氨堿法純堿蒸餾工序的節(jié)能措施

1、專題論壇氨堿法純堿蒸餾工序的節(jié)能措施胡書亞(中國天辰化學工程公司天津北辰300400摘要蒸餾工序是氨堿法生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)之一,合理的設(shè)計對節(jié)能降耗、降低成本至關(guān)重要。本文分析了蒸餾工序設(shè)計中應(yīng)考慮的節(jié)能措施:減緩蒸餾設(shè)備結(jié)疤速度,延長其使用周期;合理選擇氨冷卻器;注重回收蒸氨廢液的熱量,降低能耗。關(guān)鍵詞純堿氨堿法蒸氨塔節(jié)能蒸餾工序是氨堿法純堿生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)之一,蒸餾工序的生產(chǎn)好壞,很大程度上影響全廠的能源、氨、石灰乳等消耗和純堿生產(chǎn)成本。因此,蒸餾工序的技術(shù)進步,受到我國純堿工業(yè)科技工作者的重視,對其工藝、設(shè)備、管理等方面進行了大量改進和技術(shù)開發(fā),都在各自尋求合理的工藝裝置,以期盡可能地實現(xiàn)節(jié)能

2、、高效、低耗和安全的途徑。氨堿法純堿生產(chǎn)中,NH3是作為中間介質(zhì)存在的,在工藝生產(chǎn)過程中它周而復(fù)始不斷循環(huán),而這一循環(huán)是借助于蒸餾過程來實現(xiàn)的。欲從溶液中將NH3驅(qū)出,是一個復(fù)雜的處理過程,并需要龐大的設(shè)備,它往往關(guān)系到工藝設(shè)備設(shè)計的成敗。蒸餾工序設(shè)計應(yīng)考慮的因素包括:減緩蒸餾設(shè)備的結(jié)疤速度,延長其使用周期,降低掃塔頻率;合理選擇氨氣冷卻器形式;選擇合理工藝流程,回收廢液熱量,降低能耗。設(shè)計工作中考慮上述影響因素,做出合理的工程設(shè)計,是蒸餾工段設(shè)計的關(guān)鍵?，F(xiàn)就設(shè)計中采取的相關(guān)措施分析如下:1 減輕結(jié)疤、延長作業(yè)周期蒸餾塔結(jié)疤問題是制堿行業(yè)的一個技術(shù)難題,迄今為止,尚無滿意的解決方法。蒸氨塔連續(xù)

3、作業(yè)時間,國內(nèi)除干法加灰蒸氨塔作業(yè)周期較長外,其余塔一般在30天左右,作業(yè)時間短的僅20天,最長的為90天左右。而國外一般為618個月,最長的可達24個月。為此,蒸吸工段設(shè)計工作中,將減輕結(jié)疤、延長作業(yè)周期作為重點之一。關(guān)于蒸餾塔結(jié)疤的機理、防疤除疤的手段與方法等方面,國內(nèi)外無數(shù)制堿工作者做了大量的研究工作,但有效實用而經(jīng)濟合理的方法不多。對蒸餾塔結(jié)疤問題,基本相同的觀點是:認為結(jié)疤是在預(yù)灰桶內(nèi)硫酸鈣過飽和度未消除而造成。隨著反應(yīng)時間延長,溫度升高,硫酸鈣沉淀在蒸餾塔蒸餾段從上而下逐漸形成,并發(fā)生晶形轉(zhuǎn)變,從二水硫酸鈣(CaSO4·2H2O轉(zhuǎn)變成半水硫酸鈣(CaSO4·1/

4、2H2O、無水硫酸鈣(CaSO4,結(jié)疤厚度從上到下增厚,疤層的牢固性從上到下增強(這些現(xiàn)象都與實際現(xiàn)象相符。而結(jié)疤成分主要是硫酸鈣及其它固形物如碳酸鈣和灰乳帶入的砂粒,它們互相凝聚及包裹,結(jié)疤加淤積相互促進,導致蒸餾塔、預(yù)灰桶及液體通道結(jié)疤堵塞,從而迫使蒸餾塔停塔清理。根據(jù)生產(chǎn)廠家的經(jīng)驗,能在一定范圍內(nèi)減輕蒸餾塔結(jié)疤的方法有:(1選用篩板蒸氨塔;(2增加預(yù)灰桶攪拌強度,加大預(yù)灰桶體積,即增加調(diào)和液內(nèi)的停留時間。降低精鹽水硫酸根含量是解決結(jié)疤堵塔的根本辦法,但硫酸根的進一步降低亦非易事,而灰乳除砂目前尚無更有效的方法。提高預(yù)熱母液CO2含量或在預(yù)灰桶中加冷凝液雖經(jīng)實踐證明效果比較顯著,但它是以增

5、加石灰石、蒸汽的消耗,及廢渣排放量的增加為代價的,只能是權(quán)宜之計。降低蒸餾塔及預(yù)灰桶的操作溫度是與生產(chǎn)操作有關(guān)的指標,設(shè)計階段能夠做到的是在預(yù)灰桶攪拌強度和預(yù)灰桶體積的選擇上做工作,以改變預(yù)灰桶內(nèi)硫酸鈣過飽和度,起到改變結(jié)疤和轉(zhuǎn)移結(jié)疤的效果,達到減輕塔內(nèi)結(jié)疤、延長作業(yè)周期的效果。設(shè)計中采取了以下措施:1.1 篩板蒸氨塔的選用蒸氨塔是母液蒸餾的主要設(shè)備,由預(yù)熱段和蒸餾段組成,蒸氨塔的設(shè)計必須遵循效率高、操作彈性大、工藝指標良好和便于清理結(jié)疤的原則。上個世紀70年代,國外研究開發(fā)出篩板蒸氨塔,該裝置設(shè)計的出發(fā)點是建立在最簡單的篩板塔器的基礎(chǔ)上。國內(nèi)生產(chǎn)中廣泛采用的主要是泡罩塔,近年來國內(nèi)也有采用篩

6、板塔的,該塔生產(chǎn)能力較大,一臺直徑 3 m的篩板蒸氨塔生產(chǎn)能力高達850900 t/d,使用周期也可延長到34個月。從結(jié)構(gòu)上,篩板塔是將泡罩塔板全部改為篩板塔板,不設(shè)內(nèi)外溢流管,設(shè)備簡化了許多,制作比泡罩塔容易得多,質(zhì)量輕、安裝方便。清理時雖然仍依靠人工和風鎬,但因塔圈內(nèi)有效空間大、無死角和彎道,使得清理工作比較方便,清理工時費用低。1.2 增大預(yù)灰桶體積并改變預(yù)灰桶進出液路徑以往,我國大型氨堿廠預(yù)灰桶設(shè)計中,通常采用普通的帶有門框式攪拌的預(yù)灰桶,如?；?0萬t/a裝置,預(yù)灰桶直徑4 m,桶高11 m,容積90 m3,配套蒸氨塔直徑3.2 m,調(diào)和液停留時間30 min,最大生產(chǎn)能力時停留時

7、間24 min,蒸氨塔作業(yè)周期30天。根據(jù)蒸氨塔的操作情況,總結(jié)各廠家蒸氨操作經(jīng)驗,認為加大預(yù)灰桶體積,增加調(diào)和液在預(yù)灰桶內(nèi)的停留時間對延長作業(yè)周期有利,于是在?；跀U建時,改變了預(yù)灰桶設(shè)計,新的預(yù)灰桶直徑為4.5 m,桶高17 m,容積270 m3,最大生產(chǎn)能力時停留時間43 min。預(yù)灰桶進、出液路徑在過去的設(shè)計中,灰乳和預(yù)熱母液是從預(yù)灰桶下部進入,調(diào)和液上部排出進蒸氨塔。新建廠設(shè)計中,改變了液體路徑:即灰乳和預(yù)熱母液從預(yù)灰桶上部進入,調(diào)和液從下部排出,再向上返進蒸氨塔。這樣設(shè)計,調(diào)和液路徑加長,相應(yīng)地改變了停留時間。整個預(yù)灰桶的反應(yīng)過程為:灰乳和預(yù)熱母液從預(yù)灰桶上部自上而下流動,反應(yīng)逐步

8、完善,溫度逐漸升高,硫酸鈣沉淀在預(yù)灰桶內(nèi)自上而下逐漸形成,并發(fā)生晶形轉(zhuǎn)變;由于加大了反應(yīng)時間,在預(yù)灰桶內(nèi)有足夠的反應(yīng)時間使調(diào)和液中的二水硫酸鈣(CaSO4·2H2O轉(zhuǎn)變成半水硫酸鈣(CaSO4·1/2H2O、無水硫酸鈣(CaSO4;又由于灰乳中砂粒的存在,為硫酸鈣的附著提供了晶種,自上而下逐漸長大,并附著在預(yù)灰桶桶壁上,當調(diào)和液進入蒸氨塔時,硫酸鈣過飽和度已消除,所以蒸氨塔內(nèi)不易形成致密的鈣疤,使得蒸氨塔的清理工作容易進行。因此,改變預(yù)灰桶設(shè)計結(jié)構(gòu)的同時也改變了結(jié)疤過程。從投產(chǎn)情況看,效果是顯著的,蒸氨塔作業(yè)周期可達90天。清塔時,塔內(nèi)結(jié)疤疏松,易于清理;而預(yù)灰桶內(nèi)形成的結(jié)

9、疤層,因預(yù)灰桶結(jié)構(gòu)簡單,空間大,使清理工作變得比較簡單。綜合上述分析,認為由于停留時間的改變,預(yù)灰桶內(nèi)的硫酸鈣有足夠的反應(yīng)時間發(fā)生晶形轉(zhuǎn)變;由于路徑的改變,灰乳中砂粒的存在為硫酸鈣的附著供了晶種,與實際操作情況相吻合,這種設(shè)計對蒸氨塔的操作是有利的。2 合理選擇氨冷凝器氨冷凝器的作用是:第一,將蒸氨出氣冷卻到規(guī)定的溫度范圍,同時使氣體中H2O汽大量冷凝, NH3及CO2得到濃縮;第二,通過對母液及各段冷卻水的預(yù)熱或加熱,使出氣的熱量得到回收利用,降低蒸汽熱能。2.1 蒸氨冷凝器的結(jié)構(gòu)形式目前國內(nèi)的蒸氨冷凝器有:冷卻方箱式(傳統(tǒng)式、平板式、螺旋板式、波紋管式(新式。傳統(tǒng)的冷卻箱式蒸氨冷凝器由多個

10、鑄鐵冷卻箱組成,國內(nèi)冷卻箱的形式基本上是一致的。冷卻箱式冷凝器的優(yōu)點是氣路凈截面積大,流體阻力較小,對蒸吸氨操作都是有利的,由此而來操作較平穩(wěn),溫度調(diào)節(jié)的靈敏度適中,不過敏,所以運行安全可靠。但冷卻箱重量很大,傳熱性能差,為了強化傳熱,加大間壁溫差,縮小水的進出溫差,所以冷卻水耗量大,投資亦較大。平板式蒸氨冷凝器傳熱效率高,但流體壓降大、彈性小,操作易過敏,使用周期短、清洗頻繁。尤其是在鹵側(cè),在鹽水不好的情況下,10天左右就要清洗1次。主要原因是板片間隙小、只有4 mm,很容易被結(jié)疤和雜物堵塞。螺旋板式蒸氨冷凝器有很高的傳熱速率,流體壓降則比平板式低,傳熱板可分為23個梯級,與不同流體進行換熱

11、。但是仍然有平板換熱器的弊病,一旦損壞難以修復(fù)。波紋管換熱器是在傳統(tǒng)管殼式換熱器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,用薄壁不銹鋼波紋管取代管殼式換熱器的厚壁光滑換熱管而發(fā)展起來的換熱新產(chǎn)品,它繼承了管殼式換熱器堅固耐用、安全可靠、使用場合廣等優(yōu)點,同時又克服了其換熱能力差,易結(jié)垢堵塞等缺點,與其它形式的換熱器相比,其綜合經(jīng)濟性能指標處于領(lǐng)先水平。換熱管采用波紋形狀,管內(nèi)外流道截面連續(xù)不斷地突變,造成流體流動,即使在流速很低的情況下也能始終處于高度湍流狀態(tài),難以形成層流底層,使得對流傳熱的主要熱阻被有效地克服,管內(nèi)外傳熱被同時強化,因而傳熱系數(shù)很高。同時,使得流體中的微粒難以沉積結(jié)垢而具有自然防垢和自然除垢的能力。2

12、.2 波紋管換熱器與水箱式氨冷器的比較綜上所述,認為波紋管換熱器更有選擇優(yōu)勢,現(xiàn)以單臺蒸氨塔配置為例作如下分析:(1設(shè)備造價采用水箱式氨冷器,每臺蒸氨系統(tǒng)配帶12個水箱。用鈦換熱管,每個水箱價格平均45萬元,共需540萬元;若采用波紋管式氨冷器,換熱面積800 m2,設(shè)備造價370萬元。兩者相差170萬元。(2土建費用采用水箱式氨冷器廠房高度為52 m,若改選為波紋管換熱器,廠房高度為42 m,兩者相差10 m,由此而節(jié)省的單塔土建費用大約為10萬元。(3安裝費、人工費和機械費采用水箱式氨冷器水箱總重240 t,采用波紋管式氨冷器設(shè)備總重量約47 t。僅安裝費一項,差異在30萬元。由此可以看出

13、,單塔配置兩種方案投資相差210萬元。如果對于生產(chǎn)能力較大的純堿廠,需要配置3套或5套塔,投資將相差600萬1000萬元。國內(nèi)近幾年有采用波紋管氨冷器的廠家,效果比較滿意,換熱效率高,自然防垢能力強,使用2年不用酸洗,是一種性價比較高的設(shè)備選型。3 選擇合理工藝回收廢液熱量氨耗、汽耗和石灰乳消耗是氨堿生產(chǎn)的主要能耗,這三項均在蒸吸工段得到體現(xiàn)。采取合理的工藝流程,有效利用熱量交換,盡可能地將NH3和CO2從溶液中驅(qū)出,以最大限度減少廢液中的氨和石灰含量是蒸吸流程選擇的基本點。3.1 蒸餾路線的確定氨堿廠里蒸餾過程分為壓力蒸餾和真空蒸餾。壓力蒸餾工藝截至目前仍為世界各國氨堿廠最廣泛采用的典型流程

14、,整個系統(tǒng)處于壓力下操作,有利于提高設(shè)備能力。由于壓力的存在,對碳酸鹽的分解較為強烈,壓力越高,預(yù)熱母液中殘留的CO2越低,可以減少石灰乳的用量。缺點是能耗較高。真空蒸餾的特點是降低能耗,延長設(shè)備運轉(zhuǎn)周期,對勞動保護和環(huán)境衛(wèi)生有利;由于系統(tǒng)溫度低,有利于降低殘液的含氨,減小氨的損失。但真空蒸餾的缺點是:裝置生產(chǎn)強度受允許氣速的限制,若超越允許氣速時,操作指標遭到嚴重破壞,會出現(xiàn)氣頂、冒沫等失真后果;氣相中帶出水分多,增加后系統(tǒng)的操作負荷;二氧化碳驅(qū)凈率低,石灰損失大。權(quán)衡壓力蒸餾和真空蒸餾的利弊,設(shè)計中結(jié)合國內(nèi)外現(xiàn)狀,提出了母液與淡液分開蒸餾,壓力蒸餾與真空蒸餾相結(jié)合的工藝路線,即母液蒸餾采用

15、壓力蒸餾,淡液蒸餾采用真空蒸餾。母液蒸餾塔出來的氨、二氧化碳和水蒸氣的氣體進入吸氨塔,制成氨鹽水。淡液蒸餾塔冷凝器出來的含氨、二氧化碳和水蒸氣的氣體進入真空吸氨塔,在真空吸氨塔內(nèi)由碳化工序送來的淡氨鹽水在高真空條件下吸收氨、二氧化碳成為粗氨鹽水。3.2 閃發(fā)回收廢液中的熱能蒸餾能耗龐大,為整個制堿過程能耗量的三分之一;然而蒸餾殘液帶出的顯熱又占工序熱能的70%,其熱能損耗程度不言而喻,所以該熱量理應(yīng)設(shè)法回收。蒸氨過程中理論上需要加熱蒸汽1200 kg/t堿,實際生產(chǎn)中,我國氨堿廠蒸汽耗量根據(jù)生產(chǎn)方法不同蒸汽耗量不同,對濕法蒸餾,汽耗大約在17001800 kg/t堿,是氨堿廠純堿生產(chǎn)中能耗最大

16、、余熱回收較困難的一個工序。閃發(fā)廢液并回收利用閃發(fā)汽是降低蒸氨能耗的一項有效途徑,國外堿廠多采用二級閃發(fā)回收熱量。索爾維公司的幾個氨堿廠蒸氨塔汽耗較低,可以代表國外先進水平。其中法國頓巴斯堿廠3.5 m 塔和比利時古耶堿廠2.75 m塔汽耗分別為1300和1450 kg/t堿;意大利羅西略諾廠2.75 m和3.5 m塔略低些,達到1250 kg/t堿,見表1。表1 國外氨堿廠蒸氨塔汽耗比較項目法國頓巴斯廠比利時古耶廠意羅利羅西略諾廠塔內(nèi)徑,m 2.75 2.75 2.75 3.5 生產(chǎn)能力,t/d500 275 275 600700汽耗,kg/t堿1300 1450 1250 1250 作業(yè)時

17、間,月618 824 12 24武漢石化熱電聯(lián)產(chǎn)的火用分析胡坤后(武漢石油化工廠湖北武漢430082摘要本文簡要介紹了熱電聯(lián)產(chǎn)及火用的概念,應(yīng)用火用分析法對熱力系統(tǒng)進行評價,真實地反映出系統(tǒng)及熱力設(shè)備的熱能利用水平,并指出熱能利用和熱電聯(lián)產(chǎn)的原則和系統(tǒng)經(jīng)濟運行方式,真正實現(xiàn)熱電經(jīng)濟運行。關(guān)鍵詞石化熱電聯(lián)產(chǎn)火用熱能利用節(jié)能熱能廣泛應(yīng)用于工業(yè)企業(yè),在能源利用和消耗中占有主導地位,它的利用合理與否直接影響企業(yè)的經(jīng)濟效益,而熱電聯(lián)產(chǎn)是熱能利用的一種經(jīng)濟運行方式。一般熱能的使用可概括為動力用熱、工藝用熱和生活用熱等三種形式。熱能不僅有數(shù)量上的多少,而且還有品位高低之分,即質(zhì)量概念。如果沒有這種概念和意識

18、,則會影響熱力系統(tǒng)的合理設(shè)計和生產(chǎn)組織,造成極大的能源浪費。所以,我們在評價熱力系統(tǒng)或熱力設(shè)備時,應(yīng)采用正確的方法,從以上兩方面分析,找出造成能源利用不合理的主要原因,并采用相應(yīng)措施,達到節(jié)能增效的目的。在能源利用分析方面,火用分析則是較為科學的評價方法。1 熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)和火用分析1.1 熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)及要求鍋爐產(chǎn)生的蒸汽驅(qū)動汽輪發(fā)電機組發(fā)電以后,排出的蒸汽仍含有大部分熱量被冷卻水帶走,因而火電廠的熱效率不高。如果蒸汽驅(qū)動汽輪機的過程或之后的抽汽或排汽的熱量能加以利用,可以既發(fā)電又供熱,這種生產(chǎn)方式稱為熱電聯(lián)產(chǎn),它的英文名稱叫Combined Heat and Power(簡稱CHP。這個過程既有電能生產(chǎn)又有熱能生產(chǎn),是一種熱、電同時生產(chǎn)、高效的能源利用形式。其熱效率可達80%90%,能源利用效率比單純發(fā)電約提高一倍以上。它將不同品位的熱能分級利用(即高品位的熱能用于發(fā)電,