燒堿三效蒸發裝置運行影響因素及優化控制

王陸軍，戴 建

（新浦化學（泰興）有限公司，江蘇 泰興 225400）

新浦化學（泰興）有限公司（以下簡稱“新浦化學”）是新加坡新浦化學私人有限公司全資子公司，成立于1995年12月30日。經過七次擴建，新浦化學離子膜燒堿裝置產能達到75萬t/a。為響應低碳號召，實施能源消耗替換，淘汰能耗高的一期單極槽和二三期強制循環復極槽燒堿裝置，七期新建15萬t/a燒堿裝置于2021年5月順利投產。從四期擴建至六期擴建，同步淘汰一二三期二效蒸發裝置和固堿裝置，分別新建了1套木村化機20萬t/a蒸發裝置、1套瑞士博特20萬t/a蒸發裝置、1套瑞士博特40萬t/a蒸發裝置，共計80萬t/a堿蒸發裝置。燒堿蒸發工序中，蒸發器、換熱器和堿管線在高溫、高腐蝕工況下運行，裝置運行5年后極易出現腐蝕泄漏，導致蒸發裝置出現堿外泄漏污染、設備內泄漏導致蒸汽冷凝水顯堿性、蒸汽消耗升高、蒸發成品濃度不合格、不能達到設計產能等一系列問題。如何保證蒸發裝置穩定、低能耗運行，成為重點攻關的課題。

1 蒸發運行影響因素

1.1 蒸發溫度

外界送來的蒸汽是堿液蒸發的主要熱源，其溫度高低直接影響到蒸發負荷及產品的濃度。在其他條件不變的情況下，較高的蒸汽溫度會使系統獲得較大的溫差，單位時間內傳遞的熱量也相應增加，裝置有較大的生產能力。正常生產中，需保持適宜的蒸汽溫度及蒸汽壓力。蒸汽溫度過高容易使加熱管內堿液溫度上升過快，形成氣膜，降低傳熱系數[1]。溫度過低，堿液不能達到所需溫度，蒸發量降低，產品濃度降低，導致產品不合格。

從一效蒸發器塔釜出來堿液的濃度與溫度及二次蒸汽壓力有密切關系，溫度越高堿液濃度越高，而堿液溫度和二次蒸汽壓力與外界送來的蒸汽和系統的真空度有關。當外界送來的蒸汽溫度和壓力不足或者系統真空度不足時堿液濃縮產生的二次蒸汽量越少，即蒸出堿液中的水量少，生產出的堿濃度便會降低。

隨著負荷的增加，需要加大蒸汽調節閥開度來增加蒸汽壓力和蒸汽溫度（見表1），關小真空系統的補氣閥，來保證系統的真空度，反之亦然。

表1 不同投料的蒸汽閥門開度與蒸發溫度

1.2 蒸發壓力

真空度是蒸發過程中提高蒸發能力的重要途徑，也是降低汽耗的重要方法。適當提高真空度，將二次蒸汽的飽和溫度降低從而提高有效的溫度差，充分利用了熱源，使蒸汽消耗降低。真空度的高低與大氣冷凝器的下水溫度有關（該溫度下的飽和蒸氣壓），也與二次蒸汽中的不凝氣含量有關。不凝性氣體的沸點較低，不易液化。如果在三效逆流降膜蒸發裝置中存在不凝性氣體，則會增加真空泵的負荷、影響系統真空度。蒸汽（包括二次蒸汽）中的不凝性氣體對系統的傳熱效率影響很大。蒸氣冷凝是相變過程，其對流傳熱（膜）系數很大，含有1%的不凝氣，蒸汽冷凝給熱系數降低50%左右，因此應盡可能地減少帶入系統的不凝性氣體的量，并及時排除系統內的不凝氣，見表2。

表2 蒸汽中不凝氣體對給熱系數的影響

1.3 蒸發器液位

在蒸發過程中液位過高時蒸發量下降，會引起溶液沸點升高，有效溫差減小，蒸發能力減弱；相反，蒸發器的液位過低，蒸發過于劇烈，會使二次汽夾帶的堿液量幾何式變大。因此，保證蒸發過程中每個蒸發器的塔釜液位穩定，保持液位的平衡狀態[2]，才能保證蒸發器的壓力和蒸發速率。

1.4 冷凝水溫度

蒸發系統二次蒸汽的冷卻效率取決于冷卻器的傳熱系數、換熱面積和冷卻水溫度。理想狀況下，冷凝水溫度等于循環水的回水溫度，實際情況下冷凝水溫度要比循環水的回水溫度高6～15℃。水的飽和蒸氣壓是隨著水溫升高而增大的，所以排出的冷凝水的溫度越低，水的飽和蒸氣壓越低，可能達到的真空度就越大，見表3。

表3 冷凝水溫度與可能達到的最大真空度的關系

循環水系統冷卻上水的溫度一般控制在20～35℃，循環回水的溫度一般在25～45℃，蒸發系統的冷凝水溫度一般在35～50℃，夏季一般情況下蒸發系統的真空相對會差些，對裝置滿負荷生產是個挑戰。有條件或有必要的企業，可以在夏季使用冷凍機組的冷水作為蒸發的循環冷卻水，保證表面冷凝器的冷卻效果。由于循環水涼水塔是敞開式系統，循環水系統中會夾帶泥沙，垢層或泥沙都會導致表面冷卻器傳熱系數降低、流通面積減小，降低表面冷卻器的冷卻效率；另外，氯堿蒸發因使用氯堿的公共循環水系統，可能會有局部的燒堿換熱器內漏導致堿進入循環水系統，循環水質變差，換熱器結垢嚴重，影響換熱效果。

2 優化控制

2.1 提高傳熱溫差

提高傳熱溫差有兩種方法，一種是提高加熱蒸汽的溫度，即用較高壓力的飽和蒸氣；另一種是降低一效冷凝器的飽和蒸氣溫度，即盡可能降低真空。

實際生產中，蒸汽壓力受到企業或園區供汽的限制，供應的蒸汽壓力一般不會超過1.15 MPa，通過試驗證明（見表4），在較高供汽壓力下，蒸發效率最高，沒有產生因蒸汽溫度過高、蒸發過量產生氣膜導致傳熱效果變差；蒸汽壓力低于0.80 MPa，蒸發系統會因蒸發量不足，明顯出現堿濃度降低不達標的情況，同時會出現塔釜液位上升的現象。

表4 蒸汽壓力對負荷、濃度的影響

另外，如果改變一效蒸發器操作壓力，其對蒸汽消耗會有顯著變化。在低壓力、低蒸發器出口堿溫的情況下，冷凝液及49%燒堿的熱量能夠得到更為充分的回收利用，能夠降低蒸汽消耗。如果一效的堿溫降低，那么總溫差將會變大。換熱推動力增大，裝置的產能得到提高。系統運行溫度降低，延長了設備使用壽命[3]。

根據瑞士博特提供的堿液溫度-壓力曲線能夠看出，一效壓力達到0.007 MPa時，一效蒸發器內堿濃度即可達到37.0%。

2.1.1 保證蒸汽的壓力和溫度

為保證蒸汽壓力和溫度穩定供應，在電廠到公司1.0 MPa蒸汽管網處使用減溫減壓裝置，保證蒸汽管網壓力在0.90～1.15 MPa，溫度控制在160～180℃。進入蒸發裝置的蒸汽采用自動調節閥與三效溫度設定自動控制，三效出口的堿濃度波動范圍＜0.8%。為減少波動，提高堿濃度控制的穩定性，降低蒸汽消耗，在進入氯堿廠的蒸汽主管網上增加蒸汽穩壓調節閥，進入蒸發裝置前的蒸汽壓力可以控制在0.95～1.12 MPa（進入蒸發器的閥后壓力在0.85～1.05 MPa），進入蒸發裝置的蒸汽采用自動調節閥與三效出口堿濃度設定自動控制[4]，三效出口的堿濃度波動范圍縮小到＜0.5%。

另外，充分利用堿預熱器將高溫堿與蒸汽冷凝液的能量回收，通過調節進入二效蒸發器堿水換熱器和堿堿換熱器的預熱堿流量，調節進入三效蒸發器堿水換熱器和堿堿換熱器的預熱堿流量，保證出2臺堿預熱器的堿溫基本一致，可以最大化利用高溫堿和蒸汽冷凝水的熱量，減少蒸汽消耗。

2.1.2 保證循環冷卻水質量

為提高真空度，須選用傳熱系數高且換熱面積足夠的換熱器，實際工業運行中，為了裝置建設成本考慮，換熱器的面積按標準產能設計，在長時間運行時存在換熱效果下降，達不到高負荷運行的要求。一般20萬t/a的燒堿蒸發裝置表面冷凝器的換熱面積為700～850 m2。運行中通過控制循環水的低溫度（夏季＜34℃，冬季＜26℃），提高循環水的壓力（0.38 MPa以上）和循環水流量（600 m3/h以上），確保蒸汽冷凝效果。冷卻水溫度對負荷的影響見表5。

表5 冷卻水溫度對負荷的影響

通過表5可知，循環水溫度＞34℃時，會明顯影響蒸發濃度和負荷。表面冷凝器在運行一段時間后列管結垢或循環水內雜質沉積，換熱器的傳熱系數減小，導致冷凝水溫度升高，真空變差。保證循環水的品質才可以保證換熱器冷卻效果。（1）有效排污控制循環水的雜質；（2）游離氯檢測與殺菌劑加量調整，防止菌藻生長；（3）循環水pH值檢測，及時發現換熱器內漏，防止物料進入循環水系統；（4）利用大修機會徹底清理循環水池內污泥；（5）定期清理循環水過濾網，減少雜質進入換熱器列管；（6）每2年左右拆下換熱器封頭，使用高壓水清洗表面冷凝器的列管，去除循環水沉積雜質和少量結垢，保證換熱系數。

2.2 提高真空度

三效逆流降膜蒸發系統的真空度是通過冷卻二次蒸汽，并用真空設備抽除不凝性氣體得到的。理論上蒸發系統所能達到的最大真空度是大氣壓與冷凝水在此溫度下的飽和蒸氣壓之差。因此，確保二次蒸汽的冷卻效率和真空設備的運轉效率是保證蒸發系統真空度的先決條件。具體措施如下。

（1）選擇合適真空泵

采用真空泵抽吸，保證較高的真空度及其穩定性。真空度的高低除與二次蒸汽的冷卻效果有關，還與二次蒸汽中的不凝氣含量有關。所以，提高真空度的另一途徑就是最大限度地排除不凝性氣體。排除不凝性氣體通常采用機械真空泵、蒸汽噴射泵、水噴射泵等。水噴射泵是燒堿蒸發獲取真空較常用的設備，但該真空設施受供水壓力的影響大，很難獲得較高且穩定的真空度；蒸汽噴射泵能耗高，且穩定性受外網蒸汽壓力波動的影響較大；機械真空泵處理量易于選擇、控制方便、獨立性好，不受蒸汽或供水壓力的影響。因此新浦化學選擇機械真空泵排出不凝性氣體。

（2）保證系統密封性

保證系統密封性，才能保證好的真空。為保證系統的密封性，蒸發裝置在裝配過程中或檢修后都要做氣密性試驗，但在運行中，空氣不可避免地會少量漏入真空系統。這種泄漏將直接影響裝置運行的經濟性。因此，定期做氣密性試驗（氣密性試驗應按照正壓和負壓各做一次），發現漏點及時消除。確保系統的密封性是日常工作中應注意的問題，一般利用大修期間進行查漏，做好預防性維修。

（3）保證表面冷凝器冷卻效果

保證表面冷凝器具有良好的傳熱效果，將二次蒸汽快速冷卻下來，從而獲得較大且穩定的真空度。保證良好換熱器傳熱效果一般有擴展傳熱面積、加大傳熱溫差及提高傳熱系數等方法。傳熱面積和傳熱溫差在設備和工藝確定后可以視為常數，只有傳熱系數與運行管理相關性最大。表面冷凝器通常采用列管式換熱器，影響其傳熱系數的因素主要有冷卻水的流量、流速、壓力、水質等。為了確保冷卻水的流量、流速、壓力達到要求，設置了流量、壓力檢測。實際生產中，由于冷卻器傳熱系數降低、流通面積減小，表面冷凝器的冷卻效率降低導致蒸發系統達不到所要求的真空度。因此保證循環水流量、壓力、水質，并對表面冷凝器定期高壓清洗，可確保表面冷凝器的冷卻效果，保證系統具有較高的真空度。

（4）其他措施

每年在初夏季節清理機械真空泵機組的冷卻器，保證其冷卻效果，提高真空泵的抽氣能力，提高蒸發系統真空度。機械真空泵的換熱器冷卻可以由敞開式循環水冷卻改為閉路冷凍水冷卻，通過冷凍水冷卻可以改善機械真空泵換熱器的冷卻效果，將機械真空泵腔內的水氣進一步冷凝下來，提高真空泵的運行效率。

最后，蒸發器運行5年后需要利用大修機會檢查蒸發器塔釜二次汽出口除沫器的鎳絲網，清洗鎳絲網內的碎屑或者更換破損鎳絲網，減少因鎳絲網腐蝕破損對堿沫攔截的效果變差后帶堿對真空的影響。

2.3 控制合適的蒸發器液位

蒸發器內液位高度的變化會使靜壓頭的變化，導致蒸發系統的不穩定，在蒸發過程中，通過自動調節閥控制進料壓力穩定在0.5 MPa，自動控制蒸發器液位和出料量，通過調試（見表6）證明蒸發器液位控制在45%左右時，蒸發裝置運行最佳。

表6 蒸發器液位對冷凝水電導率的影響

3 結語

通過實踐，將循環冷卻水的上水壓力控制在0.38～0.42 MPa，循環水溫度控制在20～32℃，一效真空控制在-92 kPa，蒸汽壓力控制在0.95～1.12 MPa，蒸發器液位控制在45%，裝置運行負荷在60%～85%時，蒸汽單耗可以控制在470 kg/t以內。

三效逆流降膜蒸發是較為先進、成熟的堿濃縮工藝。在工程建設中做好質量跟蹤，嚴格審查施工質量與安裝尺寸，做好機械、儀表、電氣調試和相應的準備工作，并在運行中通過優化控制指標范圍、精心操作，使蒸發裝置穩定、長周期運行。從節能降耗角度出發，可以將蒸汽冷凝液回收用于一次鹽水化鹽、鹽酸合成爐和燃氫鍋爐的鍋爐補水，或者增加電導率控制后送去純水站作為純水使用，通過充分利用回收熱能的方法達到節能降耗目的。