硫酸鋁蒸發二次蒸汽回收利用工藝開發淺析

趙繼國，王志勇，馬劍輝，祖彥斌，楊有華

(盧龍縣雙益磷化有限責任公司，河北 秦皇島 066403)

蒸汽回收一直是熱點問題，在國家不斷號召節能減排以來，顯得尤為重要，尤其對于蒸發段工藝分散出去的水蒸氣是必不可免的。現在，二次蒸汽利用比較成熟的有多效蒸發和減壓蒸發工藝，但具體到硫酸鋁蒸發二次蒸汽利用，這兩種工藝都不太適合。主要原因有：硫酸鋁溶液是由鋁土礦與硫酸加壓反應所得，溶液易結垢的雜質較多，易使換熱器傳熱面結垢，使傳熱效率下降較快。而且，二次蒸汽的溫度為 100 ℃ 左右，低于常壓下硫酸鋁溶液的沸點，所以硫酸鋁溶液的多效蒸發只能在負壓下進行。隨著結垢的增加，使傳熱溫差損失越來越大，多效蒸發系統會失效，變得效率低下。如果用繼續增大負壓來降低硫酸鋁溶液的沸點，保持多效蒸發，會導致系統溫度低于硫酸鋁溶液的凝固點，而使系統管路、設備固結。所以硫酸鋁二次蒸汽利用在本工藝比較困難。隨著國家淘汰小型燃煤鍋爐，居民區對低溫余熱需求明顯加大，可以考慮余熱用于民生。由于偏酸性的水蒸氣本身含有著廢熱和污染物[1]，所以我們在工藝設計時充分考慮了工藝生產的需要、環保需求和市場需求。

1 工藝設計

我公司現有一套普通硫酸鋁生產線，采用的是常壓單效蒸發，二次蒸汽直接排放，浪費了大量熱能。本次改造主要是將現有敞口蒸發器改為密閉式蒸發器，工藝操作在密封狀態下進行，使二次蒸汽通過管道進入各級換熱器，逐級冷凝為酸性水，回到工藝中循環使用。此過程中余熱利用主要分3部分：一是在本生產系統利用，預熱涼溶液，提高蒸發效率，這一部分消耗的二次蒸汽量不大；二是進行社區供暖；三是加熱熱水外售，用于洗浴中心、屠宰場、攪拌站等。

1.1 設計目標

本次改造完成后，尾氣脫白，不凝性氣體排放符合大氣污染物綜合排放標準(GB16297-1996)。蒸發系統穩定可靠，具有操作性和容錯性，能夠保證產品質量，維修、清理簡便易行。外售熱水達到客戶要求的溫度，社區供暖達到集中供暖標準。

1.2 工藝流程和設備

如圖1所示，我公司硫酸鋁蒸發采用硫酸車間余熱鍋爐生產的生蒸汽，在主蒸發器內對硫酸鋁溶液加熱濃縮(蒸汽溫度約 160 ℃)，冷凝水通過疏水器進入預熱蒸發器，對預蒸發的溶液加熱(冷凝水溫度約 133 ℃)，然后進入酸冷器(冷凝水溫度約 111 ℃)，與熱水換熱后回鍋爐使用(冷凝水溫度約 90 ℃)。兩個蒸發器出來的二次蒸汽，先預熱涼溶液，再加熱供暖循環水，然后加熱熱水。用副線管路調節各換熱器內的二次蒸汽流量，分配熱量。經過以上三級換熱還沒有冷凝的余汽，在后續的換熱器中，用涼水塔大量冷水冷凝。不凝氣體進入鈦風機，經過兩級洗滌后放空。

圖1 工藝流程圖

工藝所需的設備見表1。

1.3 工藝管線

硫酸鋁二次蒸汽溫度 100 ℃，pH值3左右，腐蝕性強，流量大。從耐腐蝕性、經濟性和現場布管可加工性考慮，采用PPH管道及管件。

1.4 工藝優勢

國內普通硫酸鋁生產線的蒸發工序，大體都是常壓單效蒸發，尾氣直排，二次蒸汽沒有得到利用，污染較大。這次改造是在原有蒸發器的基礎上，通過改變鈦盤管進出形式，增加不銹鋼密封蓋，頂裝磁翻板液位計，快開門等，把蒸發器的生產方式由開放蒸發改為密閉蒸發，充分利用原有設備，節約資金。工藝操作環境、操作方便性有改進，原有重要的質量控制方法得到保留，依然可以通過溫度儀表與現場挑料相結合的方式，進行蒸發終點的確定，工人容易上手，產品質量有保證。此次改造，尾氣通過多級冷凝洗滌，工藝廢氣得到減排，能量得到回收，沒有二次污染產生。兩個蒸發器串聯蒸發，能保證二次蒸汽產出量穩定，因為硫酸鋁溶液的沸點隨著含量的增加而增高[2]，如圖2。

在蒸汽壓力基本不變的情況下，沸騰溶液的溫差越來越小。蒸發速率降低，二次蒸汽產出減少。但下一級蒸發器處于預熱階段，沸點低，蒸發容易，二次蒸汽產出多(主蒸發器到蒸發后期會憋壓，常少開一點旁路，使蒸汽和冷凝水一起進入預熱蒸發器)。低于 100 ℃ 的余熱在化工生產中很難利用，熱水用于民生，減少燃煤消耗，契合政府環保要求，企業也可以從余熱銷售中增加一定的效益，使改造有積極性、自主性和可持續性。

2 工藝改造過程

整個工藝改造期間，經歷了一次改造、一次擴建，通過初步設計試運行，確定了基本方向的正確之后，又增加了針對于工藝不足的改進工段，最終成功在預期內完成了最初設計的理想狀態。

表1 工藝所需設備表

圖2 硫酸鋁溶液含量與沸點關系圖

2.1 工藝初步設計

2.1.1 蒸發器的密閉改造

現有蒸發器采用的是敞開式碳鋼圓槽，內部玻璃鋼耐酸瓷磚防腐，里面有鈦盤管加熱，工人操作要靠眼睛觀察加液液位，觀察是否起泡沫，用木棍粘料，觀察濃縮液的狀態，判斷蒸發料是否達到規定含量。如果對蒸發器密閉，就要解決怎樣方便操作，不發生生產事故，保證產品合格。

1)液位計的選擇。硫酸鋁溶液pH值3左右，熱溶液具有很強的腐蝕性，同時，硫酸鋁溶液隨濃度的增加，黏度也逐漸增大，沸點逐漸升高，達到 112 ℃ 左右開始起泡沫，合格含量在115～117 ℃ 之間。綜合考慮耐腐蝕性、高溫性、泡沫影響，選擇頂裝磁翻板液位計，浮漂和連桿外包聚四氟乙烯。由于蒸發器內沸騰劇烈，用聚丙烯管自制保護管深入液面以下，保障浮漂工作范圍內液面相對平穩，避免連桿折斷或浮漂卡死。磁翻板液位計觀察方便，在整個房間可以隨時觀察。

2)蒸發器蓋材質的選擇。蒸發器蓋直接接觸二次蒸汽，工作溫度在 100 ℃ 以上，且硫酸鋁的二次蒸汽也有很強的腐蝕性，需要高溫下耐腐蝕材料。現有蒸發器蓋是用聚丙烯板制作的罩子，變形嚴重，各處進空氣，不能密封。改造后需要蒸發器蓋與蒸發器筒體之間密封，能有一定的預緊力，不能讓空氣進入內部，否則大大影響冷凝效果。綜合考慮材質的強度、耐腐蝕性、加工制作維修方便性，選擇 316 L 不銹鋼材質[3](先前選擇碳鋼內襯酚醛玻璃鋼失敗)。

2.1.2 鈦盤管進出蒸發器方式

由于鈦盤管易結垢，至少每月都要吊出手工清理，設計要考慮可以整體吊出。生蒸汽壓力較高，而且蒸發器內部二次蒸汽腐蝕嚴重，間斷蒸發生產，冷熱變化頻繁，內部不宜設置法蘭。蒸發器密封以后內部為微正壓，或者微負壓(取決于蒸發量、冷凝量、風機流量等的動態平衡)，總之，壓力不大。選擇的在筒體密封面處開豁口，盤管從豁口出去，法蘭設置在蒸發器外，用耐酸膠泥密封管四周，密封面處抹平(豁口內三面襯耐酸瓷板，盤管與筒體之間能滿足絕緣要求)。清理鈦管吊出時，鑿去密封面膠泥即可。陽極保護的陰極進出蒸發器也采用同樣方式，方便更換。

2.1.3 挑料方式

由于溶液的pH值、鐵含量等不同，蒸發終點溫度會有1～2 ℃ 的偏差，不能單靠溶液溫度確定蒸發終點，需要操作工通過觀察溶液凝固狀態來及時做出判斷。在蒸發器蓋上設置快開門，當測溫儀表顯示到達蒸發終點時，將生蒸汽關閉(先打開預熱蒸發器閥門)，打開快開門挑料觀察，合格則放料，不合格再蒸一會，一般一兩次就能合格(參考上一班次生產記錄的放鍋溫度)。

2.1.4 換熱器選擇

選擇改性石墨換熱器，換熱效率高，耐二次蒸汽腐蝕。

2.1.5 引風機選擇

選擇鈦斜流風機，流量大，功率小，耐腐蝕。蒸發可以產生正壓，蒸汽冷凝可以產生負壓，風機所提供負壓不需要太高，通常比系統阻力大些就行。流量大些有利于讓蒸發器內水蒸氣及時排出，保持微負壓狀態。

2.1.6 洗滌塔選擇

選擇硫酸淘汰舊設備填料吸收塔，修復后利用。內部耐酸瓷磚防腐，矩鞍環填料。洗滌水用車間循環水，洗滌塔回收的冷凝水和熱量可以帶到硫酸鋁生產線的調漿、反應、沉降，有利于生產，特別是秋冬季。

2.1.7 安全裝置

自動盲板(材質：PPH)，蒸發器可以產生正壓，不正常情況下需要有泄壓裝置。蒸發器的泄壓裝置設置在蒸發間房頂二次蒸汽出口豎管道三通上，三通上口為放空管路，設置法蘭盲板，旁路通向換熱器。正常生產情況下三通處為負壓，盲板自動吸附密封，正壓情況下盲板向上吹起(盲板僅串兩條長螺栓，可以上下移動)。

視鏡(材質：有機玻璃)，正對著加液口設置視鏡，可以觀察蒸發器里的沸騰情況，液位、加液大小等。

在初始階段主要針對于密閉蒸發的操作性進行設備改造，對于回收的總量進行運算，以此初步確定并采購了換熱面積 40 m2和 70 m2的兩臺石墨換熱器，PPH管道管件及鈦風機等。在這一階段改造中，初步決定了以 40 m2石墨換熱器中的硫酸鋁溶液對蒸汽進行冷卻，提高蒸發效率。兩個蒸發器串聯，穩定二次蒸汽流量，提高蒸發效率。以 70 m2石墨換熱器供暖回收余熱。針對于未冷卻的蒸汽部分，經過洗滌塔的洗滌，回流至工藝循環水槽。為了更好的監測整個工藝試運行階段的數據，各換熱器水側、汽側設置了壓力、溫度儀表。

2.2 工藝初試運行

在整個工藝初始運行期間，一開始就出現了加液管鳴爆現象，振動比較劇烈頻繁，打開放空管后消失。經分析認為，由于蒸發器密封操作，內部出現正壓，加液管路由于加液量很少，管截面上部出現較大空間，二次蒸汽在壓力作用下進入加液管路后，使加液管路里的溶液汽化，而出現鳴爆現象。根據分析，把蒸發器里加液管出口加裝了一個向上的彎頭，即使加液量很少也能使管路充滿，鳴爆現象消失。對于出現正壓較大現象，通過測量各段壓力降、溫度等參數，發現一級石墨換熱器 F40 m2的壓力降為 260 mm 水柱，比廠家給的參數大很多，本來預熱溶液也消耗不了多少二次蒸汽，增加一個調解旁路，來降低阻力。大量的二次蒸汽順利來到二級石墨換熱器 F70 m2，用于集中供暖，但供暖循環水溫度也只能達到 80 ℃，尾氣煙筒還有大量水蒸氣排出，說明石墨換熱器換熱面積和換熱效率參數與計算差別很大，換熱面積不足。所以說針對于蒸汽量和換熱面積的運算有著一定的不足。初步的運行工作，受到了較大的阻力，尤其蒸汽不能夠完全冷卻下來，只能夠依靠風機抽取蒸汽，進入到洗滌塔進行吸收，導致剩余的廢熱再次回流到工藝之中，通過自然的冷卻逸散掉。初步改造雖然產生了較高的工藝價值，提高了生產效率，但并沒有達到預期理想的效果。

2.3 針對于初步設計不足的完善

針對于回收工藝產生的問題，通過對市場調研和工藝總結提出，增加外賣熱水換熱段和涼水塔換熱段，涼水塔換熱段作為保障二次蒸汽全部冷凝的手段，來保障蒸發器微負壓狀態，補充到整個蒸汽回收工作之中。通過對硫酸車間各涼水塔的負荷進行核算，決定利用現有的一個涼水塔作為本次改造的涼水塔，利用硫酸車間淘汰的舊酸冷器，修復以后作為換熱設備以節約資金。兩個石墨換熱器和酸冷器(150 m2)都設調節副線，使熱量能夠調節，合理分配。洗滌塔出口氣體還是酸性，一個原因是水蒸氣未全部冷凝，一個原因是洗滌塔中的吸收劑是車間工藝循環水，本身就是酸性水，還有就是洗滌塔除霧效果不好，所以增加一級堿液洗滌塔(帶一節小電除霧)。蒸發器一次蒸汽冷凝水溫度很高，回到硫酸車間的鍋爐軟水罐常導致給鍋爐供水的多級泵發生氣蝕，增加一個換熱器給它降溫，同時給熱水提溫。反應釜尾氣以往直排，現并入洗滌塔處理，熱量回到工藝水中，利于沉降與反應。

2.4 整套工藝的試運行成果

通過二次改造，試運行開車平穩，產出熱水溫度達到 92～98 ℃，預熱鋁液 82 ℃，供暖 78 ℃，硫酸鍋爐回水降到 90 ℃，尾氣很少，中性。不銹鋼酸冷器運行一年沒有發生腐蝕泄露(沒有陽極保護情況下運行的)，不銹鋼蒸發器蓋(316 L)也沒有明顯腐蝕，PPH管道管件使用良好。石墨換熱器與水換熱供暖運行良好，另一個石墨換熱器預熱硫酸鋁溶液換熱面有輕度結垢現象，需要每月清洗一次(碳酸氫鈉水溶液在線清洗)。每天回收冷凝水近60噸左右，回收硫酸鋁 225 kg(蒸發過程氣泡破斷產生微量液滴被二次蒸汽夾帶而出，可通過冷凝水化驗得到)，通過預熱每天可增加產量6噸左右，供暖面積約1萬m2，熱水銷售逐步展開。由于工藝初步運行期間，正值秋冬季，專項改造過后產生了良好的經濟效益。對于市場需求進行了充分對接，使工藝改造所產生的余量完美切入了市場與民生的需要，為環境處理工作提供了新的開發方向。整套工藝運行期間，較為穩定。針對于廢熱的多級回收，提供了新的思路。

3 經濟效益的評估方式

運行后工藝的經濟效益評估：通過檢測對硫酸鋁溶液，在工藝改造前后，原料罐溶液溫度的提升量，綜合的核算產值。

1)核算蒸發工藝在生產上對于緊前緊后時間安排的壓縮。通過對工藝，壓縮時間的初步統計，來確定產生的經濟效益。

2)在熱水市場營銷方向上，通過對冬季供暖產生的經濟收入以及日常售賣熱水所產生的經濟效益進行綜合分析，根據不同的系數確定未來市場需求的偏向性。民生供暖方向還是短途用水的供給方向，進行合并運算。

3)末端工段的經濟效益根據回收偏酸性液體的流量，估算該部分液體所需要的環保處理費用，根據預算每年節約的費用確定為該工藝的經濟收入方式。

針對于工藝的三個分布進行聯合定位，每個工藝段所需熱量的調節工作。根據現實的經濟效益，進行充分調節，以保證各部分的最大產出。

4 結束語

二次蒸汽回收工藝相比于原始工藝具有著自身獨特的定位優勢，在提高生產效率，環境保護等諸多方面表現出了自身的綜合優勢，削減了生產成本，提高了生產效率。對于環境保護與氣體回收方面，二次蒸汽回收工藝的設計表現出了良好的經濟效益與社會效益。在新環境保護與節能減排的大背景之下，為現實生產提供了一個參考，也更加貼近于企業工藝的現實需要，具有的推廣價值。