淺談一次鹽水除硝系統優化改造

（天辰化工有限公司，石河子市，832000） 席學君

新疆天辰化工有限公司于2006年12月30日獲批的120萬t/a聯合化工項目是新疆維吾爾自治區和兵團的重點項目，該項目一期40萬t/a PVC、30萬t/a燒堿及其配套裝置已于2007年11月順利投產，在40萬t/aPVC項目建設中，一次鹽水從天津威德泰科石化科技發展有限公司(以下簡稱“天津威德”)引進納濾膜法脫除硫酸根技術，該工藝采用脫氯淡鹽水作為原料液,脫氯淡鹽水通過膜分離后成為兩部分：一部分為硫酸根含量較低的滲透液,進入化鹽系統；另一部分為硫酸根含量較高的濃縮液，進入冷凍脫硝單元，離心出的結晶體包裝外售，整個工藝做到了鹽水循環利用，廢液排放為零的目的，從源頭上杜絕了對環境的污染。

天辰化工一次鹽水除硝經過多年的平穩運行，隨著回收鹽水處理量的增加，膜等關鍵設備開始老化，冷凍系統換熱效率逐漸降低，除硝能力逐漸下降，能耗增加，生產管線易結，設備損耗增大，現有設備處理量有限，濃縮液回收利用不完全，容易造成生產損失，外排鹽水會造成環境污染，因以上情況，為了提高系統脫硝能力，計劃對冷凍系統進行技術改造。

1 改造前除硝工藝流程

回收鹽水經膜裝置分離后為滲透液和濃縮液兩部分，滲透液經板式換熱器換熱后打回配水罐返回生產系統；經過濾元件逐級過濾后的濃縮液進入濃硝罐，濃縮液貯槽內鹽水經濃硝泵打出，經過換熱器（由低硝液儲罐部分低溫低硝鹽水降溫）后進入鹽水兌鹵槽，然后經結晶給料泵打出，經過經4#、5#列管換熱器（冷量由-20℃鹽水提供）循環運行，將溫度降至10～20℃范圍之內，部分送入沉降器，低硝液通過溢流進入低硝罐，然后通過低硝鹽水泵輸出，經列管換熱器循環冷卻（冷量由-20℃水提供），大量低硝液進入沉降器循環運行，當溫度降至-5～10℃左右時部分低硝液通過板式換熱器進入配水系統，此時沉降器中結晶析出帶結晶水的硫酸鈉，然后帶有大量結晶體的漿料經過離心機離心處理，離心母液進入溢流槽內，帶結晶水的硫酸鈉送往元明粉廠區進行后序處理，工藝流程圖見圖1。

圖1 一次鹽水除硝冷凍系統工藝流程圖

2 膜法除硝冷凍系統的主要特征

在膜法-冷凍系統除硝過程中，冷凍系統是關鍵控制過程之一，冷凍的效果直接影響芒硝的脫出效果。淡鹽水中主要成分為氯化鈉和硫酸鈉，在長期低溫運行過程中，氯化鈉會逐漸析出結晶，造成設備管線堵塞，影響處理能力和換熱效率，因此，控制鹽水溫度在合適的區間對冷凍系統的平穩運行至關重要，沉降器溫度一般控制在-8℃左右。

冷凍過程消耗大量冷量，合理利用冷量可以降低能耗、節約成本。在低硝液送往化鹽崗位前與濃硝液換熱，離心母液水回低硝罐，減少冷量損失。

3 運行中存在的問題

3.1 工藝配管存在的問題

原有生產系統中兌鹵槽濃硝液經過結晶給料泵加壓進入4#、5#列管換熱，一部分進入沉降器，另一部分回到兌鹵槽循環，出列管進沉降器的溫度一般控制在9～10℃，兌鹵槽溫度控制在15℃，由于出列管到兌鹵槽的管道彎頭較多（12個），管道中揚程損失太大，致使濃硝壓力和流量減小，當溫度較低時，容易導致濃硝結晶堵塞列管和管道，需要人工倒換備用列管或者沖洗管線，造成操作復雜化，指標難以控制。

3.2 設備存在的問題

4#、5#列管濃縮液換熱面積小，換熱效果不明顯，濃硝鹽水在回收到8m3/h以上，兌鹵槽溫度高進入沉降器的溫度就迅速上升，沉降器溫度要維持在-8℃，必須控制兌鹵槽的溫度，兌鹵槽的溫度為15℃，但實際運行中溫度大于25℃，由于前系統中膜裝置的要求溫度在45℃，即濃硝溫度在45℃，-20℃的冷凍鹽水和溫度較高濃硝液直接接觸，由于溫差過大，列管易結晶，結晶后用溫度高（50～60℃）的熱水沖洗，對列管造成損傷，也加大了現場員工的工作量，還損失很大一部分冷量。

4 改造方案

4.1 工藝管線改造

為了增大管道的流量和壓力，控制4#、5#列管的出口溫度在9～10℃，兌鹵槽溫度在-8℃左右，根據現場配管情況，優化現場管線，減少出列管到兌鹵槽的彎頭，由原來的12個減少到現在的6個，減少彎頭帶來的壓力損失。

4.2 設備運行改造

借鑒國內同行業成功經驗，選擇適合本廠生產的冷凍工藝流程，我們首先在濃硝泵出口增加兩臺板式換熱器（一開一備），冷卻介質采用循環水，將濃硝液從45℃降到35℃的濃硝液后進入兌鹵槽，為了降低濃縮液的溫度，我們選擇以板式換熱器（由低硝液換熱）和4#、5#列管換熱器結合的方式，將原有的2臺板式換熱器架設到兌鹵槽循環管線，對兌鹵槽的濃硝進行循環降溫，發揮了濃硝循環和低硝循環同時運行的優勢，這樣進入兌鹵槽的溫度就控制在10℃左右，使兌鹵槽的整體溫度能夠控制在范圍內，從而提高回收效率。

通過計算可知天辰化工在年產45萬噸PVC時，需要處理濃硝鹽水總量為20m3/h，采用的冷卻介質為循環水，根據我廠夏天循環水進口溫度大約28℃，出口溫度設定為33℃，將濃硝鹽水由最高的45℃降低到30℃，計算新增板換換熱面積。

通過能量橫算解得所需的面積為17.4m2，按1.3安全系數放大后，歸正的傳熱面積為23m2，新增換熱器A/B采用并聯形式，濃縮液循環換熱器前后必須加裝壓力表,方便操作人員及時了解換熱器的使用情況，當壓差超過0.15MPa時,切換到備用設備上，停下的設備進行維修，這樣可以實現連續進料。

5 項目實施效果及效益分析

5.1 實施效果

實施前，由于冷凍效果不佳，過濾鹽水硫酸根含量基本保持在4.0g/L以上，最低值僅為3.5g/L，在原鹽質量情況不是很好的情況下，系統內硫酸根富集到一定濃度時會對離子膜造成嚴重影響。改造前過濾鹽水硫酸根趨勢如圖2。

自除硝裝置項目實施后，過濾鹽水硫酸根最低值為2.0g/L，再經過1年的運行，膜透過液硫酸根的質量濃度基本維持在2.0～3.5g/L，系統內硫酸根含量下降約1.0g/L。除硝效果有了明顯提高，有效地保證了鹽水質量和離子膜使用壽命，改造后過濾鹽水硫酸根趨勢如圖3。

圖2 改造前過濾鹽水硫酸根趨勢

圖3 改造后過濾鹽水硫酸根趨勢

5.2 經濟效益

除硝冷凍系統冷量由氟利昂制冷工藝提供，通過-17℃鹽水給冷凍系統供冷，項目實施前螺桿機3大1小4臺全部運行（大螺桿機功率為220kW，小螺桿機125kW），總耗能為785kW。通過技術優化改造，有效降低了冷量損失，換熱器效率大幅提高，運行3臺（2大1小）螺桿機就能滿足冷量供應，按每年運行355d計算，可節約：220×24×355×0.41=76.85（萬元/a）。

6 結語

電解法制取燒堿所用的原鹽中含有一定量的硫酸根，隨著原鹽的溶解會帶入生產系統，離子膜本身的特性無法將硫酸根帶出，會在生產系統中富積，達到一定濃度的硫酸根會直接影響到電解槽的壽命、電耗及電流效率，本次除硝裝置改造后，系統硫酸根含量下降明顯，且穩定，節能效果顯著，該技術可幅度降低膜法除硝冷凍系統的能耗，對實現企業節能減耗，清潔生產有積極的意義，可在氯堿行業內推廣應用，另外本技術的成果，是節能降耗新思路的體現，對其他化工領域節能降耗提供了很好的參考作用，具有積極的借鑒意義與很大的推廣價值，社會和環境效益顯著。