大型純堿碳化塔技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用

李瑞峰,周光耀

(中國(guó)成達(dá)工程有限公司，四川 成都 610041)

碳化塔是純堿生產(chǎn)的核心設(shè)備。目前仍然有大部分的堿廠使用我公司上世紀(jì)八十年代為連云港堿廠和唐山堿廠設(shè)計(jì)的φ3000/φ3400 m笠帽鑄鐵碳化塔，該塔在當(dāng)時(shí)具有生產(chǎn)能力大，操作穩(wěn)定和結(jié)晶質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，為操作人員所熟悉，在行業(yè)內(nèi)使用廣泛，甚至近年新建工廠仍然有使用。但是，鑄鐵碳化塔在使用過程中也暴露出弊端，如單塔生產(chǎn)能力偏小，大型純堿生產(chǎn)裝置配置碳化塔數(shù)量多，投資大；塔材質(zhì)使用鑄鐵，耐腐蝕性能差，內(nèi)件和塔體腐蝕嚴(yán)重，影響技術(shù)性能，產(chǎn)品白度差；由于腐蝕造成跑冒滴漏，換熱管和管板連接口泄露，造成冷卻水系統(tǒng)污染，發(fā)生環(huán)保事故。

隨著行業(yè)的發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，大型高效的新型材料碳化塔是今后堿廠的配置方向和主流，可以為今后高品質(zhì)產(chǎn)品生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)，不斷滿足如光伏、電子碳酸鋰等高端客戶的市場(chǎng)需求。

成達(dá)公司長(zhǎng)期堅(jiān)持碳化塔的技術(shù)改進(jìn)和技術(shù)開發(fā)，積累了豐富的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了各種規(guī)格和塔型的碳化塔，如內(nèi)冷式笠帽碳化塔、外冷式常壓碳化塔、高效篩板碳化塔、變換氣制堿碳化塔，以及復(fù)合材質(zhì)碳化塔等。2009年四川和邦成功投運(yùn)的φ5000/φ3500 大型篩板外冷常壓碳化塔，單塔產(chǎn)能達(dá)到360 t/d。2006年我公司總承包的烏茲別克斯坦純堿項(xiàng)目首次采用碳鋼-不銹鋼復(fù)合材質(zhì)，經(jīng)過多年的生產(chǎn)檢驗(yàn)，可以滿足以天然氣為石灰窯燃料的高氧含量窯氣的生產(chǎn)工況，產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)良，碳化塔性能優(yōu)異。2016年投運(yùn)的我公司承擔(dān)設(shè)計(jì)的中鹽昆山聯(lián)堿裝置，采用了碳鋼-不銹鋼復(fù)合材質(zhì)的濃氣常壓外冷碳化塔，塔中段仍然采用5 000 mm直徑的篩板塔型，上段采用3 000 mm的篩板結(jié)構(gòu)，塔性能參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化提高，聯(lián)堿法純堿產(chǎn)品鐵分長(zhǎng)期低于10 ppm，并且開車不用硫洗，生產(chǎn)中不用添加硫化鈉。

根據(jù)國(guó)內(nèi)行業(yè)的運(yùn)行情況和國(guó)際市場(chǎng)的建設(shè)需求，我公司在2015年即開發(fā)完成了大型內(nèi)冷式高效篩板復(fù)合材質(zhì)的碳化塔方案[2]，并在2017年成功將φ3400/φ5000大型內(nèi)冷式篩板碳化塔應(yīng)用于河南金大地新建聯(lián)堿裝置和江蘇華昌改擴(kuò)建項(xiàng)目，碳化塔在上述兩個(gè)項(xiàng)目投運(yùn)后，取得良好效果。本文將著重介紹其使用情況和效果，以期對(duì)行業(yè)用戶今后碳化塔方案選擇提供參考。

1 大型內(nèi)冷式碳化塔的設(shè)計(jì)參數(shù)

碳化塔采用內(nèi)冷式碳化塔型，塔中段直徑為5 000 mm，采用篩板塔型；下部水箱段采用6個(gè)水箱，水箱間采用新型笠帽結(jié)構(gòu)；塔上段采用3 000 mm篩板結(jié)構(gòu)(金大地采用新型高效笠帽結(jié)構(gòu))。塔體采用碳鋼-不銹鋼復(fù)合材質(zhì)，塔內(nèi)件采用不銹鋼材質(zhì)，水箱換熱管采用不銹鋼材質(zhì)，換熱管和管板采用特殊結(jié)構(gòu)的焊接結(jié)構(gòu)。單塔設(shè)計(jì)產(chǎn)能為330～360 t/d·臺(tái)，采用4塔一組和3塔一組的編組運(yùn)行方式。

2 大型內(nèi)冷式碳化塔聯(lián)堿廠應(yīng)用介紹

新開發(fā)的大型高效內(nèi)冷式碳化塔首先在河南金大地和江蘇華昌應(yīng)用，分別投用14臺(tái)套和4臺(tái)套。江蘇德邦搬遷改造項(xiàng)目已經(jīng)設(shè)計(jì)了9臺(tái)套用于聯(lián)堿裝置。

由中國(guó)成達(dá)工程有限公司自主開發(fā)設(shè)計(jì)的國(guó)內(nèi)首套φ3400/φ5000大型內(nèi)冷式碳化塔于2019年6月在河南金大地百萬(wàn)噸級(jí)聯(lián)堿項(xiàng)目中成功投入運(yùn)行。

圖1 金大地碳化塔現(xiàn)場(chǎng)安裝照片

江蘇華昌4臺(tái)φ3400/φ5000大型內(nèi)冷式碳化塔2019年7月投用，塔中段和下段結(jié)構(gòu)和規(guī)格基本同河南金大地項(xiàng)目，所不同的是上段采用高效篩板結(jié)構(gòu)，不同與金大地的新型笠帽結(jié)構(gòu)。

圖2 江蘇華昌碳化塔現(xiàn)場(chǎng)照片

上述兩個(gè)工廠的大型內(nèi)冷式篩板碳化塔至今已經(jīng)投運(yùn)一年以上，操作穩(wěn)定，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到或超過設(shè)計(jì)參數(shù)。

單塔CO2氣量6 500～7 000 Nm3/h，其中CO2濃度99%vol，按CO2消耗450 Nm3/t堿的當(dāng)量計(jì)，折算單塔生產(chǎn)能力為350～370 t/d。根據(jù)生產(chǎn)報(bào)表統(tǒng)計(jì)，運(yùn)行9臺(tái)塔日均產(chǎn)量3 118.2 t/d，單塔日均生產(chǎn)純堿346 t。其中，河南金大地高負(fù)荷生產(chǎn)狀態(tài)下，單塔產(chǎn)能達(dá)到400 t/d。

根據(jù)操作分析數(shù)據(jù)，碳化塔的取出液CNH3為86～90 tt，增量為47～49 tt。

采用激光粒度儀分析測(cè)試，產(chǎn)品的平均粒徑在120～130 μm。

碳化塔采用四塔一組和三塔一組的編組方式，其中一塔清洗三塔或兩塔制堿作業(yè)，清洗塔進(jìn)液為AⅡ母液，清洗氣源采用合成氨裝置送來(lái)的污氮?dú)狻?/p>

圖3為四臺(tái)碳化塔一組編組方式，碳化塔作業(yè)72 h、清洗24 h后的清洗效果對(duì)比照片。

水箱段清洗前(作業(yè)72小時(shí)) 水箱段清洗后(清洗24小時(shí))

篩板段清洗前(作業(yè)72小時(shí)) 篩板段清洗后(清洗24小時(shí))

笠帽段(清洗24小時(shí))圖3 碳化塔清洗效果

3 大型內(nèi)冷式碳化塔氨堿廠應(yīng)用介紹

新開發(fā)設(shè)計(jì)的大型內(nèi)冷式碳化塔雖然首先在聯(lián)堿廠投入使用，但是這種塔型結(jié)構(gòu)其實(shí)在氨堿廠早有應(yīng)用。首先在連云港堿廠改造原有φ3000/φ3400鑄鐵塔，中段和上段采用鈦材篩板結(jié)構(gòu)，目前工廠已經(jīng)逐步更換了10臺(tái)套新型結(jié)構(gòu)的碳化塔。后來(lái)分別于2009年和2013年給南方堿業(yè)設(shè)計(jì)供貨9臺(tái)內(nèi)冷式篩板塔型，改造原有鑄鐵笠帽塔。根據(jù)南方堿業(yè)的運(yùn)行情況，改造后的制堿塔壓穩(wěn)定在0.29～0.31 MPa，與舊塔相差不大。碳化轉(zhuǎn)化率平均為75.8%，出堿液沉淀量50%左右，堿質(zhì)較好。碳化尾氣CO2含量約為2%，尾氣溫度比舊塔的降低約6～8 ℃，這有利于降低尾氣含氨。從各個(gè)的制堿周期(5塔一組和4塔一組)來(lái)看，運(yùn)行平穩(wěn)，適合高負(fù)荷生產(chǎn)。

我公司總承包的中東純堿項(xiàng)目采用天然氣為石灰窯燃料，為了適應(yīng)低濃度高氧含量的工況，采用了碳鋼-不銹鋼復(fù)合材質(zhì)的高效篩板碳化塔，塔規(guī)格為φ3000/φ3400，項(xiàng)目的純堿產(chǎn)品主要市場(chǎng)面向光伏行業(yè)。

國(guó)內(nèi)大型的氨堿廠大部分的碳化塔使用原φ3000/φ3400鑄鐵塔，改造過程中可利用原有廠房結(jié)構(gòu)和設(shè)備基礎(chǔ)，根據(jù)原有碳化塔的使用狀況，采取全部替換或部分改造的方案，技術(shù)改造方案經(jīng)過檢驗(yàn)成熟可靠。

4 外冷式碳化塔及其它塔型碳化塔應(yīng)用特點(diǎn)

外冷碳化塔經(jīng)過多年的使用和進(jìn)步，單塔產(chǎn)能和技術(shù)指標(biāo)上可適用于大型聯(lián)堿裝置的建設(shè)需求，同時(shí)外冷塔具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造周期短和操作周期長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，其中中鹽昆山聯(lián)堿裝置已經(jīng)成功應(yīng)用5塔一組編制運(yùn)行。

由周光耀院士新開發(fā)設(shè)計(jì)的大型三段外冷碳化塔已經(jīng)在中鹽昆山聯(lián)堿裝置成功投運(yùn)，取出固定銨指標(biāo)基本接近內(nèi)冷塔，可用于聯(lián)堿或氨堿廠的建設(shè)。

5 結(jié) 尾

由于碳化塔在純堿生產(chǎn)中所處的重要位置，無(wú)論是新建純堿裝置，亦或是改擴(kuò)建，各堿廠對(duì)碳化塔的方案選擇均比較慎重，這就要求碳化塔技術(shù)改進(jìn)和開發(fā)過程中要秉持穩(wěn)妥原則，避免投用的關(guān)鍵設(shè)備影響生產(chǎn)的正常發(fā)揮。碳化塔的設(shè)計(jì)也要理論結(jié)合實(shí)際，避免重理論輕實(shí)踐，閉門造車；或者經(jīng)驗(yàn)主義拍板，沒有理論支撐和實(shí)踐積累，貿(mào)然試用；以上都是不可取的。同時(shí)，我們也倡議行業(yè)內(nèi)用戶本著提高技術(shù)裝備水平和降低生產(chǎn)成本的目的，不斷適應(yīng)市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品的差異化需求，積極進(jìn)行技術(shù)的升級(jí)換代，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。