高純保險粉生產工藝改進及應用分析

郭 銳,劉承海,朱 月,李曉奎 ,張美麗,朱顯軍,尹學文,陳臘梅

(1.湖北宜化化工股份有限公司,湖北 宜昌 443007;2.湖北宜化集團有限責任公司,湖北 宜昌 443000)

保險粉(連二亞硫酸鈉)作為漂白劑、脫氧劑等,廣泛應用于紡織、印染、造紙、生物、醫藥、食品、試劑合成等領域。現階段保險粉生產工藝主要包括以下3種方式:①鋅粉法。鋅粉法是老工藝,上世紀七八十年代國內應用該工藝有十余家,目前只有“臺灣國泰”(2萬t/a)一家,該工藝成熟可靠,產品質量高,收率為75%,但成本高,污染重。國際上生產廠家有德國巴斯夫等,收率可達84%[2];②鈉汞齊法。由于生產工藝的“三廢”處理和勞動保護要求較為嚴格,且耗電較高,因此工業上很少采用;③甲酸鈉法。甲酸鈉法是新工藝,由日本三菱瓦斯公司1969年開發成功,其資源利用合理,成本低,大大減少了環境污染[3]。因此,甲酸鈉法成為保險粉生產工藝的主流。

季戊四醇副產甲酸鈉中含有季戊四醇、雙季戊四醇、三季戊四醇等多元醇類有機物,其中甲酸鈉含量在90%～94%,有機雜質3%～5%。季戊四醇副產甲酸鈉對比合成法甲酸鈉(CO與燒堿反應生產),其含量低(5%～8%),價格低(1 000～1 500元/t),不能直接用于生產保險粉,需要提純到99%以上,除去有機雜質。除雜提純的成本約500元/t,對比仍然有500～1 000元/t的價格差,效益十分明顯。

自上世紀八十年代以來,我國積極探索甲酸鈉法新工藝,1980年在四川染料廠成功進行了我國第一套甲酸鈉法生產裝置的建設和試生產,生產能力達到0.5萬t/a,收率僅為40%,屬第一代技術。1988年,在湖南株洲建成了1.5萬t/a的我國第二套大型甲酸鈉法保險粉生產線,收率為60%,屬第二代技術。1993年中成化工有限公司建成了生產能力達到7.5萬t/a的甲酸鈉法保險粉生產裝置,成為世界第一大保險粉生產企業,收率可達到80%,屬第三代技術。該裝置技術水平已遠遠超過日本三菱瓦斯公司。然而,目前第三代生產技術產品存在著品位低(純度≤90%)、生產效率低、三廢處理難度大等關鍵問題[3]。因此,開發高純保險粉連續化綠色生產工藝成為迫切需求。

1 高純保險粉生產工藝改進及工業應用

針對第三代間歇法保險粉產品品位低、生產效率低等技術難題,湖北宜化化工股份有限公司通過技術創新,研發出連續法高純保險粉生產技術及高純保險粉綠色生產技術,在產品純度、節能減排等方面均在行業前列。

1.1 連續法高純保險粉生產技術

連續法高純保險粉生產技術提出“一拖五”連續化生產,應用連續流反應強化手段,1個連續流反應器作為主反應釜,聯鎖串聯5個小滴加反應釜,精準控制主副反應釜相對液位、動力學與熱力學等特性參數,強化合成反應條件,縮短反應時間,實現多相高效混合傳質與傳熱[5]。該技術實現保險粉連續化工業生產,合成總時長減少0.5h以上,規模裝置效率提高不低于20%,原料單耗同比下降超過8%。針對現階段保險粉產品品位低(純度≤90%)的技術問題,通過優化保險粉生產裝置,在SO2/CH3OH 配制槽中并聯2個屏蔽系統,反應后期再加入 SO2/CH3OH 混合液,維持反應體系的最佳醇水比,抑制副反應對裝置內保險粉的消耗,生產出純度超過90%的保險粉。

1.2 高純保險粉綠色生產技術

在第三代間歇法保險粉生產過程中,1t保險粉產品產生0.05～0.1 t廢液,排放鹽析廢水0.8 t,廢水中鹽分和化學需氧量(COD)很高,是典型的高鹽、高有機物、難治理工業廢水,也是束縛該行業可持續綠色發展的最大環境障礙。保險粉生產關鍵原材料SO2在制備過程中,高溫狀態下硫磺極易與鐵或不銹鋼發生反應,造成氧槍本體燒毀損壞,導致SO2泄漏,引發環境污染,存在安全隱患,同時導致原料氣純度不高,影響后續保險粉的產品品質。

本研究設計制造了一套具有自主知識產權的集成轉化余熱再利用、SO2焚硫爐、廢水再生回收系統的綠色生產系統。首先設計了SO2焚硫爐氧槍新型裝置(見圖1),將傳統氧槍端口封閉,在管壁上預開均勻孔道,初次焚硫過程在裝置表面形成保護氧化鍍膜,有效隔離液體硫磺與氧槍,實現SO2高效率安全生產,噸保險粉耗SO2由0.470 t/t下降到0.465 t/t[7]。

圖1 SO2焚硫爐氧槍裝置注:1—主通氣孔;2—第一法蘭孔;3—第一法蘭盤;4—氧槍主體;5—異徑法蘭孔;6—異徑法蘭盤;7—多孔段;8—密集的通孔;9—底部密封板;10—底部通孔

其次,設計了鹽析廢水再生回收系統(見圖2),廢水排出管與再生廢水槽相連通,再生廢水槽通過輸送管路與反應罐相連,反應罐的底部安裝有通氣管,通氣管與鼓風機相連,通氣管上設置有密集的豎直排氣管,反應罐的頂部通過堿液輸送管與堿液儲存罐相連通,堿液輸送管位于反應罐內部的一端為螺旋管,反應罐的底部通過循環管與反應罐的頂部相連通,在循環管上連通有回收管,回收管再次與鹽水精制系統相連[6]。此系統可對鹽析廢水進行處理,并將處理之后的水再次回收利用,進而避免了環境污染。

圖2 鹽析廢水再生回收系統注:1—廢水排出管;2—再生廢水槽;3—輸送管路;6—螺旋管;7—通氣管;8—鼓風機;9—反應罐;10—豎直排氣管;12—循環管;14—回收管;15—堿液輸送管;16—堿液儲存罐

最后,開發了一種轉化余熱再利用裝置(見圖3),保險粉生產過程屬于放熱反應,多余熱量通過冷卻液帶走,一般生產工藝中,受熱液體進入槽體后直接排空處理。為克服上述缺陷,本生產系統連接轉化余熱再利用裝置,引入熱水強制循環,在經過鼓風機前增加空氣預熱器,提高進入鼓風機前的空氣溫度,降低干燥工藝蒸汽消耗,節約能源[8]。

圖3 轉化余熱再利用裝置注:1—預熱器;2—鼓風機;3—空氣加熱器;4—氣流塔;5—熱水槽

2 應用分析

2.1 提升產品性能

本研究采用具有自主知識產權的連續化生產工藝,生產過程省略調值、升溫等重復工序,通過新增SO2/CH3OH配比調控裝置,維持反應體系醇水比,抑制副反應,保險粉純度達到91.5%,極大推動了保險粉行業的生產水平和技術進步。

2.2 節能減排、增效創收

與第三代間歇工藝相比,高純保險粉連續化工業生產技術耗電減少了8%,鹽析廢水循環利用率達到100%以上,年節能折合標煤92 kg/t。2018年到2021年,保險粉銷售額分別為21 008萬元、17 359萬元、12 983萬元、29 114萬元,產品出口至泰國、印度尼西亞、墨西哥等10余國家,經濟效益大大提升。

3 結語

連續法保險粉生產工藝針對保險粉第三代間歇法生產工藝存在的生產成本高、產品品位低(純度≤90%)、生產效率低、三廢處理難度大等關鍵難題,開發了高純保險粉連續化工業生產技術及配套裝置。

(1)連續法保險粉生產工藝可有效解決第三代間歇工藝的原料單耗高、裝置利用率低等技術難題,顯著提升保險粉產品質量,推動保險粉產業生產水平和技術進步。

(2)高純保險粉綠色生產系統實現了鹽析廢水、余熱的高值化利用,解決了保險粉產業高能耗、高污染、高危險、低效益的“三高一低”問題,推動保險粉產業綠色、可持續發展。