基于MFA方法純堿生產(chǎn)過程物質(zhì)流及能量流分析

成春春，宋浩宇，李春麗

（1.青海大學化工學院，青海西寧810016；2.廣東省環(huán)境保護職業(yè)技術(shù)學校環(huán)境工程系）

青海省“十三五” 節(jié)能減排總體目標中明確規(guī)定，到2020 年全省化學需氧量、氨氮、二氧化硫、氮氧化物排放總量分別控制在10.32 萬、0.981 萬、14.17 萬、11.08 萬t 以 內(nèi)， 比2015 年 分 別 減 排1.1%、1.4%、6%、6%。而純堿工業(yè)屬于青海省高排放行業(yè)，產(chǎn)量也達到了400 萬t/a，因此純堿對青海省“十三五” 期間完成節(jié)能減排指標將產(chǎn)生重大影響。研究純堿生產(chǎn)過程的物質(zhì)流、能量流，追蹤整個過程中物質(zhì)、能量的流向，識別純堿生產(chǎn)過程中資源的制約因素，將有利于提高資源及能源的利用效率，有利于降低環(huán)境負荷， 并進一步促進純堿行業(yè)實現(xiàn)生態(tài)化轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展。

物質(zhì)流分析（MFA）已廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域［1-4］。如郭穎等［5］將元素流應(yīng)用于生態(tài)工業(yè)的規(guī)劃；張風云［6］進行了氯堿化工能量流分析研究；成春春等［7］研究了硅鐵企業(yè)物質(zhì)流、能量流，并提出了節(jié)能減排技術(shù)方案；李春麗等［8］以青海省某企業(yè)為基礎(chǔ)，研究了鋁電解過程中的物質(zhì)流、能量流；Li 等［9］研究了中國城鄉(xiāng)居民廢舊冰箱的物質(zhì)流分析；于慶波等［10］提出了鋼鐵生產(chǎn)流程的“基準物流圖”，討論了鋼鐵企業(yè)的物質(zhì)流、能量流及其相互關(guān)系；王麗娜等［11］以中國某大型天然氣化工企業(yè)為例，運用MFA 手段從微觀層面上分析自然資源流， 以便更好地理解和管理工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)濟、環(huán)境的關(guān)系；陳瀛等［12］以鹽湖化工企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)為研究對象， 根據(jù)物質(zhì)流分析的相關(guān)指標， 對鹽湖鎂產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的循環(huán)經(jīng)濟實施狀況進行了比較分析。 筆者以青海省某純堿企業(yè)氨堿法生產(chǎn)純堿為例， 對其進行了物質(zhì)流和能量流的計算和分析。

1 純堿生產(chǎn)工藝流程

純堿生產(chǎn)采用氨堿法， 生產(chǎn)工藝主要包括鹽水工序、蒸吸氨工序、煅燒工序、碳酸化處理工序等，工藝流程示意圖見圖1。

圖1 純堿生產(chǎn)工藝流程示意圖

2 純堿生產(chǎn)過程物質(zhì)流分析

以年產(chǎn)1 t 純堿每小時所需物質(zhì)為計算基準，通過理論計算得到物質(zhì)流圖見圖2。 由圖2 看出，純堿生產(chǎn)中資源利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)包括以下幾方面：

圖2 純堿生產(chǎn)過程物質(zhì)流分析圖

1）純堿生產(chǎn)過程中廢氣的主要排放環(huán)節(jié)為石灰生產(chǎn)工序、碳酸化工序以及蒸吸工序。 單位純堿產(chǎn)品生產(chǎn)過程共產(chǎn)生尾氣（排放）1 457.4 kg，其中碳酸化工序排放廢氣1 018.7 kg（包括尾氣凈氨塔排放凈氨廢氣721.3 kg、 濾過尾氣凈氨塔排放凈氨廢氣297.4 kg）；石灰工序窯氣排放307.3 kg、化灰機水汽排放120.7 kg； 蒸吸工序吸收尾氣凈氨塔排放凈氨尾氣10.7 kg。

2）廢液主要排放環(huán)節(jié)為蒸吸工序、石灰生產(chǎn)工序、鹽水工序以及碳酸化工序。單位純堿產(chǎn)品生產(chǎn)過程共產(chǎn)生廢水（排放）10 118.97 kg，其中蒸吸工序排放蒸氨廢水7 795.8 kg、 淡液蒸氨廢水381.5 kg；石灰工序排放窯氣洗滌廢水1 351.3 kg、 電除塵洗水338.3 kg； 鹽水工序排放洗鹽泥后廢水238.169 kg；碳酸化工序排放壓縮分離廢水12.9 kg。

3）廢渣主要排放環(huán)節(jié)為蒸吸工序、石灰生產(chǎn)工序以及鹽水工序。 單位純堿產(chǎn)品生產(chǎn)過程共產(chǎn)生廢渣1 715.76 kg，其中鹽水工序產(chǎn)生廢泥81.45 kg、石灰工序窯氣凈化產(chǎn)生粉塵1.125 9 kg、蒸吸工序排放蒸氨廢渣1 633.18 kg。 可見蒸氨后產(chǎn)生的廢渣量較大，占據(jù)廢渣總排放量的95.2%。

3 純堿生產(chǎn)過程能量流分析

3.1 純堿生產(chǎn)過程幾個工序能量流分析

以年產(chǎn)1 t 純堿每小時所需能量為計算基準，通過理論計算得到能量流圖見圖3。 由圖3 看出，純堿生產(chǎn)過程中能量的轉(zhuǎn)化與流動主要集中在蒸吸工序、碳酸化工序和煅燒工序，其中蒸吸工序、煅燒工序消耗能量較多，需外部蒸汽供熱量大；碳酸化工序反應(yīng)放熱量大，熱能的綜合利用空間大。

圖3 純堿生產(chǎn)過程能流圖

1）蒸吸工序廢液出塔時帶走3 823.55 MJ 熱量，造成極大的熱量損失。

2）碳酸化工序氨鹽水碳酸化反應(yīng)放熱2169.7MJ，放出的熱量大都被循環(huán)水移走，造成這部分能量損失。

3）煅燒工序由于重堿中碳酸氫鈉和碳酸氫銨的分解要吸收1 319.9 MJ 熱量， 重堿中水氣的蒸發(fā)需要吸收熱量759.5 MJ， 因此需要外部提供大量的熱量。

4）整個生產(chǎn)過程存在較大的熱損失，損失量為1 063.6 MJ，相當于全系統(tǒng)蒸汽供熱量的12.26%。

3.2 純堿生產(chǎn)過程外部供熱能量流分析

圖4 為純堿生產(chǎn)過程外部供能能流圖。 由4 看出，外部提供的熱量主要是電能和燃煤產(chǎn)生蒸汽供熱，其中燃煤產(chǎn)生的熱量為9 559.2 MJ、外部供電8 kW·h。

1）煤燃燒后產(chǎn)生熱值9 559.2 MJ，經(jīng)鍋爐轉(zhuǎn)化可產(chǎn)生蒸汽熱值13 405.2 MJ。 整個過程功損失蒸汽熱值856.8 MJ，占煤炭燃燒熱的8.96%，因此減少蒸汽輸送過程損失提高汽輪機熱效率可在一定程度上降低能耗。

2）共輸入蒸汽熱能11 985.1 MJ，其中33.87%輸送到煅燒工序、43.2%輸送到壓縮工序、34.53%送往蒸吸工序、3.99%送往鹽水工序。 可以看出，整個生產(chǎn)過程中煅燒工序和蒸吸工序消耗了大部分蒸汽熱能。因此，降低重堿中水分、提高重堿煅燒效率、降低蒸吸工序能耗可以有效降低制堿過程的能耗。

3）共輸入電能208.1 kW·h，其中42.86%用于熱電站、17.35%用于泵房、3.12%用于鹽水工序、11.73%用于石灰工序、4.66%用于蒸吸工序、3.84%用于碳化工序、4.32%用于煅燒工序、2.11%用于壓縮工序。 可見石灰工序、熱電站和泵房電耗較大，各種輸送設(shè)備是節(jié)能的關(guān)鍵點。

4 小結(jié)

1）從物質(zhì)流分析可以看出，碳酸化過程產(chǎn)生大量的碳化尾氣和少部分的濾過尾氣， 主要含氨氣和二氧化碳，應(yīng)采用“碳化尾氣治理技術(shù)”加以回收利用氨氣。石灰窯氣主要含二氧化碳、氮氣以及少量粉塵，應(yīng)采用“窯氣粉塵治理技術(shù)”達到排放標準后排放。

圖4 純堿生產(chǎn)外部供熱能流圖

2）純堿生產(chǎn)中廢液排放最大的環(huán)節(jié)是蒸吸工序中排放的蒸氨廢液， 主要污染物為可溶性CaCl2、NaCl、CaO、CaCO3以及微量氨和約3%（質(zhì)量分數(shù)）的固體物質(zhì)，應(yīng)將廢液作為生產(chǎn)原料，從中提取氯化鈣產(chǎn)品，減輕蒸氨廢液對當?shù)丨h(huán)境的污染。

3）純堿生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢渣主要是鹽泥，應(yīng)采用“鹽泥綜合回收技術(shù)”，提高洗泥效率，減少廢泥中的鹽含量從而降低鹽耗， 廢泥中除含有NaCl 外，還有少量的CaCO3、Mg（OH）2等，應(yīng)對其進行回收綜合利用。

4）從純堿生產(chǎn)能量流分析來看，降低蒸氨工序和煅燒工序的能耗是提高能源利用的關(guān)鍵， 在優(yōu)化控制條件、降低過程反應(yīng)吸熱的同時，可采用“蒸氨塔真空蒸餾技術(shù)”、“蒸汽冷凝水多級閃發(fā)回收技術(shù)”降低能耗及設(shè)備熱損失。 在石灰生產(chǎn)工序，采用“富氧燃燒技術(shù)” 可以降低石灰物耗以及降低石灰窯能耗，而回收化灰機出氣熱能、加強石灰窯保溫措施減少熱損失是節(jié)能降耗的有效途徑。