論氨堿廠節能設計

李相福

（中國天辰工程有限公司，天津 300400）

節能、環保、安全是現在國家對于新建項目嚴格控制的內容，節能對于國家可持續發展，企業增加經濟效益至關重要。本文就以天辰公司多年和多個純堿項目的設計經驗并以某百萬噸級純堿項目的設計為例對節能設計進行綜合論述。

1 采用新技術、新工藝

氨減法工藝經過百余年的發展，雖然主體路徑沒變，但很多地方有了長足的改進。規模節能不言而喻，純堿生產規模的大型化是純堿節省投資、節約能耗、提高效益的基本措施。我國過去的氨堿廠，起初的建設規模有年產2萬t至40萬t等，到了80年代，我國建設了三個年產60萬t的純堿廠，到了21世紀，國家產業政策規定，一次性建設氨堿廠的規模不小于100萬t／a，設備大型化及DCS控制在生產管理、單位產品投資、單位產品能耗等方面均顯示出極大優勢。

工藝技術節能是節能工作的核心，在近期的純堿項目中，主要有下述幾方面的節能措施：

1.1 蒸餾工段的節能降耗設計

蒸餾工序是氨堿廠主要耗能工序之一，生產好壞，很大程度上影響全廠的能耗、氨耗和石灰消耗。在蒸餾工段設計中，主要采取了以下措施：

1）采用篩板塔及新型預灰桶，減緩蒸餾設備的結疤速度，延長蒸餾操作周期，減少停塔清理次數，避免因開停塔造成的能量及氨損失。同時，該塔與傳統的菌帽塔相比，生產強度提高兩倍，勞動強度大大降低；

2）采用母液與淡液分開蒸餾，壓力蒸餾與真空蒸餾相結合的工藝路線，節省了能源并降低了氨耗、水耗；

3）蒸餾廢液的二級閃蒸回收余熱。以往蒸氨廢液直接排放或經過一級閃蒸，不回收熱量或僅回收一次廢液熱量，排出的廢液溫度較高，廠區煙霧騰騰。在近年來做的設計中，對該工段的節能減排問題進行了優化革新，采用兩級閃蒸回收熱量工藝技術路線，即從蒸氨塔底圈排出的蒸餾廢液的溫度大約為103～106℃，為回收該熱量，系統設置了兩級閃蒸系統，經一級閃發器閃出的蒸汽與加灰蒸餾段出來的汽氣混合氣一起進入加熱分解段，經二級閃發器閃發的蒸汽進淡液蒸餾塔作為淡液蒸餾的熱源。由于經二級閃發后廢液的溫度降低，為廢液排放泵的選擇提供了有利條件。采用這種工藝路線，可降低蒸汽的耗量，大約每噸純堿節約蒸汽150～200kg。

1.2 重灰生產節水技術

重灰生產是目前純堿行業發展的趨勢，其生產方法有水合法和擠壓法，其中水合法較為普遍。采用水合法每噸堿要加入大約375kg的水合水，該部分水經過脫水干燥后隨干燥尾氣排出，大多廠家排入大氣。對于年產100萬t純堿廠，每天將會排入大氣近900t水，這是個不可忽略的量，根據此特點，在重灰的脫水干燥工藝部分做了特別設計，首先采用了回轉式干燥爐，排出的尾氣90%以上為干燥的水蒸汽，然后進入爐氣冷凝塔，經過冷凝后，大部分水蒸汽成為冷凝水被回收，同時，由于對排出尾氣的管道及冷凝設備材質做了特別選擇，所以得到的冷凝液色度較好，該冷凝液作為水合水返回水合系統重復利用。

1.3 蒸汽冷凝水液位控制技術

純堿生產的煅燒工段采用蒸汽作為熱源進行重堿的分解反應，為保證系統蒸汽熱能的充分利用，避免蒸汽隨冷凝水排出而貶為低能級使用，需要阻氣排水裝置對冷凝液進行控制，煅燒工段冷凝液控制系統曾采用疏水閥、冷凝水罐液位調節系統等，這些裝置在運行一個時期后會出現故障而導致控制失調，造成汽耗增大或影響正常生產。為此，選用了近年來開發運用的汽液兩相流自調節液位控制器，有較好的阻氣排水功能，能保持冷凝水罐的液位穩定，保證設備長周期運行，節省了檢修費用，降低了勞動強度，同時也降低了蒸汽耗量，與原有工況相比，大約可節省蒸汽150～200kg／t純堿。

1.4 粉體流涼堿機技術

粉體流涼堿是借助板式換熱器的高傳熱性能，結合密相輸送原理，用于固體換熱的間壁冷卻器，換熱板組垂直放置，板組間待冷卻的純堿自上而下依靠重力緩慢下降，與傳熱板內的冷卻介質進行換熱。該技術在工藝流程、設備結構以及運行能耗方面具有創新性，首次在國內純堿項目中采用，該設備無需進氣及排氣處理單元，并沒有空氣與待冷卻的純堿進行接觸，消除了傳統流化床冷卻所帶出的粉塵對環境的污染，使得純堿冷卻更柔緩，特別是能耗低，對于100萬t／a重質純堿的冷卻，每小時可降低1 000kW的用電負荷，使年操作費用大大降低。

2 主要設備的能效指標和節能措施

設計中選用能效高的設備；對于高功率的用電設備采取軟啟動，對有能力調節要求的用電設備采取變頻的方式，均為非常有效的節能措施。

2.1 具有能效指標的電機和動力設備

表1 電機和動力設備的能效指標

2.2 設備采取的節能措施

1）對于功率較大的電動機，采用變頻器或軟起動器控制。

表2 電動機的啟動控制與功率

2）提高設備的自然功率因數，對電氣設備采用集中補償，減少配電線路截面，既節省了材料，又減少了線路損耗。

2.3 主要耗能設備和換熱設備

1）主要能耗設備

表3 主要能耗設備的熱效率

2）主要換熱設備

在換熱設備的選擇中，采用了波紋管換熱器，如壓縮工段的后冷器和重灰工段的爐氣冷凝塔等，大幅度改革了傳統的鑄鐵水箱冷卻器，傳熱系數高，換熱效果好，體積小、重量輕，而且汽液分離效果好，投資省，有利于降低能耗。在純堿行業中，位居先進水平。

2.4 機電設備選型

在設計中生產裝置、輔助生產裝置和公用設施選用技術先進、性能可靠、材料優良、結構合理、運行穩定、機械強度高、使用壽命長的節能型機電設備。

3 熱能的綜合利用

在純堿裝置中，對于有熱源的介質和需要熱源的介質作到互相利用。

1）蒸吸工段蒸氨氣體的熱量，一部分由一次水直接冷卻，該冷卻水可被預熱至45℃，送入化灰、化鹽工段，提高化灰、化鹽的速度，剩余熱水可被送至脫鹽水工段，作為原水升溫兌和用。

2）脫鹽水站的軟水，在送至鍋爐房之前，可利用工藝裝置中廢淡液的熱量，使之加熱。

3）冷母液的預熱利用了蒸氨氣體的熱量。

4 供、變電系統的節電措施

1）所有裝置的變電所均設置在負荷中心，以減少電能傳輸中的線路損耗。

2）合理地設計主接線方案，少用或不用限流電抗器。在限流電抗器上并聯大容量快速高分斷開關，正常運行時，供電電流通過大容量快速高分斷開關傳輸，避免了電抗器的損耗；發生短路故障時，大容量快速高分斷開關瞬間斷開，由電抗器限制短路電流。既保證了供電的安全，又最大限度地減低了損耗。

3）發電機的10kV引出線、主變壓器的10kV引出線，工作電流很大。常規的設計是采用銅芯電纜，改為采用絕緣銅管母線。利用電流的集膚效應，在使用的銅材重量相同的情況下，大大降低了引出線上的電能損耗。

4）變電所內部布置，在滿足國家規范的情況下，盡量縮短低壓側母線的距離，以減少母線損耗。

5）所有電力變壓器，均采用最新的、也是節能效果最好的低損耗高效率節能型電力變壓器。

6）運行中功率變化較大的用電設備，如熱電站引風機、一、二次風機、給水泵，均采用液力偶合器調速控制。在工藝負荷降低時，降低無謂的電能消耗。

7）在各裝置變電所的10kV及0.4kV母線上，就地設置電力電容器補償裝置，以提高全廠的功率因數。將無功消耗控制在最小。

8）照明電源采用智能照明控制器，根據需要自動控制所有燈具。照明燈具采用損耗低、發光效率高的光源和燈具。

9）以經濟電流密度來選擇電纜，合理選擇電纜路徑以降低線路的損耗。

10）采用智能化數字式控制的電動機軟起動器。比串聯自耦變壓或電抗器的啟動方式，明顯降低了電動機的啟動損耗。

5 建筑物節能措施

綜合樓和門衛等建筑按民用公共建筑考慮，所屬地區為屬寒冷（ⅦD）氣候地帶的建筑，根據《民用建筑熱工設計規范》要求和《公共建筑節能設計標準》GB50189－2005進行節能設計。具體節能措施如下：

1）控制建筑體形系數不大于0.40。

2）建筑物北向窗墻比0.20；西向窗墻比0.18；南向窗墻比0.55；東向窗墻比0.30。當窗（包括透明幕墻）墻面積比小于0.40時，玻璃（或其他透明材料）的可見光透射比大于0.4。外窗的可開啟面積不小于窗面積的30%。

3）采取墻體外保溫措施，選用50厚擠塑聚苯板保溫。墻體材料采用200厚混凝土小型空心砌塊墻，外墻飾面為干掛花崗巖飾面。

4）屋面采用架空隔熱通風屋面，70厚擠塑聚苯板保溫層。

5）外窗選用隔熱鋁合金窗，玻璃為15mm厚中空鍍膜玻璃（5mm厚鍍膜玻璃＋6mm空氣層＋4 mm鋼化玻璃），外窗的氣密性不應低于《建筑外窗氣密性能分級及其檢測方法》GB 7107規定的4級。窗上口設有鋁合金水平和垂直式遮陽板組合成的綜合遮陽系統。

6）混凝土梁、柱部位采用防熱橋構造措施。

7）空調系統在設計時采用符合國家要求的節能設備及材料。室內設溫控器，以利于節能。

以上措施均能達到良好的保溫隔熱效果，使建筑的冷熱負荷均可在較小范圍內調節。

6 給排水系統節能措施

1）采取分壓供水方案：循環水補水利用管網余壓，直接進入循環水系統，蒸吸用高壓生產水單設一套水泵供給，高低壓生產水分開設置，生活水泵采用變頻電機，減少剩余能量浪費。

2）蒸吸工段的高壓生產水用后利用其余壓余溫用于鹽水工段化鹽、脫鹽水工段作為生產原水，節省了換熱設備，節能節水。

3）輸水管線選用經濟流速，盡量減少能量損失。

4）冷卻塔風機采用三速電機。循環水系統濃縮倍數為5，達到國內先進水平，以實現節水節能。加藥采用在線監測全自動加藥系統，循環水泵設置調峰泵，減少能量浪費。循環水泵采用空冷，節約循環冷卻水。

5）根據地區氣象條件，提高循環水系統供回水溫差（12℃），節水節能。

6）循環水站用電負荷大，靠近總變電所及配電間，節約電纜長度，降低阻耗，節約電力。

7 熱電系統

對于氨堿法純堿生產工廠，要消耗各種形式的能量，通常情況下，使用的能源是作為一次能源的燃料和二次能源的蒸汽、電等。氨堿廠使用蒸汽主要作用有兩方面，一是作動力用，驅動二氧化碳壓縮機及真空機的汽輪機，二是作為熱源用于輕灰煅燒爐、重灰煅燒爐、母液蒸餾、淡液蒸餾；其壓力等級分別為3.6MPa、3.1MPa、1.4MPa、0.4MPa。

鍋爐選用熱效率達91%的高溫高壓循環流化床鍋爐，各參數蒸汽分級提供，充分利用高溫高壓蒸汽的熱能，通過汽機做功發電后產生的不同參數等級的蒸汽，來滿足不同用汽部門用汽需要。汽輪機設計為抽背型，不設置冷凝，避免了由冷凝而導致的大量熱損失。如從發電機背壓汽排汽管道3.82 MPa蒸汽母管引出一條管線直供裝置區壓縮機，壓縮機作功后產生0.35MPa蒸汽除供蒸餾用汽，不足部分由抽背汽輪機背壓汽補充。另引出一條管線經減溫減壓降至3.3MPa，310℃送至輕灰煅燒工段，輕灰工段作功后，產生的1.4MPa余汽供重灰煅燒爐，產生的0.4MPa余汽供蒸餾用汽。重灰煅燒爐用汽由輕灰煅燒爐余汽供給，不足部分由1.6 MPa蒸汽母管補充，重灰煅燒爐產生的0.4MPa蒸汽供蒸餾用汽。電站回熱系統中低壓0.35MPa用汽由抽背汽輪機的背壓蒸汽供給，回熱系統中高壓除氧器及高壓加熱器用汽由抽背機汽輪機抽汽及3.82MPa蒸汽經減溫減壓提供。輕灰煅燒爐及重灰煅燒爐產生的152℃凝結水返回電站經凝結水回收器進入除氧器。

工藝用汽裝置間接加熱的蒸汽冷凝水全部返回熱電站作為鍋爐給水，最大限度的節約脫鹽水。熱電站設置低位疏水箱及疏水箱，全面回收熱電站內部各等級及各標高蒸汽管道的疏水，既節約了熱能，又減少了排放。利用鍋爐排污的廢水，作為采暖補充水的一部分，排污二次汽回收利用，以節約能源。用冷渣器加熱脫鹽水，使鍋爐渣的廢熱得以回收利用。

循環水排污水用于干灰攪拌及輸煤系統沖洗，在主要用戶安裝流量表，合理分配和調節各用戶的水量。除氧器采用低壓和高壓兩級旋膜熱力除氧器，減少蒸汽損失，節約能源。

8 單位產品行業可比能耗指標分析

表4 全廠能源的品種及年消耗量

表5 單位產品行業可比能耗指標分析

表6 產品可比能耗水平對比（輕質堿）

依據能源消耗核算結果，建成達產后，單位產品（每噸）的綜合能耗為11 708MJ，折標煤0.3995t。

工廠節能設計要從工藝、設備、電氣、熱電、建筑、管理等諸方面考慮，才能實現工廠從根本上有效節能的目的。按照設計方案，百萬噸級純堿裝置建成達產后，年消耗能源折合標準煤456 017t，可比單位產品能耗（輕質堿）為11 708MJ／t，在國內純堿行業中處于領先水平，達到世界先進水平。