硝酸鉀溶液的節(jié)能濃縮工藝

馬振榮，李子云，丁 峰

(中核四〇四有限公司，甘肅 蘭州 732000)

采用蒸發(fā)技術(shù)濃縮硝酸鉀溶液提升鉀濃度，是生產(chǎn)工藝中的蒸汽消耗大戶。傳統(tǒng)的硝酸鉀蒸發(fā)濃縮設(shè)備—加熱外循環(huán)式蒸發(fā)器生產(chǎn)過程中，需不斷輸入生蒸汽作為蒸發(fā)熱源，且產(chǎn)生的二次蒸汽凝水因酸度不滿足直排濃度限值，還需進(jìn)一步中和處理后再外排。隨著經(jīng)濟飛速發(fā)展，高能耗、對環(huán)境不友好的粗放式生產(chǎn)模式已不可采用，節(jié)能環(huán)保已成為國家工業(yè)發(fā)展的主流趨勢。

MVR技術(shù)通過蒸汽壓縮機實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)化為蒸汽熱能，提升低溫位二次蒸汽的溫度和壓力，再作為蒸發(fā)器熱源使用，能有效回收系統(tǒng)的二次蒸汽的潛熱。隨著MVR技術(shù)的發(fā)展以及壓縮機加工技術(shù)的提升，MVR蒸發(fā)工藝在化工[1]、食品[2-3]、醫(yī)藥[4]、環(huán)保行業(yè)[5-6]中水溶性物料的蒸發(fā)、精餾[7]操作中得到廣泛應(yīng)用。

MVR蒸發(fā)技術(shù)應(yīng)用于高鹽含量的硝酸鉀溶液的蒸發(fā)裝置，生產(chǎn)能力為51 t/h硝酸鉀。MVR蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽經(jīng)過凈化塔淋洗凈化，降低鹽含量、酸濃縮，返回生產(chǎn)線作為其它用水。MVR蒸發(fā)濃縮硝酸鉀裝置實現(xiàn)了硝酸鉀溶液濃縮10倍，運行安全、平穩(wěn)，節(jié)約生蒸汽、冷卻水等能耗很可觀。

1 硝酸鉀溶液濃縮工藝流程設(shè)計思路

1.1 濃縮工藝設(shè)計輸入條件

硝酸鉀溶液的MVR蒸發(fā)，進(jìn)料的硝酸鉀含量3%、酸度為0.07 mol/L，進(jìn)料溫度t0為40 ℃,進(jìn)料流量F為17 m3/h。出料濃縮液的硝酸鉀含量32%、酸度為0.7 mol/L，出料溫度溫度t1為106 ℃。

進(jìn)料、出料的硝酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)均大于1%，屬于高含鹽水溶物料蒸發(fā)過程。生產(chǎn)過程中，物料的沸點從100 ℃升至106 ℃，其溫升高度為6 ℃。

1.2 工藝技術(shù)路線的選擇

1.2.1 傳統(tǒng)蒸發(fā)工藝特點

國內(nèi)傳統(tǒng)單效蒸發(fā)濃縮工藝，蒸發(fā)設(shè)備以外加熱式蒸發(fā)器為主。外加熱式蒸發(fā)器的加熱室和分離室是分開的，不僅能增長加熱管束且設(shè)備不太高，其結(jié)構(gòu)簡單便于檢修[8-9]。外加熱式蒸發(fā)器在生產(chǎn)運行過程中，需要生產(chǎn)系統(tǒng)不斷輸入生蒸汽用于加熱物料，用熱耗能較大；從物料內(nèi)蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽，進(jìn)入冷凝器用大量的冷卻水對其進(jìn)行冷凝冷卻，且二次蒸汽凝水含有鉀、酸，需要進(jìn)一步處理后才能排放。此外，蒸發(fā)工序的設(shè)備眾多，采用大規(guī)模冷卻系統(tǒng)作為配套支撐，需建有冷卻器、冷卻水泵、冷卻水貯槽等，設(shè)備運行費用也高。

1.2.2 MVR蒸發(fā)工藝特點

MVR蒸發(fā)技術(shù)是對蒸發(fā)器蒸發(fā)產(chǎn)生的原本需要冷卻水冷卻的二次蒸汽，進(jìn)行機械式壓縮，使低溫、低壓的二次蒸汽的壓力、溫度得到提高、增加其熱焓后，再送回至蒸發(fā)器加熱室作為加熱蒸汽使用，代替管網(wǎng)新鮮加熱蒸汽。蒸發(fā)器產(chǎn)生的二次蒸汽的潛熱得到充分利用，從而實現(xiàn)節(jié)能目的[10-11]。

MVR蒸發(fā)系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備有蒸汽壓縮機、降膜式蒸發(fā)器。其中，蒸汽壓縮機通過機械做功將工業(yè)電能轉(zhuǎn)化為二次蒸汽內(nèi)能。降膜式蒸發(fā)器具有換熱效率高、清洗方便、不易結(jié)垢、運行成本低等優(yōu)點。MVR蒸發(fā)裝置整體設(shè)計緊湊，占地面積小；集成自動化水平高，可連續(xù)操作，易于控制和操作，安全可靠[12]。

1.2.3 兩種蒸發(fā)工藝的能耗對比

按照1.1濃縮工藝設(shè)計輸入條件，對上述兩種蒸發(fā)工藝進(jìn)行物料衡算、能量核算，得出兩種蒸發(fā)工藝分別所需要的蒸汽消耗量、冷卻水消耗量、電能消耗量、外排廢液等，并折合成生產(chǎn)成本，具體見表1。由此可見，硝酸鉀溶液的蒸發(fā)濃縮工藝采用MVR蒸發(fā)器比單效外加熱式蒸發(fā)器，可節(jié)約能耗成本為3 400元/t，解決生產(chǎn)運行成本近87%。

表1 兩種蒸發(fā)工藝成本對比Tab.1 Cost comparison of two evaporation processes

1.3 MVR蒸發(fā)濃縮硝酸鉀工藝

待蒸發(fā)濃縮硝酸鉀溶液(40 ℃)由屏蔽泵輸送至MVR蒸發(fā)器。在輸送過程中，硝酸鉀溶液經(jīng)過兩臺板式換熱器被加熱至87 ℃左右。兩臺板式換熱器的熱媒分別為蒸發(fā)器產(chǎn)生的冷凝水及不凝氣體。

升溫后的硝酸鉀溶液進(jìn)入MVR降膜式蒸發(fā)器，與加熱蒸汽進(jìn)行換熱后，在分離室進(jìn)行汽液分離。得到濃縮后的硝酸鉀濃縮液從分離室底部經(jīng)屏蔽泵采出蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)。汽液分離后的二次蒸汽進(jìn)入凈化塔，經(jīng)過除沫、淋洗等凈化處理，凈化后的二次蒸汽從凈化塔頂部進(jìn)入蒸汽壓縮機。經(jīng)過機械壓縮后的二次蒸汽，其壓力、溫度都提高了，再送回MVR降膜式蒸發(fā)器加熱室，作為蒸發(fā)加熱的熱源。

壓縮后的二次蒸汽進(jìn)入MVR降膜式蒸發(fā)器加熱室的殼程，與換熱管束流動的、待加熱的硝酸鉀溶液進(jìn)行熱量交換后，冷凝形成冷凝水，被收集在冷凝水罐。冷凝水可用于沖洗凈化塔的除沫器、蒸汽壓縮后二次蒸汽過熱時的噴淋降溫水、預(yù)熱進(jìn)料硝酸鉀溶液的熱媒。最終，冷凝水會經(jīng)屏蔽泵輸送至生產(chǎn)線作為其它試劑使用。

2 MVR蒸發(fā)器的性能研究

2.1 MVR蒸發(fā)器蒸發(fā)水試車

用蒸汽檢測整個MVR蒸發(fā)系統(tǒng)的氣密性。以去離子水為介質(zhì)，MVR蒸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行蒸發(fā)試車。啟動各物料輸送泵，通入新鮮蒸汽啟動蒸發(fā)系統(tǒng)，啟動風(fēng)機，使去離子水在系統(tǒng)內(nèi)蒸發(fā)循環(huán)起來。根據(jù)調(diào)試情況，設(shè)定液位、密度、壓力、溫度等參數(shù)的連鎖值，調(diào)試熱介質(zhì)下的儀控系統(tǒng)。初步確定風(fēng)機轉(zhuǎn)速與蒸發(fā)量的對應(yīng)關(guān)系，摸索試車過程。

2.2 MVR蒸發(fā)器帶料試車及運行

用硝酸鉀溶液對MVR蒸發(fā)器進(jìn)行帶料蒸發(fā)試車。MVR蒸發(fā)試驗中，將蒸發(fā)器的液位維持80%左右，根據(jù)供料泵的供料流量及系統(tǒng)進(jìn)料量的積累，調(diào)節(jié)蒸汽壓縮機的轉(zhuǎn)速，測定風(fēng)機進(jìn)出口二次蒸汽的壓力、溫度；確定MVR蒸發(fā)器的蒸發(fā)量；蒸發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生的濃縮液的鉀濃度進(jìn)行分析確定MVR蒸發(fā)器的蒸發(fā)濃縮終點，及其密度與鉀濃度之間的關(guān)系；調(diào)節(jié)凈化器的洗滌液流量及淋洗的流量，控制二次蒸汽中的鉀濃度和酸度，并對二次蒸汽冷凝形成的冷凝水進(jìn)行取樣，分析其鉀濃度及酸度；驗證板式換熱器對蒸發(fā)器進(jìn)料預(yù)熱升溫效果。

3 研究數(shù)據(jù)及結(jié)果

3.1 水試車

以20 m3/h 流量將供料罐內(nèi)的去離子水輸送至MVR降膜蒸發(fā)器。當(dāng)液位上升至80%，暫停供料。向MVR蒸發(fā)系統(tǒng)通入新鮮的加熱蒸汽。待MVR蒸發(fā)器內(nèi)的水溫上升至蒸發(fā)溫度，系統(tǒng)開始蒸發(fā)。啟動蒸汽壓縮機，先以600 r/min轉(zhuǎn)速運行，逐漸增大轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)開始大量蒸發(fā)。啟動供料屏蔽泵給蒸發(fā)系統(tǒng)供去離子水，控制MVR降膜蒸發(fā)器液位維持在80 %左右。啟動采料屏蔽泵，使其出口氣動閥與蒸發(fā)器液位連鎖，并設(shè)置自動控制模式，以穩(wěn)定液位，使系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定蒸發(fā)。當(dāng)冷凝水罐液位超過50%，啟動冷凝水輸送屏蔽泵并將冷凝水罐液位與屏蔽泵出口氣動閥設(shè)置為自動聯(lián)鎖控制模式。因此，冷凝水會被輸送至目標(biāo)貯槽。待MVR蒸發(fā)器系統(tǒng)正常蒸發(fā)后，切斷管網(wǎng)供給的新鮮加熱蒸汽。

根據(jù)水試車采集的數(shù)據(jù)，繪制MVR蒸發(fā)器的蒸發(fā)量與蒸汽壓縮機轉(zhuǎn)速的對應(yīng)關(guān)系曲線，見圖1。根據(jù)圖1中曲線變化趨勢可知，風(fēng)機轉(zhuǎn)速低于600 r/min運轉(zhuǎn)時，幾乎沒有蒸發(fā)；風(fēng)機轉(zhuǎn)速大于600 r/min而低于1 500 r/min運轉(zhuǎn)時，蒸發(fā)量較少；風(fēng)機轉(zhuǎn)速大于2 800 r/min運轉(zhuǎn)時，蒸發(fā)量急劇增加；風(fēng)機轉(zhuǎn)速達(dá)到3 200 r/min運轉(zhuǎn)時，蒸發(fā)量達(dá)到18 m3/h。

圖1 在水試車中蒸汽壓縮機轉(zhuǎn)速與蒸發(fā)量的對應(yīng)關(guān)系Fig.1 The relation curve between speed and evaporation of steam compressor in water test

試車過程中，新鮮蒸汽流量、蒸汽壓縮機轉(zhuǎn)速、蒸發(fā)器內(nèi)物料溫度變化趨勢見圖2。

圖2 在水試車中蒸發(fā)系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)變化曲線Fig.2 The variation curve of key data of evaporation system in water test

從圖2各曲線變化趨勢可以看出，蒸發(fā)系統(tǒng)剛開車時，隨著新鮮蒸汽流量的變大，蒸發(fā)器內(nèi)水的溫度逐漸升高；當(dāng)水的溫度達(dá)到97 ℃時，水開始變成水蒸汽，產(chǎn)生了蒸發(fā)效果。蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽進(jìn)入蒸汽壓縮機，開始提升蒸汽壓縮機的轉(zhuǎn)速。蒸汽壓縮機的轉(zhuǎn)速在600 r/min～2 800 r/min之間逐漸提升過程中，水的溫度略有升高至102 ℃后維持平穩(wěn)，而新鮮蒸汽的流量開始向降低的趨勢發(fā)展并逐漸降至為0。這充分地說明了，隨著蒸汽壓縮機轉(zhuǎn)速逐漸地提升，MVR蒸發(fā)器產(chǎn)生的二次蒸汽經(jīng)蒸汽壓縮機壓縮后，再輸送至MVR蒸發(fā)器的殼程作為蒸發(fā)熱源使用，在停止供給管網(wǎng)的新鮮蒸汽的情況下，能夠完成MVR蒸發(fā)器內(nèi)部物料的蒸發(fā)。

圖2中的蒸汽壓縮機轉(zhuǎn)速與蒸發(fā)量的關(guān)系曲線變化趨勢可看出，隨著蒸汽壓縮機轉(zhuǎn)速的提升，局部曲線的斜率逐漸變大，這說明蒸汽壓縮機在高轉(zhuǎn)速下運行，提高轉(zhuǎn)速水的蒸發(fā)量增大，表明蒸汽壓縮機做功轉(zhuǎn)化的有效功率越高，其節(jié)能效果越好。

3.2 帶料試車及運行

按照水試車的操作，進(jìn)料為硝酸鉀溶液，進(jìn)行MVR蒸發(fā)系統(tǒng)的帶料試車。根據(jù)冷凝水的鉀濃度、酸度，調(diào)整凈化塔淋洗液的流量，以調(diào)整凈化塔對二次蒸汽的凈化效果，將其pH值控制大于2。帶料試車獲取MVR蒸發(fā)器、凈化塔的設(shè)備運行性能，摸索工藝運行參數(shù)。

在MVR蒸發(fā)器蒸發(fā)濃縮硝酸鉀溶液時，收集蒸發(fā)系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，繪制蒸汽壓縮機的轉(zhuǎn)速與蒸發(fā)量的對應(yīng)關(guān)系見圖3。從圖3中趨勢線變化趨勢可知，蒸汽壓縮機轉(zhuǎn)速低于600 r/min運轉(zhuǎn)時，沒有蒸發(fā)；之后，隨著蒸汽壓縮機轉(zhuǎn)速的提升，蒸發(fā)量逐漸增加；當(dāng)蒸汽壓縮機轉(zhuǎn)速達(dá)到3 200 r/min運轉(zhuǎn)時，蒸發(fā)量達(dá)到18 m3/h。

圖3 MVR蒸發(fā)硝酸鉀溶液時，壓縮機轉(zhuǎn)速與蒸發(fā)量的對應(yīng)關(guān)系Fig.3 The corresponding relationship between compressor speed and evaporation capacity when MVR evaporates potassium nitrate solution

與圖1蒸發(fā)水的工況相比，在同一蒸汽壓縮機轉(zhuǎn)速下，蒸發(fā)硝酸鉀溶液時的蒸發(fā)量要比蒸水的蒸發(fā)量要小，主要原因是隨著蒸發(fā)工藝的進(jìn)行，硝酸鉀溶液的鹽含量逐漸增加，提升了溶液的密度以及沸點，與加熱蒸汽的溫差變小，降低了熱交換量。

根據(jù)實際運行情況，當(dāng)凈化塔淋洗液流量維持1.3 m3/h，二次蒸汽的冷凝水鉀濃度小于20 mg/L、酸度pH值可控制大于2。

4 結(jié)論

在硝酸鉀溶液濃縮脫硝工藝中，采用MVR蒸發(fā)技術(shù)取代傳統(tǒng)單效蒸發(fā)器。通過理論與生產(chǎn)實踐相結(jié)合，MVR蒸發(fā)技術(shù)具有良好的節(jié)能效果，通過水試車、硝酸鉀溶液帶料試車運行，掌握了蒸發(fā)裝置操作程序，收集了大量數(shù)據(jù)，確定了MVR蒸發(fā)系統(tǒng)的運行條件和控制參數(shù)，并得到以下結(jié)論：

1)MVR技術(shù)蒸發(fā)濃縮硝酸鉀溶液可大幅度節(jié)能降耗，相對傳統(tǒng)單效蒸發(fā)器可降能耗約87%。

2)水試車時，蒸汽壓縮機轉(zhuǎn)速達(dá)到2 800 r/min時，蒸發(fā)量達(dá)到18 m3/h；硝酸鉀溶液試車運行時，蒸汽壓縮機轉(zhuǎn)速達(dá)到3 200 r/min時，蒸發(fā)量達(dá)到18 m3/h；主要是因為硝酸鉀溶液的密度、沸點要高于水，縮小了加熱蒸汽與待蒸發(fā)物料之間的換熱溫差，從而降膜蒸發(fā)器換熱量降低所致。

3)當(dāng)凈化塔淋洗液的流量維持1.3 m3/h，二次蒸汽的冷凝水鉀濃度小于20 mg/L、pH值可控制大于2。