對碳化塔更新?lián)Q代的思考及建議

周光耀

(中國成達(dá)工程有限公司，四川成都 610041)

專論與綜述

對碳化塔更新?lián)Q代的思考及建議

周光耀

(中國成達(dá)工程有限公司，四川成都 610041)

目前國內(nèi)純堿行業(yè)普遍采用的鑄鐵笠帽碳化塔存在單塔生產(chǎn)能力偏小、材質(zhì)腐蝕等問題，有必要進(jìn)行更新?lián)Q代。詳細(xì)介紹成達(dá)公司開發(fā)的四種碳化技術(shù)：用于變換氣制堿的無角閥外冷碳化塔、大型濃氣制堿外冷塔、篩板塔板在內(nèi)冷碳化塔中的應(yīng)用、用復(fù)合板材質(zhì)制作碳化塔。從塔的材質(zhì)、單塔能力、主要結(jié)構(gòu)等幾方面提出碳化塔更新?lián)Q代的建議。

碳化塔；笠帽；篩板；外冷塔；內(nèi)冷塔；材質(zhì)

1 國內(nèi)鑄鐵笠帽碳化塔現(xiàn)狀

我國純堿工業(yè)經(jīng)過多年發(fā)展，目前己形成以大型生產(chǎn)廠為主的格局。國家對新建廠的規(guī)模門檻為聯(lián)堿法60萬t/a，氨堿法l00萬t/a。目前國內(nèi)大型純堿廠使用的碳化塔多為我公司上世紀(jì)八十年代為唐山、連云港兩個純堿廠設(shè)計(jì)的直徑3/3.4 m鑄鐵笠帽塔板型塔，該塔在當(dāng)時具有生產(chǎn)能力大、操作運(yùn)行穩(wěn)定、結(jié)晶較好等優(yōu)點(diǎn)，所以此后各新建廠普遍采用該塔。但隨著行業(yè)的發(fā)展與技術(shù)進(jìn)步，我認(rèn)為對目前純堿行業(yè)普遍采用的鑄鐵笠帽型碳化塔有必要進(jìn)行更新?lián)Q代。

首先是單塔的生產(chǎn)能力偏小，目前國內(nèi)大型聯(lián)堿廠生產(chǎn)能力都在60萬t/a以上，有的已經(jīng)超過100萬t/a，大型氨堿廠能力都在100萬t/a以上，有的已經(jīng)達(dá)到300萬t/a。這樣一個廠的碳化塔少則十幾臺，多則這二、三十臺。因此這種塔的生產(chǎn)能力已與大型生產(chǎn)裝置不是很匹配。有必要開發(fā)生產(chǎn)能力更大的塔。

其次是設(shè)備的鑄鐵材質(zhì)。在純堿生產(chǎn)中鑄鐵比碳鋼腐蝕速率低，因此過去純堿廠大都采用鑄鐵設(shè)備和管道，實(shí)際上鑄鐵在純堿生產(chǎn)介質(zhì)中并不是好的耐蝕材質(zhì)，為減緩腐蝕速度和確保產(chǎn)品白度，在生產(chǎn)過程中要加入硫化鈉作為緩蝕劑。即使如此，純堿廠對鑄鐵設(shè)備和管道的維修工作量還是很繁重的。跑、冒、滴、漏也難以徹底消除。近年鑄鐵管道已普遍被耐蝕性能好，重量輕的非金屬管道替代，但大型塔體如碳化塔、吸氨塔等仍采用鑄鐵材質(zhì)。就我所知，唐山、連云港以及其后所建的大型純堿廠的碳化塔目前已嚴(yán)重腐蝕，塔內(nèi)笠帽已被腐蝕得幾乎失去作用，有的廠連塔體都發(fā)生嚴(yán)重泄漏，必須更新！

2 成達(dá)公司開發(fā)的碳化技術(shù)

成達(dá)公司長期以來堅(jiān)持對碳化塔進(jìn)行改進(jìn)和技術(shù)開發(fā)工作，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。如外冷碳化塔的開發(fā)，篩板塔板的開發(fā)，復(fù)合板材質(zhì)制造碳化塔技術(shù)的開發(fā)，等等。下面列舉幾項(xiàng)由成達(dá)公司開發(fā)的，已用于工程上的碳化技術(shù)。

2.1 用于變換氣制堿的無角閥外冷碳化塔

該塔直徑2.8/3.8 m，進(jìn)氣CO2濃度27%～28%，操作壓力約1.4 MPa，尾氣CO2<0.2%，單塔生產(chǎn)能力200 t/d，4塔一組運(yùn)行，一組塔年產(chǎn)20萬t純堿，已生產(chǎn)運(yùn)行10年。

2.2 大型濃氣制堿外冷塔

塔下部直徑3.5 m，中部直徑5 m，上部直徑3 m，配3臺外冷器，首先用于和邦年產(chǎn)60萬t聯(lián)堿工程，下段進(jìn)爐氣與合成氨脫碳?xì)猓胁窟M(jìn)窯氣，單塔最高能力可達(dá)360 t/d。近來又用于昆山60萬t/a聯(lián)堿工程，只在底部進(jìn)濃氣，無中段氣。因?yàn)橛萌珴鈿庵茐A，當(dāng)制堿作業(yè)時，塔上部氣量很少，但清洗作業(yè)時，用空分污氮清洗，塔上部氣量很大，為保持篩板塔板制堿作業(yè)時的板效率，上部塔板開孔率很低，為適應(yīng)清洗作業(yè)工況，在塔中上部增設(shè)氣體自動分流結(jié)構(gòu)。塔體改用cs—ss復(fù)合板材質(zhì)。目前單塔日產(chǎn)300～330 t，結(jié)晶粗大，<90 μm只占5.5%，平均粒徑達(dá)200 μm。由上海材料研究所檢測中心用激光粒度分析儀測定。這樣粗大的重堿結(jié)晶，過去是聞所未聞的。

2.3 篩板塔板在內(nèi)冷碳化塔中的應(yīng)用

成達(dá)公司在開發(fā)變換氣制堿外冷碳化塔時，首先采用篩板塔板，因?yàn)楹铣砂鄙a(chǎn)要求脫碳后氣體中二氧化碳<0．2%，原有笠帽碳化塔尾氣二氧化碳濃度遠(yuǎn)高于此值，因此采用制堿塔與清洗塔串聯(lián)流程，這種流程存在變換氣通過碳化系統(tǒng)壓降大，能耗增大的缺點(diǎn)。成達(dá)公司開發(fā)了以液相為連續(xù)相低開孔率帶降液管的篩板塔板，用于外冷變換氣制堿碳化塔后，制堿塔尾氣二氧化碳遠(yuǎn)低于0．2%，此后從未因尾氣濃度超標(biāo)影響合成氨生產(chǎn)。而后成達(dá)公司又將篩板塔板用于內(nèi)冷碳化塔中、上部。首先在連云港堿廠建了一臺直徑3/3．4 m，中、上部采用鈦材篩板塔板的碳化塔，投入運(yùn)行后，與同規(guī)格笠帽塔相比，中段氣多進(jìn)l 000 m3/h，出塔尾氣二氧化碳降至2%以下，中溫達(dá)70 ℃以上，轉(zhuǎn)化率76%，結(jié)晶粒度有所增大。后來這種塔又用于南方堿業(yè)改擴(kuò)建工程，共建9臺。接著又在華昌化工建一臺直徑2.5/2.8 m篩板塔板碳化塔，將內(nèi)冷篩板碳化塔用于聯(lián)堿生產(chǎn)。

2.4 用復(fù)合板材質(zhì)制作碳化塔

成達(dá)公司承建的烏茲別克斯坦純堿工程，由于該國無煤炭資源，石灰窯所需焦炭或無煙煤均需進(jìn)口，而該國又有豐富的天然氣。國外工程公司都認(rèn)為天然氣燒石灰窯不能用于純堿生產(chǎn)，如歐洲純堿工業(yè)協(xié)會在有關(guān)純堿工程項(xiàng)目報價文件中明確指出氣燒窯二氧化碳濃度低，氧含量高，不能用于純堿生產(chǎn)。成達(dá)公司在烏茲別克斯坦純堿工程中首次采用氣燒窯制堿，并采用碳鋼與不銹鋼復(fù)合板制造碳化塔。在二期工程中又進(jìn)一步在塔中、上部改用篩板塔板。該廠氣燒窯窯氣二氧化碳濃度為28%～29%，氧濃度高達(dá)3%～4%，最近二期工程投入運(yùn)行，制堿塔尾氣二氧化碳1%～2%，碳化轉(zhuǎn)化率76%，重堿水分l5%～17%(用轉(zhuǎn)鼓真空過濾機(jī))，生產(chǎn)過程不加硫化鈉，成品含F(xiàn)e2O310 ppm，鹽分0．31%，主要技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到或超過焦炭窯制堿水平。成達(dá)的該項(xiàng)碳化技術(shù)，突破了世界純堿制造業(yè)的禁區(qū)。之所以能達(dá)到這個水平，是成達(dá)在設(shè)計(jì)過程中運(yùn)用掌握的理論，對每塊塔板進(jìn)行精心計(jì)算，以及通過運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)的問題，進(jìn)行多次改進(jìn)的結(jié)果。

3 碳化塔更新?lián)Q代建議

在上述開發(fā)工作的基礎(chǔ)上，我提出以下對現(xiàn)有碳化塔進(jìn)行更新?lián)Q代的技術(shù)方案。

鑒于目前國內(nèi)純堿產(chǎn)能過剩在短期內(nèi)不會改變的局面，因此本方案主要結(jié)合目前國內(nèi)多數(shù)純堿廠的條件來設(shè)計(jì)更新方案。

3.1 關(guān)于塔的材質(zhì)

前面已經(jīng)提到鑄鐵在純堿生產(chǎn)中并不是好的耐蝕材質(zhì)，因此本方案塔體采用碳鋼—不銹鋼復(fù)合材質(zhì)，塔內(nèi)件采用不銹鋼或鈦材質(zhì)。這種結(jié)構(gòu)材質(zhì)碳化塔在烏茲別克斯坦純堿廠已運(yùn)行十年，在和邦二期和昆山聯(lián)堿外冷塔中也已使用。其優(yōu)點(diǎn)是耐蝕性好，使用壽命長，平時不需維修，運(yùn)行中不必加硫化鈉，設(shè)備制造周期短，產(chǎn)品白度高，可以大型化。與鑄鐵塔相比，設(shè)備材質(zhì)雖然升級，但設(shè)備重量輕，由于大型化后設(shè)備數(shù)量減少，相應(yīng)的管道、儀表、土建等費(fèi)用都會下降，其總投資不會比采用鑄鐵塔高。

3.2 單塔能力

對于聯(lián)堿法，國家規(guī)定的新建廠規(guī)模門檻為60萬t/a，很多老廠也在升級改造，多數(shù)中、小型合成氨改為粉煤或水煤漿加壓氣化大型合成氨，其配套的聯(lián)堿裝置也改為濃氣制堿，年產(chǎn)60萬t左右的大型聯(lián)堿。目前帶式真空過濾機(jī)，結(jié)晶器的單套能力都能達(dá)到30萬t/a，因此聯(lián)堿單系列能力定為30萬t/a，比較合適。外冷塔一組塔達(dá)到30萬t/a，已在和邦、昆山二廠實(shí)施。本方案中的聯(lián)堿內(nèi)冷塔也定為單塔日產(chǎn)330～360 t，4塔一組，年產(chǎn)30萬t只需一組碳化塔。對氨堿法，國家對新建廠規(guī)模門檻為100萬t/a。氨堿法母液當(dāng)量小，又可采用5塔一組，所以單塔能力定為380～400 t/d，一組塔即可達(dá)到年產(chǎn)50萬t，對年產(chǎn)100萬t的規(guī)模只需二組塔。此外，考慮到要適用于老廠改造，盡量利用現(xiàn)有廠房及設(shè)備基礎(chǔ)，上述能力碳化塔，雖然塔徑比現(xiàn)有塔略有增大，但改為復(fù)合板材質(zhì)后設(shè)備重量反而大幅減輕，設(shè)備減輕的重量可以抵消設(shè)備增大而增加的物料重量，所以塔的樁基可以不動，設(shè)備基礎(chǔ)也不會有大的改動。這也是沒有考慮單塔能力再加大的主要原因。

3.3 主要結(jié)構(gòu)

1)塔中、上部采用以液相為連續(xù)相的低開孔率帶降液管的篩板塔板。這種塔板負(fù)荷合適時可做到塔液無軸向反混，塔板效率高，可縮小吸收區(qū)，增大結(jié)晶區(qū)，從而增大結(jié)晶粒度，降低尾氣二氧化碳損失，降低塔頂溫度，降低尾氣含氨，轉(zhuǎn)化率也有所提高。

2)塔下部為笠帽塔板和冷卻箱。考慮到大型笠帽塔板在制作和安裝時容易出現(xiàn)水平度超標(biāo)，從而造成塔內(nèi)氣體偏流，為此對傳統(tǒng)的碳化塔笠帽結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，可大大減輕因笠帽水平度偏差造成塔內(nèi)氣體走偏問題。

冷卻箱管板與管子采用特殊焊接結(jié)構(gòu)，不用膠圈密封，杜絕因水箱密封處泄漏而污染循環(huán)水，有利于環(huán)保。

3)由于結(jié)晶粒度大，塔底采用環(huán)形進(jìn)氣管，利用進(jìn)氣動能活化底部晶漿，塔底不易堵，出堿口不易噴氣。此種結(jié)構(gòu)已在外冷塔實(shí)施，有多年使用經(jīng)驗(yàn)。

4)對于濃氣制堿的聯(lián)堿碳化塔，塔上部制堿作業(yè)與清洗作業(yè)時，氣量差別大，塔中上部設(shè)氣體自動分流結(jié)構(gòu)，已在昆山碳化塔中成功運(yùn)行。

5)主要結(jié)構(gòu)尺寸

氨堿塔：下部直徑3．4 m，中部直徑4．5 m，上部直徑3．5 m，總高約30 m。設(shè)6個冷卻箱，冷卻面積1 850～2 000 m2。

聯(lián)堿濃氣制堿塔：中、下部塔徑與氨堿塔相同，上部直徑為3 m，總高約30 m。篩板塔板的篩孔直徑與開孔率根據(jù)計(jì)算確定，與氨堿塔有較大差別。設(shè)6個冷卻箱，冷卻面積1 800 m2。

上述方案都是內(nèi)冷結(jié)構(gòu)．前面已經(jīng)提到聯(lián)堿法也可采用外冷碳化塔。目前外冷塔單塔能力已達(dá)到360 t/d，該塔每塔配3臺外冷器，如將塔徑再放大一點(diǎn)，并改配4臺外冷器，單塔能力可達(dá)480～500 t/d，技術(shù)上不會有問題。外冷塔與內(nèi)冷塔各有優(yōu)缺點(diǎn)。外冷塔的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，便于大型化，建設(shè)費(fèi)較低，設(shè)備制造周期短。缺點(diǎn)是由于塔下部存在塔液循環(huán)，取出液固定銨比內(nèi)冷塔低，也就是碳化轉(zhuǎn)化率稍低，因此不適用于氨堿法。此外，外冷塔冷卻水進(jìn)出溫差也較內(nèi)冷塔小，循環(huán)水用量較大，但進(jìn)出水壓差小。內(nèi)冷塔結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，因有冷卻箱，塔體要大開孔，下部塔壁要加厚，因大開孔，制造時容易發(fā)生塔體變形，制造難度較大。制造費(fèi)用比外冷塔高，制造周期也較長。內(nèi)冷塔的優(yōu)點(diǎn)是取出液固定銨高，即轉(zhuǎn)化率高，冷卻水進(jìn)出溫差大，循環(huán)水用量少。內(nèi)冷塔與外冷塔各有優(yōu)缺點(diǎn)，各聯(lián)堿廠可根據(jù)自己的條件決定選用何種塔型。

表1 預(yù)測技術(shù)指標(biāo)

4 結(jié) 語

碳化塔是純堿生產(chǎn)的核心設(shè)備，制堿過程的主要化學(xué)反應(yīng)在碳化塔內(nèi)進(jìn)行。碳化作業(yè)指標(biāo)的好懷，對整個生產(chǎn)有很大影響，如對后續(xù)的過濾、煅燒以及多項(xiàng)消耗定額和產(chǎn)品質(zhì)量都有很大影響。因此純堿企業(yè)都希望能選用運(yùn)行平穩(wěn)，技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)，生產(chǎn)能力又大的碳化塔。成達(dá)公司和我本人長期從事碳化塔技術(shù)開發(fā)工作，積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，提出上述碳化塔方案，為各純堿企業(yè)在碳化塔升級換代時提供信息與建議。

TQ114.15

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1005-8370(2016)06-03-03

2016-10-27

周光耀(1935—)，中國工程院院士，無機(jī)化工專家。浙江省鄞縣人。1954年畢業(yè)于杭州化工學(xué)校。原中國成達(dá)工程公司總工程師。長期從事純堿工程技術(shù)等方面的研究工作。設(shè)計(jì)成功我國第一套完全獨(dú)立的聯(lián)堿裝置，解決了水平衡問題;組織制定新都氮肥廠聯(lián)堿裝置的工藝設(shè)計(jì)方案;在完全由我國自行設(shè)計(jì)的年產(chǎn)60萬t大型純堿裝置設(shè)計(jì)工作中，采用了多項(xiàng)新工藝、新型和大型設(shè)備;研究開發(fā)成功了自然循環(huán)外冷式碳化塔、新型變換氣制堿技術(shù)，并廣泛應(yīng)用。