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(guó)天辰化學(xué)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(jì)對(duì)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(jì)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(zhǎng)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(jìn)步,受到我國(guó)純堿工業(yè)科技工作者的重視,對(duì)其工藝、設(shè)備、管理等方面進(jìn)行了大量改進(jìn)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(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)的。欲從溶液中將NH3驅(qū)出,是一個(gè)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(jì)的成敗。蒸餾工序設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的因素包括:減緩蒸餾設(shè)備的結(jié)疤速度,延長(zhǎng)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(jì)工作中考慮上述影響因素,做出合理的工程設(shè)計(jì),是蒸餾工段設(shè)計(jì)的關(guān)鍵?，F(xiàn)就設(shè)計(jì)中采取的相關(guān)措施分析如下:1 減輕結(jié)疤、延長(zhǎng)作業(yè)周期蒸餾塔結(jié)疤問題是制堿行業(yè)的一個(gè)技術(shù)難題,迄今為止,尚無(wú)滿意的解決方法。蒸氨塔連續(xù)

3、作業(yè)時(shí)間,國(guó)內(nèi)除干法加灰蒸氨塔作業(yè)周期較長(zhǎng)外,其余塔一般在30天左右,作業(yè)時(shí)間短的僅20天,最長(zhǎng)的為90天左右。而國(guó)外一般為618個(gè)月,最長(zhǎng)的可達(dá)24個(gè)月。為此,蒸吸工段設(shè)計(jì)工作中,將減輕結(jié)疤、延長(zhǎng)作業(yè)周期作為重點(diǎn)之一。關(guān)于蒸餾塔結(jié)疤的機(jī)理、防疤除疤的手段與方法等方面,國(guó)內(nèi)外無(wú)數(shù)制堿工作者做了大量的研究工作,但有效實(shí)用而經(jīng)濟(jì)合理的方法不多。對(duì)蒸餾塔結(jié)疤問題,基本相同的觀點(diǎn)是:認(rèn)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(shí)間延長(zhǎng),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(wú)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(qiáng)(這些現(xiàn)象都與實(shí)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(jìn),導(dǎo)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(yàn),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(qiáng)度,加大預(yù)灰桶體積,即增加調(diào)和液內(nèi)的停留時(shí)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(jìn)一步降低亦非易事,而灰乳除砂目前尚無(wú)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(shí)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(jià)的,只能是權(quán)宜之計(jì)。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(biāo),設(shè)計(jì)階段能夠做到的是在預(yù)灰桶攪拌強(qiáng)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(dá)到減輕塔內(nèi)結(jié)疤、延長(zhǎng)作業(yè)周期的效果。設(shè)計(jì)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(jì)必須遵循效率高、操作彈性大、工藝指標(biāo)良好和便于清理結(jié)疤的原則。上個(gè)世紀(jì)70年代,國(guó)外研究開發(fā)出篩板蒸氨塔,該裝置設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是建立在最簡(jiǎn)單的篩板塔器的基礎(chǔ)上。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)中廣泛采用的主要是泡罩塔,近年來(lái)國(guó)內(nèi)也有采用篩

6、板塔的,該塔生產(chǎn)能力較大,一臺(tái)直徑 3 m的篩板蒸氨塔生產(chǎn)能力高達(dá)850900 t/d,使用周期也可延長(zhǎng)到34個(gè)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(jiǎn)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(shí)雖然仍依靠人工和風(fēng)鎬,但因塔圈內(nèi)有效空間大、無(wú)死角和彎道,使得清理工作比較方便,清理工時(shí)費(fèi)用低。1.2 增大預(yù)灰桶體積并改變預(yù)灰桶進(jìn)出液路徑以往,我國(guó)大型氨堿廠預(yù)灰桶設(shè)計(jì)中,通常采用普通的帶有門框式攪拌的預(yù)灰桶,如海化老60萬(wàn)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(shí)間30 min,最大生產(chǎn)能力時(shí)停留時(shí)

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(yàn),認(rèn)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(shí)間對(duì)延長(zhǎng)作業(yè)周期有利,于是在海化期擴(kuò)建時(shí),改變了預(yù)灰桶設(shè)計(jì),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(shí)停留時(shí)間43 min。預(yù)灰桶進(jìn)、出液路徑在過去的設(shè)計(jì)中,灰乳和預(yù)熱母液是從預(yù)灰桶下部進(jìn)入,調(diào)和液上部排出進(jìn)蒸氨塔。新建廠設(shè)計(jì)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(jìn)入,調(diào)和液從下部排出,再向上返進(jìn)蒸氨塔。這樣設(shè)計(jì),調(diào)和液路徑加長(zhǎng),相應(yīng)地改變了停留時(shí)間。整個(gè)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(dòng),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(shí)間,在預(yù)灰桶內(nèi)有足夠的反應(yīng)時(shí)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(wú)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(zhǎng)大,并附著在預(yù)灰桶桶壁上,當(dāng)調(diào)和液進(jìn)入蒸氨塔時(shí),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(jìn)行。因此,改變預(yù)灰桶設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的同時(shí)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(dá)90天。清塔時(shí),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(jiǎn)單,空間大,使清理工作變得比較簡(jiǎn)單。綜合上述分析,認(rèn)為由于停留時(shí)間的改變,預(yù)灰桶內(nèi)的硫酸鈣有足夠的反應(yīng)時(shí)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(shí)際操作情況相吻合,這種設(shè)計(jì)對(duì)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(shí)使氣體中H2O汽大量冷凝, NH3及CO2得到濃縮;第二,通過對(duì)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(guó)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(gè)

10、鑄鐵冷卻箱組成,國(guó)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(diǎn)是氣路凈截面積大,流體阻力較小,對(duì)蒸吸氨操作都是有利的,由此而來(lái)操作較平穩(wěn),溫度調(diào)節(jié)的靈敏度適中,不過敏,所以運(yùn)行安全可靠。但冷卻箱重量很大,傳熱性能差,為了強(qiáng)化傳熱,加大間壁溫差,縮小水的進(jìn)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(gè)梯級(jí),與不同流體進(jìn)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(lái)的換熱新產(chǎn)品,它繼承了管殼式換熱器堅(jiān)固耐用、安全可靠、使用場(chǎng)合廣等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)又克服了其換熱能力差,易結(jié)垢堵塞等缺點(diǎn),與其它形式的換熱器相比,其綜合經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)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(dòng),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(duì)流傳熱的主要熱阻被有效地克服,管內(nèi)外傳熱被同時(shí)強(qiáng)化,因而傳熱系數(shù)很高。同時(shí),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(rèn)為波紋管換熱器更有選擇優(yōu)勢(shì),現(xiàn)以單臺(tái)蒸氨塔配置為例作如下分析:(1設(shè)備造價(jià)采用水箱式氨冷器,每臺(tái)蒸氨系統(tǒng)配帶12個(gè)水箱。用鈦換熱管,每個(gè)水箱價(jià)格平均45萬(wàn)元,共需540萬(wàn)元;若采用波紋管式氨冷器,換熱面積800 m2,設(shè)備造價(jià)370萬(wàn)元。兩者相差170萬(wàn)元。(2土建費(fèi)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(fèi)用大約為10萬(wàn)元。(3安裝費(fèi)、人工費(fèi)和機(jī)械費(fèi)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(fèi)一項(xiàng),差異在30萬(wàn)元。由此可以看出

13、,單塔配置兩種方案投資相差210萬(wàn)元。如果對(duì)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(wàn)1000萬(wàn)元。國(guó)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(qiáng),使用2年不用酸洗,是一種性價(jià)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(xiàng)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?gòu)U液中的氨和石灰含量是蒸吸流程選擇的基本點(diǎn)。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(guó)氨堿廠最廣泛采用的典型流程

14、,整個(gè)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(duì)碳酸鹽的分解較為強(qiáng)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(diǎn)是能耗較高。真空蒸餾的特點(diǎn)是降低能耗,延長(zhǎng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)周期,對(duì)勞動(dòng)保護(hù)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(diǎn)是:裝置生產(chǎn)強(qiáng)度受允許氣速的限制,若超越允許氣速時(shí),操作指標(biāo)遭到嚴(yán)重破壞,會(huì)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(fù)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(jì)中結(jié)合國(guó)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(lái)的氨、二氧化碳和水蒸氣的氣體進(jìn)入吸氨塔,制成氨鹽水。淡液蒸餾塔冷凝器出來(lái)的含氨、二氧化碳和水蒸氣的氣體進(jìn)入真空吸氨塔,在真空吸氨塔內(nèi)由碳化工序送來(lái)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(gè)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(shí)際生產(chǎn)中,我國(guó)氨堿廠蒸汽耗量根據(jù)生產(chǎn)方法不同蒸汽耗量不同,對(duì)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(gè)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(xiàng)有效途徑,國(guó)外堿廠多采用二級(jí)閃發(fā)回收熱量。索爾維公司的幾個(gè)氨堿廠蒸氨塔汽耗較低,可以代表國(guó)外先進(jìn)水平。其中法國(guó)頓巴斯堿廠3.5 m 塔和比利時(shí)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(dá)到1250 kg/t堿,見表1。表1 國(guó)外氨堿廠蒸氨塔汽耗比較項(xiàng)目法國(guó)頓巴斯廠比利時(shí)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(shí)

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(jiǎn)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(duì)熱力系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià),真實(shí)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(jì)運(yùn)行方式,真正實(shí)現(xiàn)熱電經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(dǎo)地位,它的利用合理與否直接影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益,而熱電聯(lián)產(chǎn)是熱能利用的一種經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式。一般熱能的使用可概括為動(dòng)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(shí)

18、,則會(huì)影響熱力系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)和生產(chǎn)組織,造成極大的能源浪費(fèi)。所以,我們?cè)谠u(píng)價(jià)熱力系統(tǒng)或熱力設(shè)備時(shí),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(dá)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(xué)的評(píng)價(jià)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(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)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(dòng)汽輪機(jī)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(jiǎn)稱CHP。這個(gè)過程既有電能生產(chǎn)又有熱能生產(chǎn),是一種熱、電同時(shí)生產(chǎn)、高效的能源利用形式。其熱效率可達(dá)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(jí)利用(即高品位的熱能用于發(fā)電,