降低硫化堿蒸發煤耗的探討與實踐

楊九新

（甘肅省鹽務管理局，甘肅 蘭州 730000）

硫化堿是一種基本化工原料，廣泛應用于紡織、染料、顏料、印染、皮革、造紙、選礦、橡膠、醫藥、農藥行業及航空航天聚苯硫醚新材料等領域。目前，我國硫化堿生產能力約125萬t左右，生產方法90%以上是轉爐高溫煅燒煤粉還原無水芒硝進行生產。該方法普遍采用：焙燒—熱化溶浸—過濾澄清—蒸發的工藝路線，因焙燒和蒸發工序使硫化堿生產成為高能耗行業，噸產品煤耗在1 300 kg左右。其中蒸發工序煤耗在169～400 kg（單效真空蒸發400 kg，兩效真空蒸發169 kg），在硫化堿生產的煤耗中占有很大比例。由于硫化堿液黏度大，易結晶凝固的特點，硫化堿蒸發當前以單效真空蒸發為主要方式，平鍋蒸發已逐漸被淘汰，兩效蒸發雖有專利技術報道，但尚未得到普遍應用。所以使用新材質、新設備、新工藝開發硫化堿液濃縮蒸發節能型新技術，降低能耗，提高產品競爭力和企業經濟效益已成為行業共識。

1 硫化堿蒸發煤耗的理論分析

硫化堿蒸發工序的目的是將30%的硫化堿稀液濃縮到60%以上，制成片狀固體。理論上，濃度為60%的硫化鈉溶液在標準大氣壓下的沸點為170 ℃左右，凝固點為88 ℃。由于雜質含量等因素影響，敞口平鍋常壓蒸發，硫化堿溶液沸點在185 ℃左右。真空條件下，硫化堿溶液沸點下降。因此，目前蒸發濃縮硫化堿大多采用單效真空蒸發工藝，真空度-0.065 MPa的條件下，60%硫化堿溶液沸點136 ℃左右。

30%硫化堿蒸發濃縮到60%的物料衡算：

生產1 t 60%的硫化堿需要30%的硫化堿液：（1 000 kg×60%）/30%=2 000 kg。

需要蒸發水量：2 000 kg（30%的硫化堿液）-1 000 kg（60%的硫化堿液）=1 000 kg。

即：[（1 000 kg×60%）/30%]-1 000 kg=1 000 kg。

理論煤耗量概算：

單效蒸發，每蒸發1 t水，消耗加熱蒸汽1.1 t。蒸汽鍋爐每生產1 t加熱蒸汽耗標煤約0.13 t，所以單效蒸發生產1 t硫化堿，理論上煤耗應在0.15 t。

2 硫化堿蒸發煤耗高的原因分析

實際生產中,蒸汽鍋爐加熱單效列管式蒸發器真空蒸發硫化堿,噸堿蒸發煤耗0.4 t，遠大于理論煤耗0.15 t。分析認為硫化堿液蒸發煤耗高，有以下幾個原因：

2.1 設備原因

1）蒸汽鍋爐自動化控制水平很低，燃燒不徹底、排煙氧含量偏高、排煙熱損失大，鍋爐熱效率低。

2）硫化堿液雜質多、易結垢，結垢使蒸發器換熱效率降低，蒸發強度下降。

3）鍋爐負荷和蒸發器負荷不同步或不匹配，運行效率低。

4）蒸發器連接大氣冷凝器的二次蒸汽管線管徑小,蒸汽流動阻力大，二次蒸汽不能及時冷凝排出。

5）蒸汽動力鍋爐與蒸發器之間蒸汽管線長，管路熱損失大。

2.2 工藝控制（或工況）原因

1）硫化堿濃度接近60%時，加熱蒸汽壓力、蒸發室真空度低于工藝規定指標，熱源溫度與堿液沸點溫差小或無溫差，蒸發效率低。

2）生產工藝參數不穩定，導致蒸發工況不穩定。

2.3 有效蒸發時間原因

1）蒸發器原料進液溫度低，加熱升溫，有效蒸發時間縮短；

2）取樣檢驗堿液濃度,確定成品堿液出料時機,增加無效蒸發時間；

3）高溫、高濃度硫化堿液對設備腐蝕較嚴重，停產更換設備頻繁，有效蒸發時間縮短；

4）高濃度硫化堿液易凝固結晶，堵塞閥門和管道被迫停產疏通，有效生產時間縮短；

5）間歇蒸發生產，設備啟停熱耗損失大。

3 降低硫化堿蒸發煤耗技術措施

針對以上問題，為降低硫化堿蒸發煤耗，在蒸發工序采取了以下技術措施：

3.1 蒸發設備選用板式蒸發器

蒸發器選用了蒸發硫化堿結垢輕微、易清洗的板式降膜蒸發器兩臺，根據20 000 t·a-1的生產能力蒸發量計算，每臺蒸發面積120 m2，兩臺蒸發器單效并聯安裝，相互交錯出料，穩定鍋爐運行負荷,提高鍋爐熱效率。

3.2 供熱設備選用導熱油鍋爐

供熱設備選用了傳熱介質在鍋爐與蒸發器之間液相閉路循環輸送熱能，具有低壓、高溫技術特性的燃煤型導熱油鍋爐，額定熱功率3 500 kW（300×104kcal·h-1），導熱油循環流量200 m3·h-1，導熱油鍋爐耗煤量545 kg·h-1。

3.3 控制系統選用DCS集散控制系統

選用了DCS計算機集散控制系統，對導熱油鍋爐和蒸發器各種工藝參數監測和控制，整個蒸發系統以導熱油出爐溫度為導向，通過變頻節電設備調節導熱油鍋爐的鼓風機、引風機及爐排電動機轉速，使鍋爐燃煤達到最優燃燒，并適應蒸發器負荷的需要。避免鍋爐熱量因為爐膛正壓而被過多地隨煙氣排放。導熱油鍋爐鼓風機風量調節范圍為0～11 000 m3·h-1、引風機風量調節范圍為0～13 000 m3·h-1、爐排速度調節范圍為 0～100 mm·min-1。

3.4 導熱油出爐溫度設定最高210 ℃

導熱油出爐溫度是衡量鍋爐與蒸發器負荷的一個重要指標，根據60%硫化堿液在-0.065 MPa真空條件下蒸發沸點136 ℃的特點，導熱油出爐油溫最高設定為210 ℃。實際生產中，出爐油溫170 ℃，回爐油溫150 ℃，油溫與堿液沸點溫差30 ℃以上，導熱油鍋爐加熱溫差20 ℃。根據生產實際情況需要增大傳熱溫差時，可以繼續提高出爐油溫至210 ℃的最高設定溫度。

3.5 導熱油爐與蒸發器相鄰安裝

鍋爐與蒸發器之間導熱油雙回路管線長40 m，縮短了導熱油輸送管線長度，減少管路的熱損失。

3.6 改進真空系統

根據每臺蒸發器1 500 kg·h-1蒸發量計算，加大了大氣冷凝器的尺寸，選擇直經1 000 mm、高度9 500 mm的大氣冷凝器，二次蒸汽管徑600 mm，大氣腿管徑400 mm，大氣腿高度15 m，使二次蒸汽、循環冷卻水無阻排出。冷卻水正常循環時，真空度穩定保持在-0.07 MPa，雖安裝了不凝氣真空泵，真空泵很少啟動。

3.7 蒸發器高位安裝

提高蒸發器安裝高度，蒸發器料液最低液位與循環泵（也是出料泵）位差8 m，使位差>-0.07 MPa真空度所需液柱高度，即便在真空度-0.07 MPa條件下，也能滿足循環泵吸入壓力要求，避免汽蝕現象的發生，保證硫化堿液的循環流量≥60 m3·h-1。

3.8 改進進料出料方法。

在蒸發器上安裝上下兩個液位視鏡，上液位控制進料上限，下液位控制出料下限。當料液面隨蒸發下降到下液位視鏡，但料液溫度沒有達到出料條件時，補充進料至上視鏡液位繼續蒸發，直至料液溫度達到出料溫度時再出料，每次出料，液面下降到下視鏡液位立即停止出料，再補充進料。這樣操作，蒸發器料液濃度控制在50%～60%之間，蒸發工藝參數波動小，蒸發系統運行平穩，操作連續進行。在蒸發工藝參數穩定后，通過細微調節進料、出料流量，找到平衡點，可實現連續進料、出料。有效蒸發時間增加，提高了蒸發效率。

3.9 改進完成液濃度的確認。

制定真空度、堿液溫度與堿液濃度關系表，來確定出料時機。在不同真空度、溫度條件下，檢測堿液濃度，總結制定堿液質量分數大于60%時，對應堿液濃度、真空度、堿液溫度關系表（見表1）。

表1 堿液濃度、真空度、堿液溫度對應關系表

在工況真空條件下，堿液達到對應溫度，不需要檢驗濃度，便可出料，減少了等待檢驗結果的無效蒸發時間。

3.10 提高進料溫度。

在硫化堿原料液儲罐內加裝蒸汽盤管，利用硫化堿煅燒轉爐廢熱鍋爐熱能加熱硫化堿原料液溫度，將蒸發器進料溫度提高到70 ℃以上。

3.11 改進進料出料管安裝方式

進料出料管道盡量不用彎頭，全部使用旋塞閥。進料泵到蒸發器直線管斜安裝，進料閥門緊靠蒸發器安裝，保證閥門溫度；進料閥前加裝排空閥，上料完畢，打開排空閥，排空管道內堿液。出料管控制閥門在不影響閥門安裝的情況下，盡量緊靠循環管安裝，保證閥門溫度，使閥芯內殘留堿液不結晶；出料管略向下傾斜安裝，停止出料可使管道積液自動流出管外。也可選用保溫閥及夾套保溫管等措施解決結晶堵管問題。這樣很好的解決結晶堵管問題。

在工藝參數能達到控制要求的條件下，實現連續進料、出料是防結晶堵管最好的方法。

3.12 使用310S不銹鋼材料解決腐蝕問題。

高溫、高濃度硫化堿對普通金屬材料腐蝕非常嚴重，蒸發系統硫化堿過流設備全部采用0Cr25Ni20（美國牌號310S）耐熱不銹鋼，實踐證明這種不銹鋼對硫化堿具有很好的抗腐蝕能力。硫化堿液循環泵葉輪使用310S不銹鋼加工制造，連續工作1個月未見明顯腐蝕跡象，設備檢修頻次減少。

4 煤耗結果的考核。

通過以上措施，裝置建設完成投入生產后，對蒸發裝置煤耗進行連續一個月的考核，考核結果見表2。

表2 硫化堿蒸發工序能力考核結果

考核期間，連續生產28 d，共生產60%質量分數的硫化堿1 980 t，蒸發工序達到了20 000 t·a-1（70 t·d-1）硫化堿的設計生產能力。導熱油鍋爐共消耗燃煤436 t, 每噸硫化堿平均蒸發煤耗220 kg。考核數據中，單日最高產量72 t，當日導熱油鍋爐耗煤13 t，單日最低噸堿耗煤180 kg，基本接近150 kg的單效蒸發理論煤耗。

5 結束語

生產實踐證明，在20 000 t·a-1硫化堿生產線蒸發工序選用導熱油鍋爐、板式蒸發器、DCS集散控制系統、310S不銹鋼防腐材料，采取提高蒸發器安裝高度，鍋爐與蒸發器相鄰安裝、改進真空系統、改進進料出料方法、改進完成液濃度確定方法、提高進料溫度等一系列技術措施，對降低蒸發煤耗是成功有效的，硫化堿蒸發煤耗控制到了220 kg·t-1以下，達到了降低硫化堿蒸發煤耗的目的。