探討聯合制堿裝置提產方案、碳化過程優化及降本增效前景展望

張杭，張建東

（天津渤化永利化工股份有限公司，天津300450）

1 聯堿裝置碳化過程相關概念

1.1 介穩區寬度

介穩區寬度是指溶解度-溫度曲線上的飽和點到能自發成核的極限過飽和點之間的濃度區域即溶解度曲線和超溶解度曲線之間的區域。

1.2 二次晶核

二次晶核針對碳化塔內的情況是指在結晶生成后，由于結晶和結晶之間，結晶和碳化塔壁之間，或者是結晶和冷卻水箱的水管表面的接觸碰撞而引發，或磨損、破碎而發生的晶核以及細小碎片。

1.3 過飽和度

過飽和是指溶液中溶質的含量已經超過標準飽和度，卻仍舊沒有晶體析出的現象。而過飽和度表示了溶液的過飽和程度。

1.4 碳化度

碳化度即溶液的碳酸化程度，即1當量濃度的氨吸收了多少當量濃度的二氧化碳，碳化度以百分數表示。

2 聯堿裝置碳化過程中二次晶核概念、介穩區寬度、懸浮液晶漿濃度與結晶質量關系

2.1 二次晶核

我公司聯堿裝置碳化塔與其他大部分公司聯堿裝置碳化塔運行情況一致，制堿塔中細小結晶的數量隨著塔中氣速的提高而增多，對于該類碳化塔，塔中細小結晶的數量除了隨著懸浮液晶漿濃度的提高而增加之外，還與塔中氣固液三相的湍動條件有關，表現為塔底空塔氣速高時，塔中細小結晶數量大。

二次晶核的發生量以及發生程度與結晶段和冷卻段的接觸面積有關，即存在的可能導致結晶與之發生碰撞的表面積越大，理論上發生二次晶核的發生量和發生程度越高。區別于外冷碳化塔，我公司碳化塔為塔內冷卻形式，結晶段下部設置了冷卻段，采用冷卻循環水進行間接冷卻，冷卻水箱中設置了大量冷卻水小管，導致冷卻段塔內容積大幅減小，冷卻段可與結晶發生碰撞的表面積大大增加，同時大大增加了塔中的實際氣速，加劇了塔內物料的湍動程度。在冷卻段結晶顆粒大量成長，但由于碰撞和氣流的剪切作用，大量大顆粒的結晶破碎為大量細小結晶，導致懸浮液晶漿密度升高，這就是體現在我公司碳化塔內比較典型的二次晶核現象。

我公司實際生產中，碳化塔二段進氣較一段進氣的結晶粒徑大，即適當提高中段進氣的CO2濃度對于增大NaHCO3結晶粒度是有促進作用的。在結晶段，溶液已達到過飽和狀態，此時需要吸收足夠的CO2，保證析出足夠量的NaHCO3以供晶核成長。對于我公司碳化塔，在實際生產過程中，為了保證結晶段有較好的結晶成長環境，對于中段氣的引入量是有一定控制的，既要一定程度上滿足晶核析出的CO2需求，又要防止大量引入中段氣，導致氣速過大，致使剛剛形成的大顆粒晶核被氣流剪切后又破碎為細小晶核。這一過程的把控需參考結晶沉降時間，根據不同工況，不同結晶質量來靈活掌握，并非是一成不變的。

在碳化塔冷卻段中，由于冷卻水的冷卻作用，導致大量結晶析出，同時冷卻段由于冷卻水小管的存在，導致該區域的塔內容積較之結晶段迅速變小，同時增大了冷卻段的碰撞面積，一定程度上促進的二次晶核的形成，此時需對冷卻水冷量進行嚴格控制，避免驟冷加劇細小結晶的生成，從而導致二次晶核的集中爆發。

2.2 介穩區寬度

在溶液碳化度120%～140%范圍內，隨著碳化度的增加，過飽和介穩區寬度急劇下降，而且，在這范圍內溶液碳化度對于過飽和介穩區寬度的效應要大大超過溫度的效應。

例如臨界點溶液的碳化度在小于125%時，即使臨界點溫度達到60℃，NaHCO3結晶過飽和介穩區寬度仍在9tt以上；而當臨界點溶液的碳化度提高到140%時，臨界點溫度為30℃，過飽和介穩區寬度卻不超過7tt。

這也是我公司碳化工序已經提上日程的工作，待儀表等條件具備后，開始逐步摸索預碳化度的合適范圍，既要更好的降低介穩區寬度，也要避免預碳化過程中結晶及制堿塔菌帽層結晶造成塔器堵塞，影響生產。

2.3 懸浮液晶漿濃度

懸浮液晶漿濃度是近代鹽類溶液工業結晶過程主要的操作參數之一。早期結晶理論認為，晶漿濃度低則結晶顆粒之間距離大，結晶物質分子在未達到結晶顆粒表面時便析出成為新鮮晶核，導致產品粒度變小；晶漿濃度過高則會出現“粥少僧多”大伙吃不飽現象，也會造成結晶長不大的結果。對于二次晶核方面的研究將鹽類溶液工業結晶過程的研究推向了一個新階段。關于二次成核及其對碳化塔操作的影響，上文已經介紹。在一定條件下二次晶核發生速率隨著懸浮液晶漿濃度的提高而增大，即產品結晶粒度將隨著晶漿濃度的增高而變小。

3 冷卻在碳化過程中的真實含義與冷卻碳化懸浮液的弊端

3.1 冷卻在碳化過程中的真實含義

NaHCO3在碳化液中的溶解度很低，且隨著溫度的下降，溶解度降幅不大，因此從NaHCO3結晶角度來看，結晶過程由于NaHCO3在堿溶液中的溶解度特性，過飽和度的產生并不主要依賴于冷卻降溫作用。但在工業生產中由于碳化反應為放熱反應，按照化學反應平衡的觀點，工藝過程必須設法將這部分反應熱移走，控制過程終溫，以保證較高的MI轉化率和堿口固定銨濃度。另外移走反應熱有利于CO2吸收效率的提高。

因此結晶和溫度控制應分開討論。在本文第二部分中已對結晶理論做了簡單的分析，下面對于碳化塔的溫度控制做一個簡單的探討。

3.2 冷卻碳化懸浮液的弊端

制堿塔實際操作中，由于冷卻小管間壁溫差較大，造成結疤現象，結疤會導致一些不良后果：

1）冷卻水箱的換熱效率下降，冷卻水消耗增加。在制堿塔后期，由于結疤嚴重，換熱效率低下，不得不加大冷卻水投量以穩定終溫，末期塔比初期塔平均增加30%左右。

2）冷卻水管結疤惡化了制堿塔操作的三項主要經濟技術指標，包括堿口固定銨濃度、尾氣CO2濃度和重堿結晶粒度。

冷卻水管結疤后，冷卻效果下降，出堿溫上升，導致堿口固定銨下降，導致產量下降，母液膨脹。冷卻段小管壁上結疤后，導致冷卻段容積進一步縮小，導致塔內氣速進一步增大，CO2無法與溶液更充分的接觸，導致碳化塔下部的CO2吸收效率下降，從而增加了塔中上部的CO2吸收負荷，引起反應臨界點上移，易造成尾氣CO2濃度升高，影響CO2消耗。由于制堿末期塔，水箱換熱效率大大下降，需要增加水量以保證出堿溫，正由于冷卻水量的增加和液相平均溫差提高，更加速了冷卻小管的結疤和新晶核的生成，因此，取出重堿結晶粒度變小的趨勢已無法扭轉。此時需要加強清洗工作，盡快將冷卻段的結疤清洗干凈，恢復碳化塔的生產能力，對于提升各項指標的合格率大大有益。

4 渤化永利化工聯堿裝置目前取得的改造成果及后續待實施項目

為響應渤化永利“公關創效、降本增收”的工作主題，堿業公司重堿黨支部作為優秀黨支部的代表，積極發揮黨支部及黨員的先進性，結合勞模工作室與廣大職工的力量，針對碳化工序進行了一系列工藝改造，取得了不錯的成績。

4.1 已完成的工藝改造及實施效果

4.1.1 鼓風機管線冷凝水引出項目

由于鼓風機管線屬于真空系統管線，管線底部積存一定冷凝水，造成系統真空差偏大，影響裝置整體真空度，對帶式過濾機的過濾效率、真空吸收塔及綜合回收塔的回收效果產生影響。該項目引入一臺臥式罐，將真空管線與臥式罐相連，利用排氣閥開關動作，將真空管線內冷凝水引入臥式罐及排放至凝水泵入口。該方案原理簡單，類似于真空取樣瓶，施工難度低，效果明顯，為后期的帶式過濾機改造提供了基礎條件。

4.1.2 淡液蒸餾塔減蒸項目

由于淡液產生量較大，造成淡液蒸餾塔蒸量大，淡液蒸餾塔長期滿負荷運行，蒸汽消耗量增大。該項目將水質較好的壓縮工序冷凝液改送至洗水桶作為洗水使用，與此同時減小了淡液蒸餾塔的運行負荷，節約蒸汽。

4.2 目前正在實施的改造項目

四塔五清洗項目，該項目在四座清洗塔外，在非滿負荷狀態時對結疤嚴重的碳化塔利用多進AII進行塔內循環清洗。

目前正在試驗階段，已完成#16碳化塔清洗工作，清洗效果良好，正在清洗#17碳化塔。后面陸續進行簡單的工藝改造，配備一臺自調閥，實現全自動精準操作。

4.3 后續工作計劃

4.3.1 帶式過濾機下堿分布器改造項目

對目前的下堿裝置進行改造，優化下堿分布器，使帶機下堿液均勻分布，提高下堿液平衡性，減小下堿液前沖距離，達到平緩均勻下堿目的的同時也會相應的小幅提高帶機過濾能力。

4.3.2 帶式過濾機下堿擋板調整項目

在現生產運行情況中發現，帶機下堿液前沖距離較長，造成南北兩側吸液不均勻，一邊很早就完全吸收，另一邊會沖過擋板。根據此情況考慮在老擋板前新增一條擋板，用以平衡下堿液分布，充分利用真空將下堿液吸收，減小下堿液整體前沖距離。由于目前考慮下堿分布器的引入，因此在引入下堿分布器后，對運行狀態進行觀察評估，確定是否需要將下堿液擋板移位或新增。

4.3.3 過濾尾氣分離器引入旋流器項目

由于過濾尾氣分離器真空管線為切向進入罐體，因此在分離器內部形成類似漩渦狀流動狀態，且分離器底部構造迅速趨于平緩，上部被真空作用，下液不暢，真空管下部積液，致使真空管內液面偏高，造成實際作用在濾餅上的真空降低，對生產造成影響。

擬增加漩流阻斷裝置置于分離器內部，破壞漩流狀態，緩解上述問題。

4.4 針對“公關創效、降本增收”的工作主題，暢想今后的工作方向

4.4.1 濕重堿預干燥項目

受“鼓風機管線冷凝水引出項目”的啟發，在化工生產中，實現良好效益的項目并非那么“高大上”，而是要立足現場，貼近實際，以最簡單的原理，最小的投入，獲取最大的回報。因此在參考了相關文獻后，“濕重堿預干燥項目”漸漸浮出水面。

煅燒爐運行現狀：我公司帶式過濾機過濾后，重堿水份約為14%，經過皮帶輸送進入煅燒爐煅燒制堿，但煅燒爐對于進入爐體的重堿水份要求要小于8%，這里就需要引入“返堿”裝置，將已經干燥過的重堿二次送進煅燒爐，與新重堿混合，使整體水份小于8%，從而完成煅燒操作。

濕重堿預干燥項目：在帶式過濾機過濾重堿后，進入煅燒爐前引入濕重堿預干燥系統。皮帶將重堿送至立式干燥管下部，被底部來的熱氣流分散并吹入干燥管，在與熱氣流接觸中重堿水份被脫除，高度脫水后的重堿被送入到煅燒爐進行煅燒操作。在找到合適的熱氣源前，可暫以煅燒一閃二閃蒸汽替代，雖然針對脫水過程在節能方面沒有明顯下降，但此舉的重大意義在于預干燥后的重堿水份可以降到1%～2%，完全具備進入煅燒爐的條件，以至“返堿”裝置可以取消，從而提高煅燒爐的生產能力。

后期尋找到合適的熱氣源，對于節約蒸汽也是相當可觀的。

4.4.2 銨堿比

根據相關資料研究成果，當純堿鹽份0.5%～0.7%時，銨堿比在1.10～1.13之間。

我公司近兩年銨堿比基本在1.0左右，理論上氯化銨產量可以有所提高，產量提升的同時，不但單噸能耗下降，也給母液膨脹減少一定壓力。

4.5 企業管理模式的更新換代

我公司正在積極推進“阿米巴經營管理模式”，原來的管理模式類似“火車”，火車跑得快，全靠車頭帶，所有動力來源于車頭；阿米巴模式類似“動車”，每一節車廂都有動力裝置，車頭只負責把握方向，該模式最主要的特點是充分調動起每一名職工的積極性，讓每一名職工都成為生產的主角。

該管理模式充分體現了“多勞多得、少勞少得、不勞不得”的理念，讓每一名職工樹立“工資是掙出來的”觀念，積極地投身到生產經營中，為“公關創效、降本增收”這個主題獻言獻策，使整個部門乃至整個公司成為一個“命運共同體”。

5 結語

聯堿生產中，影響結晶質量的因素：

1）過飽和度和介穩區寬度對結晶質量的影響；

2）二次晶核在冷卻段的主控地位與結晶質量的關系；

3）懸浮液晶漿濃度與結晶質量的關系；

4）碳化塔冷卻的真實含義。

針對以上理論，結合我公司實際生產情況，為未來的工藝技術改造指明了方向，為后續的工作確立了目標。

作為中國化學工業的搖籃，作為聯合制堿法的發源地，天津渤化永利化工股份有限公司在節能降耗的同時，嚴把質量關。對影響產品質量的因素做出全面準確的分析是重要的基礎工作，明確方向，探究深層次理論依據顯得尤為重要。“理論指導實踐、實踐檢驗理論”這些理論經驗是歷代永利人傳承的寶貴財富。在今后的生產中我們還將繼續加強理論與實踐的結合，發揮黨員帶頭作用，調動職工的積極性，充分發揮集體的智慧，在保證產品質量的同時，向節能要效益。為永利化工的騰飛，為中國化工的崛起貢獻一份綿薄之力。