可以先后在氨冷卻塔、蒸氨塔冷凝器、預熱段換熱后,在預灰桶內與干石灰混合消化。

荷蘭阿克蘇堿業公司的干法石灰蒸餾工藝技術也是在真空狀態下實現的,主要是保證固體粉狀石灰能順利地進入預灰桶,而不致惡化生產崗位環境和造成大量氨的逸散;因此,預灰桶維持平壓或微真空狀態操作和保證把石灰塊粉碎到＜0.15 mm細度是干石灰蒸餾工藝成功的秘訣。

2.3 真空蒸餾流程

蒸氨能耗龐大,為氨堿法整個等價能耗的1/3,而蒸餾廢液帶出的顯熱又占工序能耗的70%,其熱量損耗十分可觀,從降耗節能出發,降低蒸餾廢液排放溫度是工藝矛盾的焦點。因為真空蒸餾系統溫度降低,廢液溫度也無疑會隨之降低,那么液相顯熱損失也相應減少。

根據索爾維堿業公司的研究,真空蒸餾工藝既有降低能耗,又有緩和蒸氨塔蒸餾段和預灰桶結疤的好處,可以延長設備運轉周期。真空蒸餾工藝過程,無論設備還是操作可以說與壓力蒸餾工藝完全一樣,差異僅是蒸氨系統絕對操作壓力值降低;甚至可以將整個裝置處于低于大氣壓力下操作。具體指標各廠各取所需,有的蒸餾段是低壓操作,而預熱段真空操作,預熱桶則采取平壓或微真空操作,這樣的工藝可以叫低真空操作。對整個系統處于真空狀態時,則稱為高真空蒸餾操作。

總之,蒸氨塔的操作狀態是由蒸氨段塔底壓力決定的;同時,也相應決定了整個蒸氨系統的氣、液相的溫度指標。工廠里常見的真空蒸餾工藝是低真空蒸餾系統,并配以高真空淡液蒸餾系統,以直接回收廢液閃發的蒸汽。

2.4 固體氯化銨蒸餾流程

固體氯化銨蒸餾是一種改良型蒸氨過程,它是日本旭硝子株式會社發明的新旭法(NA法)的一個組成部分。在實施用聯合制堿法中冷、鹽析出的氯化銨以固體方式與石灰乳調和蒸餾以回收氨,來實現類似氨堿法生產過程的氨循環,以尋求有效調節氯化銨聯產比例和進一步降低純堿生產的能耗。這就有可能根據氯化銨農肥市場需求,工廠可以自由地選擇聯產氯化銨產量的余地。

固體氯化銨蒸餾工藝流程為:有冷、鹽析結晶所得的氯化銨,經離心分離獲得固體氯化銨,而后通過運輸機械運往預灰桶,在桶內將固體氯化銨與石灰乳調和成漿液后,溢流送入蒸氨塔的蒸餾段。用新鮮蒸汽加熱,氨即因分解反應逸出,經冷卻后,去吸氨工序,達到循環返回聯堿工藝中去。蒸餾廢液可作拋棄處理。固體氯化銨蒸餾的預灰桶也必須在常壓或是微真空狀態下操作,這樣可以使固體氯化銨能順利地運入預灰桶內,而是密封結構不太復雜。該工藝操作方法類似于固體石灰蒸餾,但它不存在在預灰桶分砂的麻煩。

3 蒸吸工序的工藝比較

任何一種工藝都是在特定的條件下產生的,因此評述一種工藝的優、缺點必須要客觀地、因地制宜地分析其利弊關系,然后作出選擇。

1)在純堿行業壓力蒸餾與真空蒸餾是爭論最多的,這是因為這兩種路線關系到蒸餾廢液直接帶出顯熱量相差太大的緣故。根據近年來國內外的使用情況,可以把真空蒸餾工藝歸納出以下幾點好處:

①可以降低能耗,而且數值頗大;

②可以延長設備運轉周期,一般可以做到1.0～1.5年,對提高設備利用率,穩定生產大有益處;

③真空蒸餾的實踐,還證明它有利于降低廢液的含氨;即隨著壓力的下降不僅廢液帶出的顯熱減少;同時,它的氨耗損失也在變小。

2)當然,真空蒸餾也存在著不足之處,它與壓力操作相比,也有以下主要的問題:

①裝置生產強度明顯衰退。不同操作壓力時,單位截面積上的液體流量范圍可以在12～25 m3/h之間變化,而且是與操作壓力成正比的。在正常操作時,自由斷面上的容許氣速受1.4～1.7 m/s所限,超過限額使傳質過程惡化。生產實踐證實,若超越容許氣速范圍,即使采用增加蒸汽量和提高真空度,能力有所提高,但操作指標遭到嚴重破壞,會出現“氣頂”、冒沫等失真現象,這些都是正常生產所不能承受的。也正是因為這個原因,成為了真空蒸餾技術廣泛推廣的限制因素;

②隨著真空度的提高,相關聯的吸氨系統的生產負荷也必須相應降低;同時氣相夾帶的水分隨之增加;

③真空蒸餾還會明顯地影響預熱母液中的CO2驅凈率,低溫對碳酸鹽類的分解遠不及高溫強烈。

根據生產經驗可知,不同操作壓力下,預熱母液中CO2含量隨著壓力降低含量也在逐漸增加,大量CO2進入預灰桶,無疑會引起大量石灰的浪費;與此同時,由于系統溫度較低,也會有可能使一部分過燒石灰,或者說活性低的氧化鈣的利用率降低,損失量在15～25 kg/t不等。欲避免這個缺點,就要求石灰石煅燒適度。

3)干法石灰蒸餾的優點在于利用了石灰消化反應熱。從理論上講依據是充分的。它的主要優越性在于:

①可以直接全部回收固體氧化鈣的水合熱,這部分熱量相當于711.28 MJ/t;

②不需要化灰用水,可以節省大約2 m3/t的水資源,從而做到了真正意義上的節水;

③可以相應地降低蒸餾廢液當量約25%;減少廢液顯熱損失約150.00 MJ/t;

④由于通過蒸氨塔的液體體積當量的減少,似乎蒸氨塔生產能力可以得到提高;

⑤廢液中的CaCl2濃度可以提高30%,對其綜合利用回收副產提供了條件;

⑥廢液帶走的氨絕對量相應減少。

4)從干法蒸餾的優點來看,節能降耗是顯著的;但要達到上述目的,需要解決以下諸多的問題:

①要求石灰石煅燒處于最優化的狀態。從石灰粉化著眼,理應采用小粒度石灰石作為原料更為合理;要保證石灰石在窯內有足夠的停留分解時間,以期盡可能降低返石率,而且還要防止石灰過燒。

②生石灰需要遠距離運輸送往蒸氨工序,因此,無論是在石灰還是蒸氨工序需有一個寬敞的地域用作生石灰的逐級粉碎成細粉末;

③將干石灰細粉運入預灰桶內,壓力操作是不可取的;為了避免預灰桶接口處氨的逸散,桶的操作維持平壓或微真空是必不可少的;

④干法石灰蒸餾使石灰消化過程轉移到預灰桶內進行,使整個反應緩慢和溶液黏度增大,必須延長其在預灰桶中的停留時間,那么只有采取加大預灰桶的容積和強化攪拌的途徑;也許可以通過對干石灰預先適量濕潤進行預粉化來彌補這一缺陷。

⑤干法石灰蒸餾工藝對設備的密封、耐磨、耐蝕性能等相關要求較高,未能達到全面推廣的效果。

從干法石灰蒸餾的優缺點來分析,若能注意揚長避短,節能效率不容低估。

綜上所述,就蒸氨工藝而言,目前所采用的方法都不是完美無缺的,優化的選擇必須根據企業自身的主客觀條件,對綜合技術經濟指標進行不偏不倚的全面評價后,作出取舍。

4 蒸吸工序節能的最佳選擇

4.1 大型篩板蒸餾塔和真空蒸餾及二次閃發技術結合工藝流程

大型篩板蒸餾塔工藝為近年來推廣較快的新技術,使以前無法克服的惡劣繁重的清塔工作變得簡單、容易,可以說這是徹底改變和克服菌帽式蒸氨塔缺點的一次革命。篩板蒸餾塔工藝流程屬于壓力蒸餾的一種,因其具有生產能力大,操作方便、占地面積小等優點,近年來被各廠廣泛采用。

原篩板塔工藝流程為由煅燒車間來的熱母液進入加熱分解段上部、被下部上來的熱氣體加熱蒸出CO2和部分游離氨后,進入預灰桶上部與石灰車間來的灰乳進行反應,使母液中的固定銨變成游離氨。在預灰桶上部蒸出的部分NH3和 H2O與來自加灰蒸餾段蒸出的NH3、H2O以及閃發器閃發回收的蒸汽一起進入加熱分解段底部。調和液從預灰桶下部壓入加灰蒸餾段上部,預灰桶底部砂液用砂泵也送到加灰蒸餾段上部,與塔底進入的加熱蒸汽進行熱量、質量傳遞,蒸出 NH3。液體(廢液)從塔底出來進入一級、二級閃發器、經閃發回收蒸汽后.經廢液泵送至渣場。加灰蒸餾段蒸出的NH3和 H2O汽切線進入預灰桶上部。從加熱分解段出來的NH3、CO2和H2O汽先后進入氨冷凝器和氨冷卻器,用高壓新鮮水進行冷卻,冷至所需溫度后進入吸氨塔,氨氣和冷凝液采用逆流流程,氨冷凝器的冷凝液經“U”型管進入加熱分解段上部,冷卻器出來的冷凝液回淡液桶或熱母液桶與母液混合后,再回蒸氨塔蒸餾進行蒸餾。

4.2 大型篩板塔蒸餾的主要工藝指標完成情況

φ3.0 m篩板塔,m3/(h·座) 140～230

蒸汽消耗,t/t 1.45～1.65

預熱母液CO2,tt 1.0～2.0

廢液含氨,mg/L 30～70

廢液ACaO,tt 1.0～2.5

塔頂出氣溫度,℃ 70～73

36#圈溫度 ,℃ 84～86

預熱母液溫度,℃ 91～94

中部溫度,℃ 92～95

塔底溫度,℃ 98～102

塔底壓力,kPa 15～35

中部壓力,kPa -6～10

36#圈壓力,kPa -13～3

塔頂出氣壓力,kPa -18～-8

一閃廢液溫度,℃ 90～98

二閃廢液溫度,℃ 80～90

4.3 篩板蒸氨塔的性能特點對比及優化

篩板塔與泡罩塔的不同之處是,沒有降液管、沒有升氣管及泡罩,在塔板上鉆有若干小圓孔。篩板塔操作時液體橫過塔板,氣體則自板上小孔(篩孔)鼓泡進入板上液層。當氣速過低時篩孔會漏液;若氣速過高,氣體會通過篩孔后排開板上液體徑自向上方沖出,造成過量液沫夾帶即嚴重軸向混合。所以,篩板塔長期以來被認為操作困難、操作彈性小而受到冷遇。然而,篩板塔具有結構簡單的明顯優點,篩板蒸氨塔內裝若干層水平塔板,板上有許多小孔,形狀如篩,操作時,液體由塔頂進入,經過全部篩孔逐板下降,并在板上形成積存液層。氣體(或蒸汽)由塔底進入,經篩孔上升穿過液層,鼓泡而出,因而兩相可以充分接觸,并相互作用。篩板塔的操作反應機理是,氣體在篩孔處呈噴射狀態,噴射狀態的氣體向上使液體呈極度的湍流狀態,氣體呈乳化狀態,使得氣體傳質面積大大增加,傳質推動力大大提高,即有利于防止結晶或結疤在塔板和篩孔處。在篩板蒸氨塔的操作上,特別忌諱蒸量的大增大減,和灰乳的大幅度波動,大幅度的波動極易造成塔內偏流現象,和氣液不平衡的狀態,操作人員一定要協調好外界工序對蒸氨塔的影響,保持好篩板塔的最佳工況。

1)篩板塔特點主要表現在以下幾方面:

①篩板蒸氨塔的蒸汽消耗大大低于菌帽塔。因為篩板蒸氨塔采用大孔徑篩板作為塔板,結構簡單,使全塔阻力降約為菌帽塔的1/2,塔底壓力為15～25 kPa,出塔廢液溫度比菌帽塔低5～7℃,塔頂出氣溫度比泡罩塔低3～5℃。根據生產實踐考核,篩板塔汽耗比菌帽塔低0.4 t/t堿左右。

②篩板蒸氨塔結疤少,能減少因結疤倒塔帶來的物料損失。結疤問題一直是蒸氨作業中的一個技術課題。篩板塔在防止結疤和塔板清理方面,遠優于菌帽塔,篩板塔結構簡單,因此篩板塔的結疤情況遠遠低于菌帽塔,尤其在母液加熱分解段,在此段大量CO2被蒸出,篩板塔有明顯防疤效果。因篩板是平的,對疤的清理也比菌帽塔方便得多,每次塔板清理只需幾個小時。

③篩板塔的生產能力遠遠大于菌帽塔。一般塔的內徑與通過塔板的最大允許空塔氣速,決定了最大的氣體通量,也決定了塔的生產能力,而最大允許空塔氣速又取決于圈高及氣體平均密度。菌帽塔的氣體流速達到1.6 m/s時,已經達到相當強化的程度了。實踐證明,采用同塔徑的篩板塔與普通菌帽塔比較,單位生產能力可提高1.3～1.7倍。

④篩板塔結構簡單,重量輕。篩板塔同菌帽塔相比,沒有溢流槽和泡罩,重量約為菌帽塔的1/2,且設備制造容易,節省投資。

2)表1為φ3000篩板塔與φ3200菌帽塔技術參數比較結果。

3)篩板塔采取的主要節能措施為:

①蒸氨塔選用大型、高效、節能的φ3000篩板蒸氨塔。該塔結構簡單,生產能力大,阻力降小,出塔廢液溫度低。

②篩板蒸氨塔配以大型φ4500預灰桶,延長篩板塔使用周期。該設備容積大,使蒸氨塔使用周期延長至180天左右,減少了停塔次數和造成的氨、汽損失,節省了人工清理費用。同時預灰桶停加冷凝液,減少灰乳消耗,從而降低石灰石和煤的消耗,并使廢液當量降低,減少廢渣排放量。

表1 φ3000篩板塔與φ3200菌帽塔技術參數比較

③采用兩級閃發工藝充分回收蒸氨塔排出廢液帶走的熱量。一級閃發汽回蒸氨塔,二級閃發汽作為淡液蒸餾熱源,使蒸氨塔排出廢液由105℃降為89℃。

④氨氣冷凝及冷卻采用逆流流程,使冷凝液溫度提高約15℃,冷凝液中NH3和CO2含量減少約40%,因此大大降低了淡液蒸餾汽耗,為淡液采用低能耗真空蒸餾技術提供了有利條件。

⑤淡液蒸餾選用φ2800填料塔,該塔阻力降小,動力消耗小,且充分利用二閃閃發汽作為熱源;淡液蒸餾與氨氣吸收均采用高真空操作,減少汽耗。

⑥蒸氨母液采用壓力蒸餾,淡液采用真空蒸餾,在-50 kPa條件下進行真空蒸餾,即母液與淡液分開,壓力蒸餾與真空蒸餾相結合。

⑦母液蒸氨塔蒸出的NH3和CO2在低真空條件下用淡氨鹽水吸收成氨鹽水;淡液蒸餾塔蒸出的NH3和CO2進入高真空內冷吸收塔,在高真空條件下吸收成淡氨鹽水,即吸收分為2套系統,吸氨后尾氣進入各自凈氨器回收氨后排空。

總之,整套裝置工藝中由于采用廢液閃發,閃發汽合理利用和塔頂氣體冷卻逆流流程等措施,降低了蒸氨汽耗;大預灰桶的使用,使蒸氨系統使用周期延長到180天左右,同時停止往預灰桶加冷凝液,降低了石灰乳消耗,也降低了煤耗;采用內冷吸氨塔停用循環泵,使氨堿電耗進一步降低,從而使氨堿綜合能耗降大大降低,以下各項數據為考核后的降低值:汽耗 0.4 t/t堿,石耗 :100 kg/t堿,煤耗 8 kg/t堿,電耗3 kW/t堿。通過以上能耗的降低,使氨堿綜合能耗降為13.8 GJ/t堿。

4.4 蒸吸工序的最佳工藝選擇

天津渤海化工設計院在蒸吸工藝設計中,借鑒了俄羅斯大型篩板蒸餾塔可靠數據,并結合國內各種蒸餾工藝的先進之處,采用大型、高效設備及選擇先進合理的工藝路線,整套裝置均確保了一次性開車成功,至今天津堿廠、山東海化、唐山三友、連云港堿廠、山東海天、青海堿業等各堿廠的生產裝置均正常運行,各項指標經考核均達到或優于設計能力,各項節能措施都達到了預期效果。青海昆侖堿業有限公司結合了各大堿廠的使用經驗,又結合了當地氣壓偏低和缺水的實際情況,在100萬t純堿項目中再次與天津渤海化工設計院進行合作,對大型篩板塔工藝和設備進行了優化改進,改型后的工藝流程為直接采用冷母液蒸餾的工藝流程,并采用了鈦波紋管換熱器設備,使蒸氨工序達到了更加高效的節能、節水功效。

改進后的流程為:冷母液由濾過工序母液泵送來,進入氨氣冷凝器(鈦波紋管換熱器)與蒸餾塔蒸出的混合氣換熱,換熱后的熱母液自流進入母液蒸餾塔頂部的預熱段,與塔內自下而上的熱氣體進行熱交換,熱母液吸熱后,其中的大部分CO2氣與部分游離氨被蒸出,隨氣體出塔去冷凝。母液蒸餾塔出來的混合氣體經過氨氣冷凝器(鈦波紋管)及氨氣冷卻器(鈦波紋管)冷卻分離后,進入吸氨塔。氨氣冷凝器冷凝后的冷凝液主要返回各自母液蒸餾塔上部預熱段,氨氣冷卻器冷卻后的冷凝液主要進入淡液桶,與煅燒送來的冷凝液混合后進入淡液蒸餾塔上部,與塔下部通入的蒸汽逆流接觸換熱,蒸出其中的二氧化碳和氨氣,混和氣自塔頂引出后進入氨氣冷卻器進行冷卻,冷卻后的氨氣一起并入吸氨塔。

選用該工藝流程,可以減少爐氣母液洗滌塔流程和設備,減少了蒸氨工序的冷卻水使用量,提高了母液中CO2的利用率,提高了氨鹽水中CO2濃度,減少了CO2在制堿系統中的循環量,也減輕了壓縮機的生產負荷,提高了廢液中的鹽分含量,大大降低了廢液的排放量,也為后續工序治理蒸氨廢液,提供了可靠的依據。該工藝與傳統的母液洗滌塔相比,可以節約一次性投資和大量的費用。在換熱設備的設計選擇中,采用了波紋管換熱器,使節能效果更加高效。

5 篩板蒸氨塔及真空蒸餾吸收工藝的優化操作

1)預熱母液溫度:①95～97℃指標完成較好,但調和液中有大量的棒狀結晶;②91～94℃指標完成需要大的過剩灰才能保證廢液含氨合格,調和液中的棒狀結晶不見了;③合理控制范圍91～94℃。

2)蒸量調整:負荷160～230 m3/h,隨著蒸量上升,蒸氨塔的指標有所下降。

3)吸氨塔進氣壓力為0～-3 kPa時,直接影響蒸氨塔的塔壓,影響出閃發器的廢液溫度,影響蒸汽消耗,蒸氨塔的底部壓力越小越有利于氨的蒸餾過程,吸氨進氣壓力的適宜范圍是-8～-10 kPa,蒸量 220 m3/h,塔壓 15～30 kPa,中部壓力 10 kPa,出塔廢液溫度102℃,出一閃發器廢液溫度96℃左右。

4)吸收塔底圈出液溫度的控制:剛開車時65℃、正常生產60～62 ℃。

5)過剩灰的控制:①預熱母液94～95℃,單塔蒸量220 m3/h,廢液過剩灰控制在1～4 tt能保證廢液含氨合格;②當過剩灰高于4.0 tt時,廢液氨下降不明顯;③當廢液過剩灰為0.5～1 tt時,廢液氨平均值為150 mg/L。④合理控制范圍1～2.5 tt。

6)吸氨塔出氣溫度的控制:30～40℃,凈氨器進出水氨差小于1 tt。

7)為保證蒸氨塔節能,提高凝器冷凝液的溫度,冷凝器出氣應控制在75～78℃為宜,冷卻器出氣控制在60～65℃之間,可以保證高的冷凝液溫度,保證氨鹽水 TCl合格,起到節能目的。

8)冷凝液與氨氣的逆流流程,冷凝器出冷凝液溫度高達83～85℃直接回塔,冷卻器出冷凝液溫度高達70℃,因而節能效果顯著。可以節汽300～400 kg/t,蒸氨汽耗1.865 t/t降至1.439 t/t。

9)采用大預灰桶,增加反應停留時間,使灰乳充分反應而且不加冷凝液,節石效果明顯,節石100～200 kg/t,氨堿石耗由1495 kg/t降至1391 kg/t。

10)工藝技術先進,生產能力大,單塔蒸量可達225 m3/h,相當于同塔徑泡罩塔的1.6倍之多,實現了DCS控制,減輕了工人的勞動強度。

11)工藝采用高效換熱設備,占地少,換熱效率高,節水效果十分明顯,當進水為20℃時,冷凝器出液高達70～75℃,冷卻器出水高達55～60℃。

12)廢液當量、廢液溫度均有明顯下降,原廢液溫度相當于現在的出塔廢液溫度,而一閃溫度比前者低3～5℃。

13)存在的缺點:該塔比較適用于大負荷平穩生產操作,不適用于頻繁加減蒸量,否則就會經常出現雙高現象。

6 蒸吸工序的發展趨勢

在氨堿法純堿生產中,各廠通過選擇不同的工藝技術,也達到了不同的高產、節能的特點,通過實踐證明:以下幾項工藝技術是蒸氨系統改造的發展方向所在。

1)高真空蒸餾技術的應用

壓力蒸氨能耗大,是氨堿法生產純堿整個等價能耗的1/3。然而蒸餾廢液帶出的顯熱又占工序能耗的70%,其熱量損耗程度無疑十分可觀。采用真空蒸餾系統溫度降低,廢液溫度也隨之降低,液相顯熱損失的熱量也相應減少。真空蒸餾工藝過程,無論設備還是操作均與壓力蒸餾工藝完全一樣,差異僅是蒸氨系統絕對壓力的降低。高真空蒸餾技術既有降低能耗(與壓力蒸餾技術相比汽耗降低300～400 kg/t堿),又有緩和蒸氨塔蒸餾段和預灰桶結疤的好處,可以大大延長設備的運轉周期。大連堿廠和廣東南方堿廠均引進采用高效節能技術,使用效果良好,很值得學習和推廣。

2)大型篩板蒸餾塔技術的應用

采用俄羅斯篩板蒸氨塔技術,使以前無法克服的惡劣繁重的清塔工作變得簡單、容易,可以說徹底改變和克服了菌帽式蒸氨塔缺點。同時篩板蒸氨塔具有操作穩定、操作彈性大、系統阻力小、生產能力高,塔內結疤少、運行周期長(可達180多天)的優點。同樣規格的篩板蒸氨塔其生產能力可達到菌帽式蒸氨塔的2倍左右。將篩板蒸氨塔技術與真空蒸溜技術相結合,并增加二級廢液閃發技術已經在各個純堿廠推廣使用。目前,各大堿廠在技術改造(天津堿廠、唐山堿廠、山東海化等)和新建堿廠(青海堿業、山東海天、青海昆侖堿業、青海五彩礦業等)的工藝中大多都采用了該項技術。

3)干法加灰蒸餾技術的應用

干法加灰蒸餾技術是一項新的技術改進,對氨堿廠蒸餾塔節能具有重大意義。干法加灰工藝具有系統阻力小、蒸餾塔壓力低、蒸餾塔運行周期長、操作平穩、抗波動性好、預熱段效率高及節能顯著(可節約蒸餾用汽400 kg/t堿)等特點。另外,干法加灰蒸餾廢液中的CaCl2含量高,用于生產氯化鈣可節約大量的能源。青島堿廠引進的荷蘭阿克蘇公司干法加灰蒸餾技術,使用效果良好,很值得推廣使用。

4)廢液閃發蒸汽的回收利用

在蒸氨操作中,進入蒸氨塔的能量除一部分用于過程所需的反應熱外,很大一部分被廢液帶出。對于一個不斷發展的大型純堿廠來說,廢液帶出熱量的回收效益是非常可觀的。目前國內、外最切實可行的回收方法是在廢液排放前利用廢液噴射閃發裝置——蒸汽噴射泵或采用高真空蒸溜技術回收廢液閃發出的蒸汽。目前的技術水平其噸堿回收量可達到300 kg蒸汽。

綜上所述,隨著科學技術的發展,我們還有很多技術處于落后的邊緣,因此,今后的蒸氨系統改造中必須開拓思路,向新技術方向去開發,最終達到節能高效平穩操作的目的。

[1]大連化工研究設計院.純堿工學,第二版[M].北京:化學工業出版社,2004

[2]陳學勤.氨堿法純堿工藝[M].沈陽:遼寧科學技術出版社,1989

[3]王 楚.純堿生產工藝與設備計算[M].北京:化學工業出版社,1995

TQ 114.161

:C

:1005-8370(2011)02-11-08

2010-05-18