五效蒸發制硝裝置進行MVR改造的可行性分析

廉 穎，王 磊，龔 琦，宮 維，張為之

(江蘇新源礦業有限責任公司，江蘇揚州 225002)

1 前言

江蘇淮安是華東地區井礦鹽的主要產區，同時也是無水芒硝的生產基地。由于占據地理和市場的優勢成為全國元明粉供應的主要產區。淮安地區無水芒硝的生產工藝多采用五效真空蒸發工藝，尚未有MVR技術應用先例。但隨著2017年江蘇省“兩減六治三提升”專項行動實施方案的出臺，傳統制硝企業面對能源接替的緊迫難題。在35 t/h及以下燃煤鍋爐淘汰的前提下，如何利用真空制硝裝置進行生產成為待解之題。

近年來MVR技術在國內制鹽行業已經得到普遍的推廣與應用[1-3]，尤其在制鹽工業新建工程中已經占有相當大比例，同時也有制鹽企業將ME進行MVR改造的成熟案例[4-6]。制鹽企業在引進和消化吸收MVR制鹽技術上做了大量研究和探索，為機械熱壓工藝的應用[7-10]提供了寶貴的經驗。文章將以江蘇新源礦業有限責任公司現有21 萬t/a ME制硝裝置為例，借鑒制鹽行業成熟經驗，探討將傳統制硝裝置進行MVR改造的可行性。

2 概況

江蘇新源礦業有限責任公司現有一套硝鹽聯產裝置，采用五效真空蒸發制硝+母液回收制鹽。硝鹽聯產工藝主要是制硝為主，副產工業鹽。原料硝水中NaCl含量在35 g/L～100 g/L之間。整套裝置2012年竣工投產，已穩定運行5 a，產品綜合能耗128 kg標煤/t，主要配套工程為35 t/h循環流化床鍋爐+3 MW背壓式汽輪機。所以，文章中僅對真空制硝裝置的MVR節能改造進行探討。

2.1 制硝工序工藝流程簡介

硝工序有五組蒸發罐，原料硝水從末效(EV205)循環腿進料口進入，依次向前逆流轉料，利用各效真空度的不同，逐效依次升溫蒸發，料液中的Na2SO4分別在各組罐中蒸發析出結晶，一效、二效蒸發罐分別將硝漿排入硝漿桶，經過增稠、干燥，通過氣力輸送裝置送至包裝車間。同時隨著蒸發的進行，罐內料液中NaCl濃度則逐效升高當首效(EV201)中料液成分接近飽和時，母液外排，見圖1。

圖1 五效真空制硝工序工藝流程簡圖 Fig.1 Process flow chart of five effect evaporation of sodium sulfate

設備數據及原料組成見表1、表2。

表1各效加熱室換熱面積

Tab.1 Heat exchange areas of five effect m2

各效HE201HE202HE203HE204HE205換熱面積500500500500500

表2 硝水組分質量分數Tab.2 The composite of glauber salt brine

2.2 主要設備情況

2.2.1 蒸發罐

采用外熱式強制循環蒸發罐，該設備具有管內流速高，強化傳熱，減緩加熱管內和蒸發室罐壁結垢，生產強度大，減輕熱短路現象，提高有效傳熱溫差，循環泵渦漩損失小、循環阻力低等優點[2]。前兩效加熱管選用鈦合金管，后三效為普通鈦材，蒸發室殼體材料采用316 L不銹鋼復合板。

2.2.2 真空系統

真空系統，末效選用一級蒸噴及一級水環真空泵，以達到末效較高的真空度，首效采用低壓蒸汽強制傳熱，增加蒸發系統有效溫差，以提高整個系統的熱效率。該系統具有設備持續運行時間長，維修方便，真空度高等優點。

2.2.3 其他設備

循環泵：選用懸掛式循環泵，該泵具有流量大揚程適宜、密封效果好；耗電少，壽命長和適用性好等優點。離心機：選用國產雙級推料式離心機，該機具有生產能力大，殘余水分低，耗電省，壽命長和適應性好等優點。干燥設備：選用內熱式干燥床，該產品具有生產能力大，運行平穩可靠，操作簡便，節省蒸汽和電力消耗，熱效率較高等優點。

3 工藝改造方案

3.1 MVR工作原理

MVR是蒸汽機械再壓縮技術的簡稱,是通過機械壓縮把低品位的二次蒸汽溫位提高利用的一種蒸汽熱量提升裝置。其實質是根椐波義爾定律原理，外加壓縮機作功壓縮功瞬時轉化為蒸汽的內能，使二次蒸汽的體積減小，壓力、熱焓、溫度升高，作為熱源代替新鮮蒸汽，反復循環使用，使液體沸騰蒸發濃縮結晶的一種蒸發過程。即用少量的電能獲得較多的熱能，從而減少系統對外界能源的需求的一項高效節能技術。

根據MVR熱泵系統的工作原理可知，其效率取決于回收利用的潛熱值與輸入的機械功之間的比較。表3以常壓下基本循環的狀態變化為例，通過模擬計算表明其在能源利用效率方面的優勢。

表3 常壓下基本循環的狀態變化參數 Tab.3 Stream thermal state parameters under atmospheric pressure

從表3可以看出，系統消耗90.5 kJ/kg的壓縮功，就可以回收利用2 257.6 kJ/kg的潛熱，熱功比達到了24.9。工質的熱焓僅增加0.8%，但其溫度提高13 ℃，相當于輸入少量的高品位機械能，卻把大量的低品位熱能轉化成為可資利用的高品位熱能，從而提高了能源利用效率。

MVR蒸發系統工藝流程可以設計成單效蒸發和多效蒸發。單效蒸發系統流程簡單，操作方便，適合水分蒸發量大、熱敏物性較弱，允許大溫差傳熱，只需蒸發一次就可以達到濃縮要求的物料。MVR多效蒸發方式適合處理熱敏較敏感，不宜進行大溫差傳熱的溶液，同時，其也可用于蒸發量較大的場合串并聯。單效多效次蒸汽經過蒸汽壓縮機后可以提高8 ℃左右的溫升，對于沸點升較大的溶液，需要兩級串聯以克服沸點升。

3.2 MVR改造工藝流程

應用MVR技術對原多效制硝系統進行改造，生產工藝上仍然是利用蒸發結晶工藝生產芒硝，唯一的區別是不使用生蒸汽，而是利用機械壓縮將二次汽循環使用。為充分利用現有設備，擬計劃采用兩效MVR蒸發方式。將原制硝5效分成兩個獨立MVR裝置運轉。具體做法為將EV201與EV203串聯為系統一，共用一臺壓縮機；EV202與EV204串聯為系統二，共用一臺壓縮機。單個系統內部為兩效機械熱壓縮蒸發制硝，排硝后兩個系統共用一套排硝離心干燥等后續流程。MVR技術改造后整套裝置生產能力為2×10 萬t/a。

兩效機械熱壓縮工藝流程：由原料硝水桶(T-201)泵送來的硝水經板式換熱器(HE-206)預熱之后送至蒸發罐205進行初級濃縮，蒸發罐205的漿料轉入蒸發罐204和蒸發罐203進行蒸發濃縮，蒸發罐204和蒸發罐203的漿料分別轉入蒸發罐201和蒸發罐202繼續蒸發濃縮，蒸發罐201和202結晶析出的硝漿淘洗后平流排入硝漿桶(T-401)。

圖2 兩效MVR工藝流程簡圖Fig.2 Process flow chart of two effect MVR

蒸發室EV-201的二次蒸汽進入加熱室HE-203，蒸發室EV-203的二次蒸汽經過洗汽、壓縮后再進入加熱室HE-201；加熱器201流出的冷凝在VP-203閃發后送至VP-205進行閃發；蒸發室EV-202的二次蒸汽進入加熱室HE-204，蒸發室EV-204 的二次蒸汽經過洗汽、壓縮后再進入加熱室HE-202；加熱器202流出的冷凝在VP-204閃發后送至VP-205進行閃發；VP-205流出的冷凝水在板式換熱器HE-206與原料硝水進行熱交換，最后去冷凝水桶T-601。蒸發室EV-205的二次蒸汽進入大氣冷凝器HD-201由冷卻水直接冷凝，殘存的蒸汽和不凝氣體則由串聯的一級蒸汽噴射器進一步冷凝并最后由二級的水環真空泵排出蒸發系統。

3.3 設備改造方案

由于原五效蒸發結晶系統換熱溫差大、蒸發強度大，改為MVR系統后，需要增加額外的換熱器，以增加換熱面積滿足蒸發強度的需求。在原有加熱室平行的位置另增加的一組鈦合金換熱器，增加的換熱面積按照傳熱方程計算得出。同時需對循環腿進行擴容改造以克服增加的管道阻力損失。壓縮機擬采用消化吸收國外技術的離心式蒸汽壓縮機，優勢為對蒸汽負荷的波動有較大的適應范圍。同時新增蒸汽洗滌塔2臺套。項目需同步配置一臺8 t/h、1.1 MPa的天燃氣鍋爐，用于供整個項目啟動蒸汽及干燥產品用汽。

3.4 經濟評價及對比

改造后，蒸發系統單位產品電耗為140 kW·h,產品綜合能耗為68 kg標煤。蒸發系統進行MVR改造后，單位產品動力成本主要取決于電力成本。電力的供應可以有自備熱電站供電、網電(汽電外購)兩種方式。

利用網電運行MVR蒸發工藝制硝，電價相對較貴，雖然能耗下降但生產成本相對增加，相比熱電聯產+ME蒸發工藝，噸產品動力成本增加約19%。雖然MVR技術綜合能耗方面優于真空制硝，但從整個一次能源利用率角度來看，熱電聯產作為有效的節能技術，很好的彌補了ME工藝的劣勢[3]，所以才會出現MVR改造后節能不降本的現象。但對于能保留自備電站同時擁有多套生產裝置的制硝企業，可以將熱電聯產、ME和MVR結合起來，將原有的真空制硝裝置進行MVR改造，可以顯著降低生產成本。

4 結論

通過分析比較可以看出，利用網電運行MVR蒸發工藝制硝對生產企業來講，在目前的煤電行情下，由于成本的增加在經濟上不是最優方案。但對于受“兩減政策”影響的制硝生產企業，在目前元明粉市場價格處于高位運行的情況下，將傳統真空蒸發裝置進行MVR改造是保持產能的唯一應對措施，是企業作為能源替代和產能接替的有效手段。對于能保留自備電站同時擁有多套生產裝置的制硝企業，可以將熱電聯產、ME和MVR結合起來，將原有的真空制硝裝置進行MVR改造，可以顯著降低生產成本。借鑒制鹽行業的發展歷程，可以預見多效真空蒸發制硝與熱壓制硝并用方式也必將成為國內制硝行業新的發展方向。