烧碱蒸发系统碱性冷凝水的回收利用

张国奇，刘延安，张波，邬广军，高海阳

(陕西北元化工集团有限公司，陕西 榆林 719319)

陕西北元化工集团有限公司化工分公司氯碱分厂(以下简称“北元化工”)80万t/a离子膜法烧碱装置以高效节能为目标，引进意大利伍德迪诺拉公司复极式自然循环电解槽，系统分为A、B、C、D 4条生产线。配套2套40万t/a三效逆流降膜蒸发装置,将离子膜电解产生的32%(质量分数，下同)的烧碱浓缩至50%。

1 烧碱蒸发原理及工艺流程

1.1蒸发原理

北元化工蒸发装置采用三效逆流降膜蒸发工艺，蒸发加热源为0.85～1.00 MPa的蒸汽。三效逆流降膜蒸发工艺核心在成膜蒸发，在蒸发浓缩过程中，由于形成的二次蒸汽的流速很高，将液体拉成一层薄膜，流动速度很快，故环状流中有一个高速的蒸汽中心和一个流体环，气液界面上受到高流速的蒸汽干扰，紊流程度剧烈，使壁面的传热机制由饱和泡核沸腾给热转变为通过液膜的强制对流给热。此时，热量的传递方式也变为通过薄膜液层在液膜表面产生强烈的蒸发，给热系数很高。因此又称为薄膜蒸发。这时，通常在液膜内不再有气泡产生，热量主要通过液膜的导热和液膜表面的蒸发进行传热。

在膜式蒸发过程中，进入蒸发器碱液流量的大小和加热源的温度直接影响成膜及膜的厚度，控制好进入蒸发器中液体的流量及加热源的温度，在膜式蒸发过程中至关重要。若碱液流量过小，在降膜蒸发过程中，壁面液膜会出现断裂变干，而且使给热系数大大下降；碱液流量太大，而加热源的温度低，造成液体过热度不足，达不到沸腾，不能形成降膜蒸发。

1.2工艺流程

32%碱液由电解工序的阴极液泵输送至蒸发工序碱中间罐，由32%碱泵将碱液送至Ⅰ效降膜蒸发器，然后由各蒸发器碱液循环泵输送至对应Ⅱ效及Ⅲ效蒸发器；而蒸汽流向刚好与烧碱相反，Ⅲ效降膜蒸发器用蒸汽直接加热，Ⅱ效降膜蒸发器用Ⅲ效蒸发器产生的二次蒸汽为加热源，Ⅰ效降膜蒸发器用Ⅱ效蒸发器产生的二次蒸汽为加热源，并在真空状态下进行(工艺流程如图1所示)。

图1 烧碱蒸发工艺流程示意图

2 碱性冷凝水的回用

2.1碱性冷凝水的产生

32%烧碱在0.85～1.0 MPa蒸汽的加热下，经过三效蒸发器后得到50%的成品烧碱。在此过程中，随着烧碱不断浓缩，烧碱中的水分被蒸发后冷凝为液体即碱性冷凝水。北元化工蒸发装置设计满负荷出碱流量为67 m3/h(110%负荷为73 m3/h)，用32%碱生产1 m3的50%烧碱产生碱性冷凝水约0.8 m3，如果蒸发系统满负荷运行，可产生约110 m3/h碱性冷凝水。

2.2碱性冷凝水回用至一次盐水

合格的精制盐水在离子膜电解槽阳极室电解后质量浓度由308 g/L左右下降至220 g/L，而且出槽流量为进槽流量的70%左右,因此，精盐水在电解过程中消耗了大量的水，在化盐过程中须补充水，以满足正常生产的流量。2013年之前，北元化工蒸发装置的碱性冷凝水回用至一次盐水工序进行化盐，生产系统正常运行时基本解决了碱性冷凝水外排的问题，同时减轻了污水处理的压力。

2.3碱性冷凝水回用至药剂配制

随着系统生产瓶颈的逐渐解决，各装置稳定性逐步提高，生产装置的产能得到了极大的提高，废水排放及利用不平衡问题日益突出，不得不选择部分废水进行排放。为减轻公司废水处理的压力，氯碱装置选择将较为洁净的废水排放，其中包含蒸发系统碱性冷凝水，这样造成水资源的严重浪费，直接增加了烧碱的生产成本。针对水资源浪费的问题，北元化工对用水装置和排水点水质进行了分析对比。发现一次盐水碳酸钠、三氯化铁和二次盐水亚硫酸钠配制对水质无严格要求，故2014年北元化工将原设计使用纯水配制药剂改为蒸发系统碱性冷凝水。改造后，每天可节约纯水约1 000 m3，同时降低了烧碱生产成本。

2.4碱性冷凝水回用至离子膜电解槽

随着工业发展步伐的加快，国家对污染问题高度重视，废水排放标准及管理越来越严格，故2015年北元化工通过对排放废水及用水装置的水质要求进行全面分析，优化了工艺，并调整了废水回用及排放。长期跟踪分析对比发现，蒸发系统碱性冷凝水指标与纯水指标相近(见表1)，在对用水pH值无严格要求的场合下，完全可以代替纯水进行回收利用。

表1数据是在蒸发装置正常运行，连续14天分析的结果。由表1可知：第11和第12组的碱性冷凝水pH值超标，第4和第12组的碱性冷凝水电导率超标，其余指标均符合工业纯水三级指标要求，且碱性冷凝水pH值均偏高(碱性冷凝水中夹带微量碱)，接近纯水指标要求的高限。结合北元化工的实际情况，将碱性冷凝水回用至离子膜电解槽，作为阴极液补水。此项目的提出为公司废水平衡及生产成本的降低做出了极大的贡献。

表1 碱性冷凝水与纯水对比数据

2.5碱性冷凝水回用至氯化氢合成炉

正常运行时，两套40万t/a蒸发装置可产冷凝水约110 m3/h，而A、B、C、D这4条离子膜法烧碱生产线的阴极液补水消耗碱性冷凝水约96 m3/h，故仍有约14 m3/h碱性冷凝水外排，造成水资源的浪费。北元化工氯化氢合成炉在降温冷却的过程中，用纯水冷却并部分转化为0.25 MPa的蒸汽，蒸汽在闪蒸罐(锅炉)内产生。结合碱性冷凝水水质及锅炉用水要求，蒸发系统碱性冷凝水完全符合合成炉用水指标，故将富余的碱性冷凝水全部用于氯化氢合成炉。此项目的改造投用，实现了蒸发碱性冷凝水零排放，全部作为纯水回收利用。

3 碱性冷凝水回用效益分析

北元化工烧碱蒸发系统碱性冷凝水零排放回用经历了多次改造，分别回用于一次盐水工序化盐、药剂配制、离子膜电解槽阴极补水以及氯化氢合成炉。化盐和药剂配制对水质要求相对较低，可以采用其他工序的废水。而将碱性冷凝水回用至离子膜电解槽和氯化氢合成炉，可以将碱性冷凝水全部回用，完全代替了纯水；并且可以实现连续不间断回收：因此，这种回用方式更适合北元化工的生产现状。根据北元化工的实际情况，碱性冷凝水回收利用效益核算如下(纯水价格以10元/m3计)。

当20万t/a离子膜电解槽单线运行电流为14.85 kA时，电解槽阴极补水约为24 m3/h，则A、B、C、D这4条生产线运行时消耗纯水：24×4=96 (m3/h)。

自2015年1月离子膜电解槽阴极补水由纯水改为碱性冷凝水后，每月可节约生产成本(每月按照30天计算)：

96×24×30×10=691 200(元)。

自2016年4月将富余的14 m3/h碱性冷凝水全部回用至氯化氢合成炉，每月可节约生产成本(每月按照30天计算)：

14×24×30×10=100 800(元)。

则自2016年4月开始碱性冷凝水回收利用项目每月可创造效益：

691 200+100 800=792 000(元)。

4 结语

北元化工将烧碱蒸发系统碱性冷凝水回用于离子膜电解槽和氯化氢合成炉，不仅解决了废水排放的问题，同时减小了污水处理的压力，而且变废为宝，降低了烧碱的单耗，节约了生产成本，为公司带来可观的经济效益。须注意的是：在使用过程中，加强对碱性冷凝水指标的分析监控，避免因碱性冷凝水指标超标而造成事故的发生。

[1] 张守特,赵军军,刘立勤.离子膜蒸发工序蒸汽冷凝水回收再利用，天津科技，2014(10):104-107.

[2] 石建明 ,刘昌盛 ,祝辉年.等，烧碱蒸发冷凝水的综合回收利用[J].氯碱工业 ,2016,52(12):41-43.