固堿裝置節(jié)能降耗新措施

劉曉萌，李民堂，李順民

（濱化集團(tuán)股份有限公司，山東 濱州 601678）

濱化集團(tuán)東瑞化工有限責(zé)任公司目前建設(shè)有1套10萬(wàn)t/a和1套12萬(wàn)t/a的粒片堿聯(lián)產(chǎn)裝置，均以離子膜電解32%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）液堿為原料生產(chǎn)固體粒堿和片堿。其中10萬(wàn)t/a的裝置是引進(jìn)瑞士betrems公司的設(shè)備及工藝，12萬(wàn)t/a裝置是自主設(shè)計(jì)并采用的國(guó)產(chǎn)設(shè)備，目前2套裝置均采用三效逆流降膜蒸發(fā)流程和二效逆流降膜濃縮流程。隨著政府部門(mén)加大節(jié)能環(huán)保政策法規(guī)實(shí)施力度，節(jié)能降耗是裝置運(yùn)行面臨的首要任務(wù)，也是擺在所有裝置操作人員和技術(shù)人員面前的難題，固堿生產(chǎn)裝置最主要的能源消耗為蒸汽、電、熔鹽爐燃料。下面就固堿生產(chǎn)過(guò)程中如何實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗作簡(jiǎn)要介紹。

1　蒸汽

蒸汽作為化工生產(chǎn)中普遍使用的熱載體，在固堿生產(chǎn)中的作用尤為明顯，其主要作用有：（1）直接為蒸發(fā)器供熱；（2）堿設(shè)備及管線伴熱；（3）熔鹽設(shè)備及管線伴熱；（4）裝置開(kāi)停車(chē)期間設(shè)備及管線內(nèi)部吹掃。由于蒸汽的用途廣泛，因此在其節(jié)能方面可做的文章就比較多。

1.1　選用科學(xué)合理的蒸發(fā)工藝流程

蒸發(fā)工藝流程按照效體數(shù)量可分為單效、雙效、三效等蒸發(fā)流程。效體數(shù)量越多蒸汽再利用率就越高，蒸汽消耗低，但設(shè)備數(shù)量增加帶來(lái)的一次投資相應(yīng)增加。

按照堿液循環(huán)及設(shè)備形式又分為自然循環(huán)、強(qiáng)制循環(huán)、不循環(huán)（升膜、降膜、旋轉(zhuǎn)薄膜）流程。強(qiáng)制循環(huán)流程可以獲得較高的傳熱系數(shù)，但投用時(shí)間較晚的不循環(huán)流程具有更優(yōu)良的工藝操作性能。

按照堿液及蒸汽流向分為順流和逆流流程。逆流流程堿液與蒸汽為逆向流動(dòng)，生蒸汽用于加熱高濃度堿，二次蒸汽用于加熱低濃度堿，提高了傳熱系數(shù)，較順流流程蒸汽消耗低。但逆流工藝由于濃效蒸發(fā)器處于高溫、高濃堿的環(huán)境，因此對(duì)材質(zhì)及制作工藝要求更高[1]。

圖1　三效逆流降膜蒸發(fā)流程

圖2　兩效逆流降膜濃縮流程

因此，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段根據(jù)實(shí)際情況選擇科學(xué)合理的蒸發(fā)工藝流程可以取得較好的綜合經(jīng)濟(jì)效益。建議產(chǎn)能較大的裝置選用三效逆流降膜蒸發(fā)流程，盡管一次投資較高，但從裝置長(zhǎng)期運(yùn)行綜合成本考慮，其經(jīng)濟(jì)效益更高。

1.2　合理調(diào)整蒸發(fā)及濃縮各效體濃度梯度

蒸發(fā)單元采用生蒸汽作為熱源，出料濃度在48%～50%。濃縮單元利用燃燒離子膜電解副產(chǎn)氫氣加熱熔鹽，以熔鹽作為熱載體加熱堿液至熔融態(tài)。由于氫氣屬于清潔能源，因此，適當(dāng)降低蒸發(fā)出料濃度，通過(guò)提高熔鹽爐負(fù)荷來(lái)提升堿液濃度，達(dá)到降低蒸汽消耗的目的。但此方式只適用于使用氫氣做熔鹽爐燃料且氫氣量有富余的情況，各裝置可根據(jù)自身實(shí)際情況合理調(diào)整。

1.3　保持真空系統(tǒng)的高水平運(yùn)行

為降低效體內(nèi)堿液的沸點(diǎn)，提高傳熱溫差，一效蒸發(fā)器及預(yù)濃縮器均采用負(fù)壓蒸發(fā)及濃縮，負(fù)壓環(huán)境通過(guò)表面冷凝器及真空泵來(lái)實(shí)現(xiàn)。正常生產(chǎn)期間一效蒸發(fā)器及預(yù)濃縮器壓力均控制在-91 kPa（表壓，下同）以下。以一效蒸發(fā)器為例，其出料濃度為36%，濃度36%的堿液在-89 kPa壓力下的沸點(diǎn)為70.7℃，-90 kPa壓力下的沸點(diǎn)為 68.9℃，壓力下降1 kPa沸點(diǎn)降低了1.8℃，理論上噸堿蒸汽消耗可降低約10.24 kg，因此保持真空系統(tǒng)高水平運(yùn)行能夠明顯降低蒸汽消耗。可采取的措施主要有：（1）盡可能降低真空泵工作液溫度；（2）減少真空泵進(jìn)口管線上的閥門(mén)、法蘭、彎頭數(shù)量以減小因泄漏及阻力帶來(lái)的壓降；（3）定期清理表面冷凝器內(nèi)壁結(jié)垢，確保良好的冷凝效果；（4）定期排放效體殼側(cè)不凝性氣體避免因效體換熱效果差造成后續(xù)效體壓力的升高。

1.4　根據(jù)蒸汽的用途建立合理的減壓分配系統(tǒng)

蒸汽三大主要用途為加熱、伴熱、吹掃，用途不同需要的蒸汽溫度也不一樣，而蒸汽溫度是由其壓力決定的。壓力溫度過(guò)高盡管有較好的傳熱效果但會(huì)因溫度散逸產(chǎn)生浪費(fèi)；壓力溫度過(guò)低則造成傳熱溫差不夠影響換熱效果，也會(huì)造成蒸汽消耗的升高。

根據(jù)設(shè)計(jì)，三效蒸發(fā)器供給蒸汽壓力至少要達(dá)到 0.8 MPa（飽和蒸汽溫度 175.39 ℃）才能滿(mǎn)足裝置滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行，在此基礎(chǔ)上，可將蒸汽再減壓為0.3MPa和0.1 MPa的分支，其對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽溫度分別為143.64℃和 120.24℃。根據(jù)不同的溫度需求，0.8MPa蒸汽除直接進(jìn)行效體加熱外還用于熔鹽系統(tǒng)的伴熱，0.3 MPa 蒸汽用于設(shè)備及管線吹掃使用，0.1 MPa蒸汽用于堿系統(tǒng)伴熱。合理的蒸汽壓力分配能夠最大限度地利用蒸汽熱能，避免浪費(fèi)。

1.5　充分利用副產(chǎn)蒸汽

熔鹽爐作為濃縮單元的供能設(shè)備，其在提供高溫熔鹽的同時(shí)還產(chǎn)生高溫的煙氣，按照原設(shè)計(jì)該部分煙氣在預(yù)熱完助燃空氣后就直接進(jìn)行排放，其溫度高達(dá)420～450℃，具有極大的熱能回收價(jià)值。通過(guò)在煙氣管線安裝蒸汽發(fā)生器、建立給水系統(tǒng)等一系列技術(shù)改造，該部分熱值被成功回收利用，產(chǎn)生的0.6 MPa蒸汽用于三效蒸發(fā)器的加熱，大幅度降低了生蒸汽的消耗，節(jié)能效益明顯。

1.6　選用優(yōu)質(zhì)疏水閥，合理調(diào)整伴熱時(shí)間

堿液隨濃度升高凝固點(diǎn)降低，32%堿液凝固點(diǎn)為4℃，50%堿液凝固點(diǎn)為11℃，62%堿液凝固點(diǎn)為55℃，為確保介質(zhì)輸送的暢通對(duì)堿管線及設(shè)備進(jìn)行蒸汽伴熱是很必要的。而伴熱蒸汽消耗能夠占到裝置蒸汽消耗總量的約4%～6%，控制該部分蒸汽消耗的主要措施有：（1）選用優(yōu)質(zhì)疏水閥。疏水閥的主要功能是阻汽、排水，運(yùn)行良好的疏水閥能夠確保伴熱蒸汽充分換熱，充分利用蒸汽的顯熱及潛熱。運(yùn)行不好的疏水閥一種是不能有效阻汽，造成蒸汽未充分換熱就散逸到空氣中，造成浪費(fèi)；另一種是排水不暢造成伴熱管線堵塞影響換熱效果。（2）合理調(diào)整伴熱時(shí)間。一是根據(jù)室溫調(diào)整伴熱時(shí)間，50%濃度以上的堿管線長(zhǎng)期保持伴熱，而50%濃度以下的堿液則可根據(jù)季節(jié)氣溫變化及時(shí)調(diào)整開(kāi)停時(shí)間；二是根據(jù)裝置開(kāi)停調(diào)整伴熱時(shí)間，裝置運(yùn)行期間各級(jí)堿液在保溫良好的情況下溫降極小且在流動(dòng)狀態(tài)一般不會(huì)發(fā)生凝固，只在裝置開(kāi)車(chē)及停車(chē)初期要及時(shí)開(kāi)啟伴熱確保流程貫通后即可根據(jù)實(shí)際情況關(guān)閉部分伴熱管線以達(dá)到節(jié)能目的。

1.7　高負(fù)荷長(zhǎng)周期平穩(wěn)運(yùn)行

固堿裝置檢修需要在停車(chē)后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行蒸汽吹掃，該部分蒸汽是不產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益的。而裝置開(kāi)車(chē)初期由于系統(tǒng)整體溫度較低，蒸汽先向設(shè)備傳熱（俗稱(chēng)暖管），當(dāng)設(shè)備及管線的溫度達(dá)到熱值平衡后，才能對(duì)設(shè)備中的堿液進(jìn)行蒸發(fā)濃縮，在此階段蒸汽消耗要比正常運(yùn)行期間高20%左右[2]?？梢?jiàn)裝置的長(zhǎng)周期平穩(wěn)運(yùn)行是降低蒸汽消耗的關(guān)鍵。

2　電

電能是化工生產(chǎn)裝置最重要的驅(qū)動(dòng)能源，在固堿生產(chǎn)中主要用于轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)、照明、電伴熱等，其中轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)是最主要的耗電方式。在設(shè)備型號(hào)及電機(jī)功率選擇合理的情況下，電能節(jié)約的空間不大，保持各臺(tái)耗電設(shè)備處于滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)是最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行狀態(tài)。個(gè)別生產(chǎn)負(fù)荷調(diào)節(jié)幅度較大的裝置，例如粒、片堿聯(lián)產(chǎn)裝置在進(jìn)行產(chǎn)能分配時(shí)需要頻繁調(diào)整粒堿及片堿的生產(chǎn)負(fù)荷，采用變頻控制是有效降低電耗的主要措施。

3　熔鹽爐燃料

濃縮單元采用高溫熔鹽（運(yùn)行溫度430℃左右）作為熱載體進(jìn)行換熱，而熔鹽爐采用直接燃燒氫氣的方式來(lái)加熱熔鹽，考慮到氫氣屬于清潔能源且是上游離子膜電解工藝的副產(chǎn)物，可以根據(jù)生產(chǎn)平衡調(diào)整燃料配比，保持裝置的安全高效運(yùn)行。

4　結(jié)語(yǔ)

固堿裝置各類(lèi)能源消耗雖然主要由工藝流程及設(shè)備換熱效果決定，但是經(jīng)過(guò)裝置現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員及操作人員的摸索，不斷進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)改造并制定完善的操作規(guī)范，固堿裝置的各項(xiàng)消耗均能夠在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)有效降低，特別是蒸汽作為固堿生產(chǎn)最主要也是用途最廣的能源類(lèi)型，通過(guò)操作的優(yōu)化其消耗降低尤為明顯，值得繼續(xù)深入研究探索。

參考文獻(xiàn)：

［1］程殿彬，陳伯森，施孝奎.離子膜法制堿生產(chǎn)技術(shù).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1998：175-203.

［2］任曉佳.蒸發(fā)裝置節(jié)能降耗措施.氯堿工業(yè)，2016（4）：25.