燒堿蒸發裝置的節能改造

王步剛，崔金禹

（山東海化氯堿樹脂有限公司，山東 濰坊 262737）

山東海化氯堿樹脂有限公司（以下簡稱“海化氯堿”）蒸發固堿裝置的工藝和設備是從瑞士博特公司成套引進。該裝置設計生產能力5萬t/a 99%片堿和8萬t/a 50%液堿。由于受當地片堿和液堿市場等因素影響，片堿裝置已經停產閑置，現在只運行兩效蒸發裝置生產50%燒堿。隨著行業市場競爭的加劇，以及節能減排壓力的增大，在現有基礎上對原蒸發裝置進行了升級改造，以實現節能降耗，提高企業市場競爭力。

1　改造前狀況

1.1　工藝及設備狀況

海化氯堿蒸發固堿裝置采用三效逆流降膜蒸發和燃油（或燃氫）加熱溶鹽降膜濃縮生產工藝。32%燒堿經一效、二效蒸發生產50%燒堿。

1.1.1堿流程

從電解工序來的溫度約85℃的32%堿液由泵加壓和流量調節后送入一效降膜蒸發器，控制堿液側在-87 kPa的真空度下蒸發，32%燒堿溶液被濃縮到38.8%，一效降膜蒸發器出堿由泵加壓分別通過板式換熱器與二效降膜蒸發器出來的50%高溫堿液和二效降膜蒸發器的蒸汽冷凝水換熱，提溫至134.6℃后進入二效降膜蒸發器。通過二效降膜蒸發器蒸發后，38.8%的堿液被濃縮到50%。與一效蒸發器出堿換熱的50%堿液由循環冷卻水降溫至45℃左右后送往成品罐區銷售。

1.1.2蒸汽及冷凝水流程

從外管網來的1.0 MPa蒸汽經流量調節后進入二效降膜蒸發器加熱室，蒸汽冷凝水進入二效阻汽排水罐，通過板式換熱器與進二效堿液換熱后返回熱電鍋爐循環使用。二效降膜蒸發器堿液蒸發產生的二次蒸汽用于給一效降膜蒸發器加熱。一效降膜蒸發器蒸發室產生的二次蒸汽經表面冷凝器冷凝，產生的蒸汽冷凝水和來自一效降膜蒸發器加熱室的蒸汽冷凝水匯集到蒸汽冷凝水槽，通過蒸汽冷凝水泵送一次鹽水精制工序化鹽。工藝流程簡圖見圖1。

圖1　兩效蒸發工藝流程簡圖

1.1.3主要設備配置情況（見表1）

表1　改造前兩蒸發裝置設備配置情況

1.2　升級改造的原因

現有蒸發裝置中一效蒸發器溫度較高的二次蒸汽直接去表面冷卻器冷凝，蒸汽冷凝水也直接送去了鹽水工序化鹽，二效蒸發的蒸汽冷凝水雖然與進二效蒸發器的堿液進行換熱，利用了部分熱量，但是溫度仍達120℃，50%燒堿產品通過板換預熱二效進堿后溫度仍達101℃，由循環冷卻水降溫后送成品罐，也造成部分熱量損失。總之，兩效堿液蒸發的熱效率較低，裝置蒸汽消耗較高，改造前蒸發裝置平均蒸汽消耗775 kg/t，遠高于500 kg/t的目前國內行業平均水平，50%燒堿生產成本較高，缺乏市場競爭力。

2　升級改造措施

2.1　總體升級改造方案

堿液蒸發過程是用熱源加熱，通過提高堿液溫度，使堿液中的水分部分汽化移出，以提高堿液濃度。理論上蒸發效數越多，傳熱面積和傳熱溫差越大，熱效率越高，蒸汽消耗越低。海化氯堿為了降低投資和便于施工，盡可能地利用現有蒸發裝置，以改造后蒸汽單耗小于500 kg/t為目標。

利用原一、二效降膜蒸發器進行三效改造，且滿足節能技術要求。經計算，改造后原一、二效蒸發器的換熱面積只能達到6萬t/a的生產能力。由于受當地50%燒堿市場需求限制，該公司近幾年的50%燒堿實際生產能力一直為原設計生產能力的60%～70%。因此，綜合考慮后決定充分利用現有設備，并以蒸汽單耗500 kg/t，生產能力6萬t/a進行改造設計。改造項目采用了目前國內堿液蒸發的多項先進技術。

2.2　采用的蒸發先進技術

（1）原液閃蒸技術

電解工序來的32%堿液溫度高于一效蒸發器加熱蒸汽的溫度，如果將32%堿液直接送到一效加熱室管程，開始在加熱室的上部是一個反傳熱的過程，即加熱室管內的堿液加熱了管外的蒸汽，將影響整個裝置的蒸發效率；原液閃蒸技術是將電解工序來的32%堿液首先送到原液閃蒸罐進行預閃蒸，將32%堿液溫度降到低于一效加熱蒸汽的溫度后，再送到一效加熱室管程，這樣在一效加熱室上部的反傳熱過程就變為了正傳熱過程，即一效加熱室管內的堿液是被管外的蒸汽加熱而得到提溫產生蒸發，提高了整個燒堿蒸發裝置的蒸發效率，從原液閃蒸罐出來的堿液將從32%濃縮到大約33%，僅此一項綜合蒸發蒸汽消耗可降低20 kg/t。

（2）減壓降溫技術

三效蒸發器輸出的高溫堿液依次送到兩個板換預熱進一效和二效堿液，充分利用余熱后送至成品罐區。合理設計堿泵的位置，既降低堿泵的進口溫度，又減小板換的進口壓力，從而改善泵和板換的運行工況，大大提高了設備的運行可靠性和運行效率。尤其是38.8%堿出料泵原設計必須采用鎳泵，而采用降溫減壓工藝后，可改為316L或310S材料，設備投資和運行成本大大降低。

（3）四板換回收熱能技術

該蒸發裝置中設置了4臺板換，用于回收高溫堿液和一次蒸汽冷凝水的熱能，進一步提高了蒸發裝置的熱能利用率，相應降低了一次蒸汽的消耗和生產成本。

（4）高效能減溫器技術

在該蒸發裝置中設置了2臺高效能減溫器，將二效和三效蒸發室出來的二次過熱蒸汽降到相應壓力狀態下的飽和溫度，然后送下一效蒸發器加熱室加熱堿液，大大提高了加熱室的傳熱效果和整個蒸發裝置的蒸發效率。

（5）三效逆流技術

裝置設置一效、二效和三效，燒堿濃縮蒸發裝置的操作流程為逆流，即堿液從一效蒸發器進入，經一效濃縮后進二效，經二效濃縮后再進三效，經三效濃縮后達到50%濃度；而加熱蒸汽卻是從三效進入，三效產生的二次蒸汽進二效，二效產生的二次蒸汽進一效。逆流工藝的特點是堿液濃度和溫度同時升高，而堿液的粘度會隨堿濃度升高而增大的同時又會隨堿溫度升高而減少，因此高濃度效和低濃度效的堿液粘度相差不大，物料流動性好，使各效傳熱效果都保持在較好的水平。

2.3　改造后工藝流程

2.3.1堿流程

從電解工序送來溫度約85℃的32%堿液先送到32%堿閃蒸罐，在-87 kPa真空狀態下，32%堿液在閃蒸室被預閃蒸濃縮至33%，預閃蒸濃縮后的堿液由循環堿泵送到一效降膜蒸發器的加熱室進行加熱蒸發至37%，蒸發濃縮后的堿液由一效堿泵加壓并分別送到1#堿液預熱器和3#堿液預熱器，與三效來的高溫堿液和三效來的高溫一次蒸汽冷凝水進行間接換熱后送到二效降膜蒸發器，以達到二效沸點進料的要求。堿液在二效加熱室與殼程加熱蒸汽進行間接換熱使溫度升到沸點，然后從二效加熱室的底部流出進入二效蒸發室，沸點狀態下的堿液進入二效蒸發室后產生急劇閃蒸濃縮，蒸發濃縮后42%的堿液由二效堿泵加壓并分別送到2#堿液預熱器，和4#堿液預熱器與三效來的高溫堿液及三效來的高溫一次蒸汽冷凝水進行間接換熱升溫，升溫后的堿液進入三效降膜蒸發器，堿液在三效加熱器里與一次蒸汽進行間接換熱使溫度升到沸點，然后從三效加熱器的底部流出進入三效蒸發室，沸點狀態下的堿液進入三效蒸發室后產生急劇閃蒸濃縮，這時堿液濃度為50%，堿液溫度為164℃，由三效堿泵出料并通過上述余熱利用后，經循環冷卻水冷卻至45℃左右后送往成品灌區。

2.3.2蒸氣及冷凝水流程

壓力為1.0 MPa、溫度為180℃的一次蒸汽進入三效加熱器的殼程，間接加熱管程的堿液，三效蒸發室產生的二次過熱蒸汽，首先進入減溫器二，通過噴水將其降到飽和溫度后再送到二效加熱室殼程，在二效加熱器內放出潛熱后變成冷凝水，從而提高了二效降膜蒸發器的傳熱效率。二效蒸發室產生的二次過熱蒸汽，首先進入減溫器一，通過噴水將其降到飽和溫度后再送到一效加熱器殼程，在一效加熱器內立即放出潛熱后變成冷凝水，從而提高了一效降膜蒸發器的傳熱效率。一效蒸發室產生的二次蒸汽送到表面冷凝器殼程，和管程循環冷卻水進行間接換熱變成冷凝水。

三效加熱器蒸汽冷凝水流入三效阻汽排水罐，冷凝水溫度180℃，為了回收這部分熱能將三效新蒸汽冷凝水依次送到3#堿液預熱器和1#堿液預熱器，分別給進三效蒸發器和二效蒸發器的堿液預熱。從1#堿液預熱器出來的新蒸汽冷凝水返回鍋爐。二效加熱器二次蒸汽冷凝水流入二效阻汽排水罐進行閃蒸，閃蒸汽送到一效加熱器，一效加熱器和表面冷凝器的二次蒸汽冷凝水同時流入冷凝液貯槽，再通過冷凝液泵將其送到鹽水精制工序化鹽。改造后工藝流程簡圖見圖2。

圖2　改造后的工藝流程簡圖

2.4　設備改造方案

原二效蒸發器和堿泵材質均為鎳材，如果再增加1臺三效蒸發器，由于堿濃度高、工作溫度高，也必須選用鎳材。為了節省項目投資，新設計制作了1臺不銹鋼材質的二效蒸發器。將閑置的三效蒸發器拆除，原二效蒸發器移到原三效蒸發器位置，配套三效堿液泵，32%燒堿閃蒸罐，堿液循環泵和預熱換熱器，減速器及部分管道和閥門、儀表等。新增設備見表2。

表2　改造新增加的設備

2.5　控制系統改造方案

該項目利用原蒸發固堿裝置DCS系統，根據改造方案對DCS組態和聯鎖程序進行了相應修改。

3　改造后的運行效果

兩效改三效蒸發是在原生產工藝和設備的基礎上進行的改造，雖然設備有增加，工藝流程也有改動，但是整體生產工藝和操作并沒有大的變化。經過短暫的技術培訓，原操作人員很快便能熟練操作。整個裝置一次開車成功。改造后蒸汽消耗較之前降低了291 kg/t，轉動設備只增加了1臺32%堿泵和1臺三效堿泵，動力電消耗增加13 kW，按照海化氯堿有關水電汽成本測算，該項目投資回收期為2.5～3年，具有較高的投資收益比。改造后的蒸汽消耗情況見表3。

表3　改造后的蒸汽消耗情況

4　裝置運行中需要注意的問題

（1）開車時及生產過程中，要定期排放各蒸發器蒸發室的不凝氣體，以提高換熱效率。各種蒸發設備和管道保溫完好，盡量減少熱量損失。

（2）嚴格控制32%堿液中氯酸鹽含量，定期分析50%堿液中氯酸鹽含量小于5 μg/L。避免氯酸鹽對蒸發設備和管道的腐蝕。

（3）蒸發過程要保持盡可能高且穩定的系統真空度，真空度的提高可使二次蒸汽的飽和溫度降低，提高有效溫度差，也會降低蒸汽冷凝水的溫度，充分利用熱源。

（4）生產中斷后，要及時關閉蒸汽閥門，降低真空度，并盡量減少系統內堿液循環時間，防止堿液在蒸發器內循環蒸發，濃度逐漸升高，結晶堵塞設備管道。裝置長時間停車時，要排凈系統內物料，用純水清洗干凈，加入氮氣保護，防止空氣進入系統腐蝕設備。

（5）必須確保裝置在最小生產能力以上工作，同時，各蒸發器均設計有最小進堿流量，當生產負荷低于最低限額時，必須及時打開相關進蒸發器的堿液回流閥門，防止蒸發器降膜管堿液分布不均，局部過熱損壞設備。

（6）保持蒸發器的液位穩定，蒸發器液位波動，會造成靜壓頭的變化，使蒸發過程極不穩定，液位低會使蒸發劇烈，二次蒸汽帶堿。液位高會使蒸發量減小，進加熱室的堿液溫度升高，傳熱溫差降低，影響蒸發能力。因此，要定期檢查校驗進蒸發器堿液流量、蒸發器和冷凝水罐液位、各溫度儀表和聯鎖程序，確保儀表完好，聯鎖程序時刻處于投用狀態。

（7）冬季生產要確保50%堿液設備管道伴熱正常工作，避免堿液結晶堵塞管道。

（8）盡可能避免頻繁的開、停車，減少降膜管表層抗腐蝕鎳氧化膜被沖刷掉，從而降低對鎳設備的腐蝕。

5　結語

海化氯堿蒸發裝置兩效改三效節能升級改造項目，充分利用了現有裝置設備，采用多項先進技術和工藝，盡可能降低投資，達到了預期的節能效果。但是裝置改造的生產能力有所降低，在改造時需要結合企業自身的實際情況和需求統籌考慮。

參考文獻：

[1]中國氯堿工業協會組織編寫，程殿彬主編.離子膜法制堿生產技術，北京：化學工業出版社，1998.