蒸吸工序的工艺选择与节能途径

李发荣,马少波,王占和,杨 波,康林勇

(1.青海昆仑碱业有限公司,青海 德令哈 817000;2.天津渤海化工设计院,天津 300450)

蒸吸工序的工艺选择与节能途径

李发荣1,马少波1,王占和1,杨 波1,康林勇2

(1.青海昆仑碱业有限公司,青海 德令哈 817000;2.天津渤海化工设计院,天津 300450)

通过对蒸吸各种工艺流程的分析,选择采用大型筛板蒸馏塔和真空蒸馏及二次闪发技术相结合工艺流程,经国产化的筛板式蒸氨塔,使以前无法克服的恶劣繁重的清塔工作变得简单、容易。同时筛板蒸氨塔具有操作稳定、系统阻力小、生产能力高、塔内结疤少、运行周期长的优点。筛板塔技术的工艺优化和选型是氨碱厂节能降耗的重要途径。

蒸馏吸收;筛板蒸氨塔;真空蒸馏;节能;防结疤

1 概 述

氨碱法纯碱生产中,氨是作为中间介质存在的;在工艺过程中,它是周而复始不断循环的,而这种循环就是借助于蒸馏和吸收来实现的。蒸吸工序是利用蒸馏设备回收制碱母液及其他含氨杂水中所含的以NH4Cl、(NH4)2CO3、NH4OH等形式存在的氨及二氧化碳。它的设置,使氨在制碱中循环使用成为可能。蒸吸工序处于制碱的主要物料流溶液处理的前端和末端,它是NH3与CO2返回下一个制碱循环的重要连接点,它的工况与生产效果如何是建立全系统良性工业循环的关键,也是全厂降低物料消耗与能量消耗的一个重点。冬季生产的供汽与夏季的冷却作业方面的不利条件,都对搞好蒸氨生产起着制约作用。蒸吸工序在纯碱生产工艺中,是一个非常重要的环节,蒸吸工序设备状况及操作状况的好坏,直接影响纯碱生产成本和能耗的高低。蒸氨能耗约占氨碱总能耗的30%左右,因此,对于蒸吸工序的设备、工艺管理及技改技措管理有着十分重要的意义。

化工生产中,单元操作过程的影响因素,往往是错综复杂的,有时甚至是相互矛盾的;因此,工业生产,工艺指标的确定,力求全面客观,在综合分析的基础上做出适宜选择。氨碱厂蒸馏工艺的设计和操作管理应考虑的因素主要有:

1)尽可能地将NH3和CO2从溶液中驱除,以最大限度减少废液中的氨和石灰乳消耗量;

2)有效利用热量交换,减少蒸馏废液当量和降低废液温度,以降低能耗;

3)缓和蒸馏设备的结疤速度,延长其作业周期,减少清塔频率;

4)寻求较高的设备生产强度。

在实际生产中,通常在行业上评价蒸氨工序工艺与装备优良与否的标准是:

1)能否提高母液的处理量,各段能力与每套蒸氨装置的综合能力相匹配;

2)能否确保蒸氨出气的冷却与浓缩合乎规定的要求;

3)能否在降低蒸汽、灰乳、水、电消耗量的条件下,将氨和二氧化碳蒸出完全;

4)能否确保设备管道上气液物料流的通过能力大、阻力小,并维持稳态流动。

以上4项就是对蒸吸工序产量、质量、消耗、安全与均衡作业的全面要求。

氨碱厂蒸氨过程旨在将含氨溶液,通过蒸汽提馏将其中的NH3和CO2回收循环再用。对工艺完整的氨碱厂来说,重碱分离母液一般与其他含氨溶液分开蒸馏进行氨的回收。分开蒸馏的目的,一方面是为了把部分不含有结合氨的溶液单独蒸馏加热以驱出挥发性的NH3和CO2,可以节约石灰,同时还可以将蒸馏液作为其他工艺用水,做到两次利用;另一方面则可使蒸馏废液的体积当量缩小,便于处理。需要指出的是氨冷凝液,它含有很高的NH3和CO2,在工艺安排上,习惯将这部分溶液用作回流,以精馏母液蒸氨塔的出气,并降低蒸汽消耗,但是也有些工厂将它与滤过母液一并处理。蒸吸工序所处理的母液,因其是否经煅烧炉气预分解,而有热母液与冷母液之分。采用母液洗涤炉气流程的碱厂,母液是热母液;该工序是始于冷母液还是热母液,对作业的进程和效果都有一定的影响。目前国内多数厂都是使用热母液蒸氨流程的。

蒸吸氨工序是氨碱法纯碱生产的主要氨耗岗位;正常消耗在1.0～1.5 kg/t碱,最好的操作指标可达0.5 kg/t碱;但也有操作水平不高的工厂,单位消耗可能超过5 kg/t碱。

2 蒸吸工序各种工艺流程特点

过程所采用的工艺操作方法,各国都根据各自的研究成果和客观条件作出各自的选择。截至目前,常用的蒸氨工艺可以归纳为以下几种流程:①典型的正压蒸馏流程;②真空蒸馏流程;③干法石灰蒸馏流程;④固体氯化铵蒸馏流程;⑤大型筛板蒸氨塔和真空蒸馏及二次闪发技术相结合流程。

2.1 典型的正压蒸氨工艺流程

氨碱厂使用冷母液洗涤炉气,一方面可以提高母液温度,降低蒸氨汽耗,另一方面可以脱除母液中的CO2,提高炉气中 CO2含量,这种典型的蒸氨工艺流程已被国内外众多碱厂采用,其工艺流程是大致相同的,只是各厂在完善程度上不尽相同而已。

冷母液由冷母液泵送入炉气洗涤塔上部,煅烧炉出气从母液洗涤塔下部进入,与母液逆流接触进行洗涤,吸收母液中的CO2,降低炉气温度,提高母液温度。热母液从母液洗涤塔出来进入热母液储桶,与向生产系统补充的氨水、回收的含氨杂水及作防腐剂的硫化钠溶液相汇合,用母液泵送往母液蒸馏塔上部预热段,与蒸氨出气进行热交换,母液被预热,升温约18～30℃,然后进蒸氨塔的加热分解端上段的分布器,在填料层中淋洒而下,被下部上来的气体加热而分解,使绝大部分CO2及一部分游离氨蒸出,从这一段底部出来的液体即预热母液自流入预灰桶内。由灰乳泵送来的石灰乳进入高位分配器,经计量槽定量调节后放入预灰桶内,进行加灰反应。多余的石灰乳从分配器上部溢出回流至灰乳储罐,由于保持回流,分配器内总是充满的,故能维持稳定的灰乳加入量。

母液与石灰乳在预灰桶内因搅拌混匀而迅速反应,部分NH3、H2O汽逸出,导入蒸氨塔中部。调和液从预灰桶上部出口溢流到下蒸馏段顶圈,液体经逐块塔板,进行热量与质量传递,分离出氨气,下降至底圈,成为废液排出,通过两级串联的闪发器(或一级闪发器),废液因上空被蒸汽喷射器抽引成真空而自蒸发。闪发的蒸汽引入到塔中部或淡液蒸馏塔以利用其热量。液体则由泵送往渣场,澄清、存放。蒸汽进塔底与液体相向流动,其氨分压逐圈递增,从下部蒸馏段顶圈上至空圈,与预灰桶挥发出来的气体在这里汇合并分离去灰沫,上至加热蒸馏段底的1块(或2块)泡罩塔板,将灰沫洗净,然后上升至填料层中进行热、质传递,气体继续上升到冷凝液精馏圈,驱出液体中一部分CO2与NH3,然后离开主蒸馏段,至蒸氨冷凝器,气体被冷却并冷凝直至可满足下工序对气体温度、浓度的要求,然后送往吸氨塔。而冷凝液则流至淡液桶,再用泵抽出经计量后送往淡液蒸馏塔处理。废淡液从塔底排出,用泵送往化灰或化盐使用,或经过钛板换热器冷却后送到过滤工序作为碱车洗水使用。淡液蒸馏塔用汽是以二级闪发器的低压蒸汽送入。淡液塔出气也单独经过小冷凝器进行冷凝。其凝液则回流到淡液塔入口上方的塔板或返回淡液桶内。

氨碱厂直接采用冷母液蒸馏的工艺流程为:冷母液由滤过工序母液泵送来,经母液过滤器除去其中的固体杂质后,进入氨气冷凝器与蒸馏塔蒸出的混合气换热,换热后的热母液自流进入母液蒸馏塔顶部的预热段,其他流程与热母液流程基本相同。

2.2 干法石灰蒸馏流程

干法石灰蒸馏是一项降低蒸氨能耗的有效措施,众所周知,石灰消化能放出大量的热,反应方程式如下:

CaO(S)+H2O(l)=Ca(OH)2(S)+66542 kJ/mol

假如在蒸氨过程中这些热量能直接加以利用,可以大大降低蒸汽的消耗;从理论上讲,干石灰蒸馏无论对节汽、节水、强化装置能力和增浓废液CaCl2浓度都十分有益。

干法石灰工艺流程,主要包括以下几个步骤:

1)石灰磨粉:石灰窑煅烧石灰石所得粒度大约100～150 mm的石灰,先粗碎成大约40 mm的碎块,而后再磨成粒度＜0.15 mm的细粉,合格的石灰粉用空气输送到石灰粉仓。

2)干石灰化灰:由蒸氨塔预热段来的预热母液在预灰桶内与运来的石灰粉混合进行消化反应,所得调和液由预灰桶底部压入集砂罐,石灰粉夹带的砂子在这里分离后,再入洗砂罐,定时用预热母液和蒸馏废液分2次洗涤后弃之。调和液则从集砂罐顶部溢出,自压入蒸氨塔的蒸馏段。预灰桶反应产生的NH3由桶顶引出,被送往蒸氨塔的预热段。

3)蒸氨过程:预灰桶来的调和液在蒸氨塔蒸馏段内与塔底加入的新鲜汽提馏蒸出氨气;这些分解反应所产生的NH3按常规直接进入预热段的下部。蒸馏段底圈放出的废液,则流经闪发器闪发部分蒸汽后,再稀释排放到废液渣场。

4)母液预热:母液预热流程类似压力或真空蒸馏,可以先后在氨冷却塔、蒸氨塔冷凝器、预热段换热后,在预灰桶内与干石灰混合消化。

荷兰阿克苏碱业公司的干法石灰蒸馏工艺技术也是在真空状态下实现的,主要是保证固体粉状石灰能顺利地进入预灰桶,而不致恶化生产岗位环境和造成大量氨的逸散;因此,预灰桶维持平压或微真空状态操作和保证把石灰块粉碎到＜0.15 mm细度是干石灰蒸馏工艺成功的秘诀。

2.3 真空蒸馏流程

蒸氨能耗庞大,为氨碱法整个等价能耗的1/3,而蒸馏废液带出的显热又占工序能耗的70%,其热量损耗十分可观,从降耗节能出发,降低蒸馏废液排放温度是工艺矛盾的焦点。因为真空蒸馏系统温度降低,废液温度也无疑会随之降低,那么液相显热损失也相应减少。

根据索尔维碱业公司的研究,真空蒸馏工艺既有降低能耗,又有缓和蒸氨塔蒸馏段和预灰桶结疤的好处,可以延长设备运转周期。真空蒸馏工艺过程,无论设备还是操作可以说与压力蒸馏工艺完全一样,差异仅是蒸氨系统绝对操作压力值降低;甚至可以将整个装置处于低于大气压力下操作。具体指标各厂各取所需,有的蒸馏段是低压操作,而预热段真空操作,预热桶则采取平压或微真空操作,这样的工艺可以叫低真空操作。对整个系统处于真空状态时,则称为高真空蒸馏操作。

总之,蒸氨塔的操作状态是由蒸氨段塔底压力决定的;同时,也相应决定了整个蒸氨系统的气、液相的温度指标。工厂里常见的真空蒸馏工艺是低真空蒸馏系统,并配以高真空淡液蒸馏系统,以直接回收废液闪发的蒸汽。

2.4 固体氯化铵蒸馏流程

固体氯化铵蒸馏是一种改良型蒸氨过程,它是日本旭硝子株式会社发明的新旭法(NA法)的一个组成部分。在实施用联合制碱法中冷、盐析出的氯化铵以固体方式与石灰乳调和蒸馏以回收氨,来实现类似氨碱法生产过程的氨循环,以寻求有效调节氯化铵联产比例和进一步降低纯碱生产的能耗。这就有可能根据氯化铵农肥市场需求,工厂可以自由地选择联产氯化铵产量的余地。

固体氯化铵蒸馏工艺流程为:有冷、盐析结晶所得的氯化铵,经离心分离获得固体氯化铵,而后通过运输机械运往预灰桶,在桶内将固体氯化铵与石灰乳调和成浆液后,溢流送入蒸氨塔的蒸馏段。用新鲜蒸汽加热,氨即因分解反应逸出,经冷却后,去吸氨工序,达到循环返回联碱工艺中去。蒸馏废液可作抛弃处理。固体氯化铵蒸馏的预灰桶也必须在常压或是微真空状态下操作,这样可以使固体氯化铵能顺利地运入预灰桶内,而是密封结构不太复杂。该工艺操作方法类似于固体石灰蒸馏,但它不存在在预灰桶分砂的麻烦。

3 蒸吸工序的工艺比较

任何一种工艺都是在特定的条件下产生的,因此评述一种工艺的优、缺点必须要客观地、因地制宜地分析其利弊关系,然后作出选择。

1)在纯碱行业压力蒸馏与真空蒸馏是争论最多的,这是因为这两种路线关系到蒸馏废液直接带出显热量相差太大的缘故。根据近年来国内外的使用情况,可以把真空蒸馏工艺归纳出以下几点好处:

①可以降低能耗,而且数值颇大;

②可以延长设备运转周期,一般可以做到1.0～1.5年,对提高设备利用率,稳定生产大有益处;

③真空蒸馏的实践,还证明它有利于降低废液的含氨;即随着压力的下降不仅废液带出的显热减少;同时,它的氨耗损失也在变小。

2)当然,真空蒸馏也存在着不足之处,它与压力操作相比,也有以下主要的问题:

①装置生产强度明显衰退。不同操作压力时,单位截面积上的液体流量范围可以在12～25 m3/h之间变化,而且是与操作压力成正比的。在正常操作时,自由断面上的容许气速受1.4～1.7 m/s所限,超过限额使传质过程恶化。生产实践证实,若超越容许气速范围,即使采用增加蒸汽量和提高真空度,能力有所提高,但操作指标遭到严重破坏,会出现“气顶”、冒沫等失真现象,这些都是正常生产所不能承受的。也正是因为这个原因,成为了真空蒸馏技术广泛推广的限制因素;

②随着真空度的提高,相关联的吸氨系统的生产负荷也必须相应降低;同时气相夹带的水分随之增加;

③真空蒸馏还会明显地影响预热母液中的CO2驱净率,低温对碳酸盐类的分解远不及高温强烈。

根据生产经验可知,不同操作压力下,预热母液中CO2含量随着压力降低含量也在逐渐增加,大量CO2进入预灰桶,无疑会引起大量石灰的浪费;与此同时,由于系统温度较低,也会有可能使一部分过烧石灰,或者说活性低的氧化钙的利用率降低,损失量在15～25 kg/t不等。欲避免这个缺点,就要求石灰石煅烧适度。

3)干法石灰蒸馏的优点在于利用了石灰消化反应热。从理论上讲依据是充分的。它的主要优越性在于:

①可以直接全部回收固体氧化钙的水合热,这部分热量相当于711.28 MJ/t;

②不需要化灰用水,可以节省大约2 m3/t的水资源,从而做到了真正意义上的节水;

③可以相应地降低蒸馏废液当量约25%;减少废液显热损失约150.00 MJ/t;

④由于通过蒸氨塔的液体体积当量的减少,似乎蒸氨塔生产能力可以得到提高;

⑤废液中的CaCl2浓度可以提高30%,对其综合利用回收副产提供了条件;

⑥废液带走的氨绝对量相应减少。

4)从干法蒸馏的优点来看,节能降耗是显著的;但要达到上述目的,需要解决以下诸多的问题:

①要求石灰石煅烧处于最优化的状态。从石灰粉化着眼,理应采用小粒度石灰石作为原料更为合理;要保证石灰石在窑内有足够的停留分解时间,以期尽可能降低返石率,而且还要防止石灰过烧。

②生石灰需要远距离运输送往蒸氨工序,因此,无论是在石灰还是蒸氨工序需有一个宽敞的地域用作生石灰的逐级粉碎成细粉末;

③将干石灰细粉运入预灰桶内,压力操作是不可取的;为了避免预灰桶接口处氨的逸散,桶的操作维持平压或微真空是必不可少的;

④干法石灰蒸馏使石灰消化过程转移到预灰桶内进行,使整个反应缓慢和溶液黏度增大,必须延长其在预灰桶中的停留时间,那么只有采取加大预灰桶的容积和强化搅拌的途径;也许可以通过对干石灰预先适量湿润进行预粉化来弥补这一缺陷。

⑤干法石灰蒸馏工艺对设备的密封、耐磨、耐蚀性能等相关要求较高,未能达到全面推广的效果。

从干法石灰蒸馏的优缺点来分析,若能注意扬长避短,节能效率不容低估。

综上所述,就蒸氨工艺而言,目前所采用的方法都不是完美无缺的,优化的选择必须根据企业自身的主客观条件,对综合技术经济指标进行不偏不倚的全面评价后,作出取舍。

4 蒸吸工序节能的最佳选择

4.1 大型筛板蒸馏塔和真空蒸馏及二次闪发技术结合工艺流程

大型筛板蒸馏塔工艺为近年来推广较快的新技术,使以前无法克服的恶劣繁重的清塔工作变得简单、容易,可以说这是彻底改变和克服菌帽式蒸氨塔缺点的一次革命。筛板蒸馏塔工艺流程属于压力蒸馏的一种,因其具有生产能力大,操作方便、占地面积小等优点,近年来被各厂广泛采用。

原筛板塔工艺流程为由煅烧车间来的热母液进入加热分解段上部、被下部上来的热气体加热蒸出CO2和部分游离氨后,进入预灰桶上部与石灰车间来的灰乳进行反应,使母液中的固定铵变成游离氨。在预灰桶上部蒸出的部分NH3和 H2O与来自加灰蒸馏段蒸出的NH3、H2O以及闪发器闪发回收的蒸汽一起进入加热分解段底部。调和液从预灰桶下部压入加灰蒸馏段上部,预灰桶底部砂液用砂泵也送到加灰蒸馏段上部,与塔底进入的加热蒸汽进行热量、质量传递,蒸出 NH3。液体(废液)从塔底出来进入一级、二级闪发器、经闪发回收蒸汽后.经废液泵送至渣场。加灰蒸馏段蒸出的NH3和 H2O汽切线进入预灰桶上部。从加热分解段出来的NH3、CO2和H2O汽先后进入氨冷凝器和氨冷却器,用高压新鲜水进行冷却,冷至所需温度后进入吸氨塔,氨气和冷凝液采用逆流流程,氨冷凝器的冷凝液经“U”型管进入加热分解段上部,冷却器出来的冷凝液回淡液桶或热母液桶与母液混合后,再回蒸氨塔蒸馏进行蒸馏。

4.2 大型筛板塔蒸馏的主要工艺指标完成情况

φ3.0 m筛板塔,m3/(h·座) 140～230

蒸汽消耗,t/t 1.45～1.65

预热母液CO2,tt 1.0～2.0

废液含氨,mg/L 30～70

废液ACaO,tt 1.0～2.5

塔顶出气温度,℃ 70～73

36#圈温度 ,℃ 84～86

预热母液温度,℃ 91～94

中部温度,℃ 92～95

塔底温度,℃ 98～102

塔底压力,kPa 15～35

中部压力,kPa -6～10

36#圈压力,kPa -13～3

塔顶出气压力,kPa -18～-8

一闪废液温度,℃ 90～98

二闪废液温度,℃ 80～90

4.3 筛板蒸氨塔的性能特点对比及优化

筛板塔与泡罩塔的不同之处是,没有降液管、没有升气管及泡罩,在塔板上钻有若干小圆孔。筛板塔操作时液体横过塔板,气体则自板上小孔(筛孔)鼓泡进入板上液层。当气速过低时筛孔会漏液;若气速过高,气体会通过筛孔后排开板上液体径自向上方冲出,造成过量液沫夹带即严重轴向混合。所以,筛板塔长期以来被认为操作困难、操作弹性小而受到冷遇。然而,筛板塔具有结构简单的明显优点,筛板蒸氨塔内装若干层水平塔板,板上有许多小孔,形状如筛,操作时,液体由塔顶进入,经过全部筛孔逐板下降,并在板上形成积存液层。气体(或蒸汽)由塔底进入,经筛孔上升穿过液层,鼓泡而出,因而两相可以充分接触,并相互作用。筛板塔的操作反应机理是,气体在筛孔处呈喷射状态,喷射状态的气体向上使液体呈极度的湍流状态,气体呈乳化状态,使得气体传质面积大大增加,传质推动力大大提高,即有利于防止结晶或结疤在塔板和筛孔处。在筛板蒸氨塔的操作上,特别忌讳蒸量的大增大减,和灰乳的大幅度波动,大幅度的波动极易造成塔内偏流现象,和气液不平衡的状态,操作人员一定要协调好外界工序对蒸氨塔的影响,保持好筛板塔的最佳工况。

1)筛板塔特点主要表现在以下几方面:

①筛板蒸氨塔的蒸汽消耗大大低于菌帽塔。因为筛板蒸氨塔采用大孔径筛板作为塔板,结构简单,使全塔阻力降约为菌帽塔的1/2,塔底压力为15～25 kPa,出塔废液温度比菌帽塔低5～7℃,塔顶出气温度比泡罩塔低3～5℃。根据生产实践考核,筛板塔汽耗比菌帽塔低0.4 t/t碱左右。

②筛板蒸氨塔结疤少,能减少因结疤倒塔带来的物料损失。结疤问题一直是蒸氨作业中的一个技术课题。筛板塔在防止结疤和塔板清理方面,远优于菌帽塔,筛板塔结构简单,因此筛板塔的结疤情况远远低于菌帽塔,尤其在母液加热分解段,在此段大量CO2被蒸出,筛板塔有明显防疤效果。因筛板是平的,对疤的清理也比菌帽塔方便得多,每次塔板清理只需几个小时。

③筛板塔的生产能力远远大于菌帽塔。一般塔的内径与通过塔板的最大允许空塔气速,决定了最大的气体通量,也决定了塔的生产能力,而最大允许空塔气速又取决于圈高及气体平均密度。菌帽塔的气体流速达到1.6 m/s时,已经达到相当强化的程度了。实践证明,采用同塔径的筛板塔与普通菌帽塔比较,单位生产能力可提高1.3～1.7倍。

④筛板塔结构简单,重量轻。筛板塔同菌帽塔相比,没有溢流槽和泡罩,重量约为菌帽塔的1/2,且设备制造容易,节省投资。

2)表1为φ3000筛板塔与φ3200菌帽塔技术参数比较结果。

3)筛板塔采取的主要节能措施为:

①蒸氨塔选用大型、高效、节能的φ3000筛板蒸氨塔。该塔结构简单,生产能力大,阻力降小,出塔废液温度低。

②筛板蒸氨塔配以大型φ4500预灰桶,延长筛板塔使用周期。该设备容积大,使蒸氨塔使用周期延长至180天左右,减少了停塔次数和造成的氨、汽损失,节省了人工清理费用。同时预灰桶停加冷凝液,减少灰乳消耗,从而降低石灰石和煤的消耗,并使废液当量降低,减少废渣排放量。

表1 φ3000筛板塔与φ3200菌帽塔技术参数比较

③采用两级闪发工艺充分回收蒸氨塔排出废液带走的热量。一级闪发汽回蒸氨塔,二级闪发汽作为淡液蒸馏热源,使蒸氨塔排出废液由105℃降为89℃。

④氨气冷凝及冷却采用逆流流程,使冷凝液温度提高约15℃,冷凝液中NH3和CO2含量减少约40%,因此大大降低了淡液蒸馏汽耗,为淡液采用低能耗真空蒸馏技术提供了有利条件。

⑤淡液蒸馏选用φ2800填料塔,该塔阻力降小,动力消耗小,且充分利用二闪闪发汽作为热源;淡液蒸馏与氨气吸收均采用高真空操作,减少汽耗。

⑥蒸氨母液采用压力蒸馏,淡液采用真空蒸馏,在-50 kPa条件下进行真空蒸馏,即母液与淡液分开,压力蒸馏与真空蒸馏相结合。

⑦母液蒸氨塔蒸出的NH3和CO2在低真空条件下用淡氨盐水吸收成氨盐水;淡液蒸馏塔蒸出的NH3和CO2进入高真空内冷吸收塔,在高真空条件下吸收成淡氨盐水,即吸收分为2套系统,吸氨后尾气进入各自净氨器回收氨后排空。

总之,整套装置工艺中由于采用废液闪发,闪发汽合理利用和塔顶气体冷却逆流流程等措施,降低了蒸氨汽耗;大预灰桶的使用,使蒸氨系统使用周期延长到180天左右,同时停止往预灰桶加冷凝液,降低了石灰乳消耗,也降低了煤耗;采用内冷吸氨塔停用循环泵,使氨碱电耗进一步降低,从而使氨碱综合能耗降大大降低,以下各项数据为考核后的降低值:汽耗 0.4 t/t碱,石耗 :100 kg/t碱,煤耗 8 kg/t碱,电耗3 kW/t碱。通过以上能耗的降低,使氨碱综合能耗降为13.8 GJ/t碱。

4.4 蒸吸工序的最佳工艺选择

天津渤海化工设计院在蒸吸工艺设计中,借鉴了俄罗斯大型筛板蒸馏塔可靠数据,并结合国内各种蒸馏工艺的先进之处,采用大型、高效设备及选择先进合理的工艺路线,整套装置均确保了一次性开车成功,至今天津碱厂、山东海化、唐山三友、连云港碱厂、山东海天、青海碱业等各碱厂的生产装置均正常运行,各项指标经考核均达到或优于设计能力,各项节能措施都达到了预期效果。青海昆仑碱业有限公司结合了各大碱厂的使用经验,又结合了当地气压偏低和缺水的实际情况,在100万t纯碱项目中再次与天津渤海化工设计院进行合作,对大型筛板塔工艺和设备进行了优化改进,改型后的工艺流程为直接采用冷母液蒸馏的工艺流程,并采用了钛波纹管换热器设备,使蒸氨工序达到了更加高效的节能、节水功效。

改进后的流程为:冷母液由滤过工序母液泵送来,进入氨气冷凝器(钛波纹管换热器)与蒸馏塔蒸出的混合气换热,换热后的热母液自流进入母液蒸馏塔顶部的预热段,与塔内自下而上的热气体进行热交换,热母液吸热后,其中的大部分CO2气与部分游离氨被蒸出,随气体出塔去冷凝。母液蒸馏塔出来的混合气体经过氨气冷凝器(钛波纹管)及氨气冷却器(钛波纹管)冷却分离后,进入吸氨塔。氨气冷凝器冷凝后的冷凝液主要返回各自母液蒸馏塔上部预热段,氨气冷却器冷却后的冷凝液主要进入淡液桶,与煅烧送来的冷凝液混合后进入淡液蒸馏塔上部,与塔下部通入的蒸汽逆流接触换热,蒸出其中的二氧化碳和氨气,混和气自塔顶引出后进入氨气冷却器进行冷却,冷却后的氨气一起并入吸氨塔。

选用该工艺流程,可以减少炉气母液洗涤塔流程和设备,减少了蒸氨工序的冷却水使用量,提高了母液中CO2的利用率,提高了氨盐水中CO2浓度,减少了CO2在制碱系统中的循环量,也减轻了压缩机的生产负荷,提高了废液中的盐分含量,大大降低了废液的排放量,也为后续工序治理蒸氨废液,提供了可靠的依据。该工艺与传统的母液洗涤塔相比,可以节约一次性投资和大量的费用。在换热设备的设计选择中,采用了波纹管换热器,使节能效果更加高效。

5 筛板蒸氨塔及真空蒸馏吸收工艺的优化操作

1)预热母液温度:①95～97℃指标完成较好,但调和液中有大量的棒状结晶;②91～94℃指标完成需要大的过剩灰才能保证废液含氨合格,调和液中的棒状结晶不见了;③合理控制范围91～94℃。

2)蒸量调整:负荷160～230 m3/h,随着蒸量上升,蒸氨塔的指标有所下降。

3)吸氨塔进气压力为0～-3 kPa时,直接影响蒸氨塔的塔压,影响出闪发器的废液温度,影响蒸汽消耗,蒸氨塔的底部压力越小越有利于氨的蒸馏过程,吸氨进气压力的适宜范围是-8～-10 kPa,蒸量 220 m3/h,塔压 15～30 kPa,中部压力 10 kPa,出塔废液温度102℃,出一闪发器废液温度96℃左右。

4)吸收塔底圈出液温度的控制:刚开车时65℃、正常生产60～62 ℃。

5)过剩灰的控制:①预热母液94～95℃,单塔蒸量220 m3/h,废液过剩灰控制在1～4 tt能保证废液含氨合格;②当过剩灰高于4.0 tt时,废液氨下降不明显;③当废液过剩灰为0.5～1 tt时,废液氨平均值为150 mg/L。④合理控制范围1～2.5 tt。

6)吸氨塔出气温度的控制:30～40℃,净氨器进出水氨差小于1 tt。

7)为保证蒸氨塔节能,提高凝器冷凝液的温度,冷凝器出气应控制在75～78℃为宜,冷却器出气控制在60～65℃之间,可以保证高的冷凝液温度,保证氨盐水 TCl合格,起到节能目的。

8)冷凝液与氨气的逆流流程,冷凝器出冷凝液温度高达83～85℃直接回塔,冷却器出冷凝液温度高达70℃,因而节能效果显著。可以节汽300～400 kg/t,蒸氨汽耗1.865 t/t降至1.439 t/t。

9)采用大预灰桶,增加反应停留时间,使灰乳充分反应而且不加冷凝液,节石效果明显,节石100～200 kg/t,氨碱石耗由1495 kg/t降至1391 kg/t。

10)工艺技术先进,生产能力大,单塔蒸量可达225 m3/h,相当于同塔径泡罩塔的1.6倍之多,实现了DCS控制,减轻了工人的劳动强度。

11)工艺采用高效换热设备,占地少,换热效率高,节水效果十分明显,当进水为20℃时,冷凝器出液高达70～75℃,冷却器出水高达55～60℃。

12)废液当量、废液温度均有明显下降,原废液温度相当于现在的出塔废液温度,而一闪温度比前者低3～5℃。

13)存在的缺点:该塔比较适用于大负荷平稳生产操作,不适用于频繁加减蒸量,否则就会经常出现双高现象。

6 蒸吸工序的发展趋势

在氨碱法纯碱生产中,各厂通过选择不同的工艺技术,也达到了不同的高产、节能的特点,通过实践证明:以下几项工艺技术是蒸氨系统改造的发展方向所在。

1)高真空蒸馏技术的应用

压力蒸氨能耗大,是氨碱法生产纯碱整个等价能耗的1/3。然而蒸馏废液带出的显热又占工序能耗的70%,其热量损耗程度无疑十分可观。采用真空蒸馏系统温度降低,废液温度也随之降低,液相显热损失的热量也相应减少。真空蒸馏工艺过程,无论设备还是操作均与压力蒸馏工艺完全一样,差异仅是蒸氨系统绝对压力的降低。高真空蒸馏技术既有降低能耗(与压力蒸馏技术相比汽耗降低300～400 kg/t碱),又有缓和蒸氨塔蒸馏段和预灰桶结疤的好处,可以大大延长设备的运转周期。大连碱厂和广东南方碱厂均引进采用高效节能技术,使用效果良好,很值得学习和推广。

2)大型筛板蒸馏塔技术的应用

采用俄罗斯筛板蒸氨塔技术,使以前无法克服的恶劣繁重的清塔工作变得简单、容易,可以说彻底改变和克服了菌帽式蒸氨塔缺点。同时筛板蒸氨塔具有操作稳定、操作弹性大、系统阻力小、生产能力高,塔内结疤少、运行周期长(可达180多天)的优点。同样规格的筛板蒸氨塔其生产能力可达到菌帽式蒸氨塔的2倍左右。将筛板蒸氨塔技术与真空蒸溜技术相结合,并增加二级废液闪发技术已经在各个纯碱厂推广使用。目前,各大碱厂在技术改造(天津碱厂、唐山碱厂、山东海化等)和新建碱厂(青海碱业、山东海天、青海昆仑碱业、青海五彩矿业等)的工艺中大多都采用了该项技术。

3)干法加灰蒸馏技术的应用

干法加灰蒸馏技术是一项新的技术改进,对氨碱厂蒸馏塔节能具有重大意义。干法加灰工艺具有系统阻力小、蒸馏塔压力低、蒸馏塔运行周期长、操作平稳、抗波动性好、预热段效率高及节能显著(可节约蒸馏用汽400 kg/t碱)等特点。另外,干法加灰蒸馏废液中的CaCl2含量高,用于生产氯化钙可节约大量的能源。青岛碱厂引进的荷兰阿克苏公司干法加灰蒸馏技术,使用效果良好,很值得推广使用。

4)废液闪发蒸汽的回收利用

在蒸氨操作中,进入蒸氨塔的能量除一部分用于过程所需的反应热外,很大一部分被废液带出。对于一个不断发展的大型纯碱厂来说,废液带出热量的回收效益是非常可观的。目前国内、外最切实可行的回收方法是在废液排放前利用废液喷射闪发装置——蒸汽喷射泵或采用高真空蒸溜技术回收废液闪发出的蒸汽。目前的技术水平其吨碱回收量可达到300 kg蒸汽。

综上所述,随着科学技术的发展,我们还有很多技术处于落后的边缘,因此,今后的蒸氨系统改造中必须开拓思路,向新技术方向去开发,最终达到节能高效平稳操作的目的。

[1]大连化工研究设计院.纯碱工学,第二版[M].北京:化学工业出版社,2004

[2]陈学勤.氨碱法纯碱工艺[M].沈阳:辽宁科学技术出版社,1989

[3]王 楚.纯碱生产工艺与设备计算[M].北京:化学工业出版社,1995

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