膜法除硝冷凍單元技術改造

駱玉錕

(山東魯泰化學有限公司，山東 濟寧 272345)

1 冷凍單元改造背景

除硝冷凍單元采用氟利昂通過蒸發器直接冷凍鹽水的工藝，蒸發器在使用過程中極易堵塞列管，每天須輪換沖洗6次蒸發器以提高其換熱效率。沖洗1臺蒸發器至少耗時0.5 h，并且沖洗水溫度在30 ℃以上，而蒸發器的運行溫度在-6 ℃左右，巨大的溫差造成冷凍單元溫度頻繁波動，而且蒸發器列管焊縫出現裂縫，氟利昂外漏[1]。

2 冷凍單元現有設備及生產能力

目前魯泰化學除硝冷凍單元有冷凍機組2臺，電動機功率500 kW，1開1備。主要設備如下：蒸發器5臺，S=180 m2,換熱管252根；預冷器2臺，1臺S=31.9 m2，1臺S=25.3 m2；冷凍循環泵5臺，Q=145 m3/h，H=35 m；貧硝鹽水泵1臺,Q=50 m3/h，H=30 m；硝漿進料泵4臺，Q=6.5 m3/h，H=35 m；回收母液泵1臺,Q=10 m3/h，H=30 m。

3 改造方案

(1)改蒸發器為列管換熱器：根據冷量的需要對除硝冷凍單元5臺蒸發器中的3臺進行改造，其中單臺換熱面積為180 m2，除硝冷凍單元蒸發器A、B、C與R-22管路斷開，拆除蒸發器A、B、C上部R-22汽化儲槽，改蒸發器為列管換熱器。

(2)冷媒采用低溫氯化鈣鹽水，該低溫鹽水由山東魯泰化學有限公司公用工程車間提供，溫度為-28 ℃。

(3)增加1臺-15 ℃氯化鈣鹽水罐，在-15 ℃氯化鈣鹽水罐進口增設1臺列管式換熱器(換熱面積100 m2)，換熱器進口氯化鈣鹽水溫度-28 ℃，流量120 m3/h；-28 ℃氯化鈣鹽水進口安裝自控調節閥，控制進入鹽水罐的氯化鈣鹽水在-15 ℃左右。 -15 ℃氯化鈣鹽水罐出口增加2臺變頻輸送泵(流量150 m3/h,揚程45 m,l開1備)，為脫硝冷凍單元提供冷媒。

(4)-15 ℃氯化鈣鹽水與富硝氯化鈉鹽水換熱。將-15 ℃氯化鈣鹽水送至除硝冷凍單元，-15 ℃氯化鈣鹽水管道與原氟利昂管道連接，換熱器殼程介質-15 ℃氯化鈣鹽水，管程介質仍為富硝鹽水。-15 ℃氯化鈣鹽水從換熱器底部進、頂部出，采用換熱器A、B、C 3臺并聯的形式。

(5)除硝冷凍單元-15 ℃氯化鈣鹽水進口管道安裝DN150不銹鋼自控閥門，調節氯化鈣鹽水流量，以控制富硝氯化鈉鹽水出水溫度(-5～0 ℃)，減少冷量浪費，同時實現除硝系統的穩定運行。在自控閥后安裝1個熱電阻測溫器，檢測進口氯化鈣鹽水溫度；在氯化鈣鹽水進入換熱器前增加1臺Y形過濾器，防止雜質堵塞列管。為方便換熱器沖洗時切斷冷媒，單臺換熱器-15 ℃氯化鈣鹽水進出口各增加1個DN100氣動閥，共需6個DN100自控閥。

(6)富硝鹽水在密度為1.13～1.14 kg/L時，結晶點為-11.4～-10.2 ℃，為保證富硝鹽水在蒸發器內不凝固，應確保鹽水進入換熱器前的溫度在-12 ℃以上[2]。

氯化鈣鹽水上水(壓力≥0.4 MPa)溫度-15～-12 ℃，回水至冷凍工段鹽水箱，溫度-6～-3 ℃。

改造后除硝冷凍單元工藝流程如圖1所示。

圖1 改造后除硝冷凍單元工藝流程簡圖Fig.1 Diagram of improved process flow of freezing unit for sulfate removal

4 改造后運行效果

4.1 換熱器沖洗頻次大幅降低

改造前，蒸發器沖洗頻次為1次/(4 h)；改造后，換熱器沖洗頻次為1次/(24 h)，有效降低了操作人員的工作強度，并緩解了換熱器熱脹冷縮對內部管程的影響。

4.2 冷凍單元溫度趨于穩定

改造前，沖洗蒸發器時冷凍單元溫度上升2 ℃以上；改造后，溫度上升1 ℃以下，穩定了冷凍單元溫度系統，有效保障了鹽水除硝量，保證了鹽水質量。

4.3 檢修成本大幅降低

除硝冷凍單元自改造完成至今，冷凍系統各項參數均正常，運行成本大大降低。原消耗氟利昂約16 t/a，氟利昂價格以2.5萬元/t計，可降低運行成本：16×2.5=40(萬元/a)。

4.4 鹽水系統硫酸根含量大幅降低

工藝改造前，由于冷凍效果不佳，鹽水系統中硫酸根質量濃度基本保持在4～5 g/L；改造后，鹽水系統中硫酸根質量濃度最低降到3 g/L，且至今穩定在3～4 g/L，系統中硫酸根質量濃度下降約1.5 g/L，有效保證了鹽水質量和離子膜的使用壽命。

5 結語

除硝冷凍單元改造后，系統中硫酸根的含量明顯下降且溫度更穩定，大大降低了裝置的運行成本。延長了除硝冷凍單元設備的使用壽命，對實現企業節能降耗、清潔生產具有積極意義。