淺論聯(lián)堿生產(chǎn)過(guò)程中的能量消耗和回收

楚士和

（實(shí)聯(lián)化工（江蘇）有限公司，江蘇 淮安 223112）

經(jīng)過(guò)10多年的高速發(fā)展，我國(guó)已成為全球最大的純堿生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，純堿生產(chǎn)的技術(shù)和裝備也有了很大的提高，但和世界先進(jìn)技術(shù)相比無(wú)論產(chǎn)品質(zhì)量還是綜合能耗都有一定的差距。隨著世界經(jīng)濟(jì)的減速，中國(guó)房地產(chǎn)項(xiàng)目的調(diào)控，純堿行業(yè)的冬天也逐漸來(lái)臨，求生存的問(wèn)題已擺在許多廠的面前，靠單純的擴(kuò)大產(chǎn)能只會(huì)增加虧損，唯一的出路是提高生產(chǎn)技術(shù)水平節(jié)能降耗，降低生產(chǎn)成本。本文針對(duì)聯(lián)堿生產(chǎn)過(guò)程中各工序的能源消耗和回收的方法進(jìn)行詳細(xì)的表述并提出部分設(shè)想供大家參考。

1 碳化工序

1.1 變換氣制堿

二氧化碳?jí)嚎s機(jī)是碳化工序最大的耗能設(shè)備。采用變換氣制堿取消二氧化碳?jí)嚎s機(jī)是目前最好的解決辦法。進(jìn)碳化塔的氨鹽水具有很強(qiáng)的脫CO2能力，利用這個(gè)特點(diǎn)將合成氨變換氣直接進(jìn)碳化塔反應(yīng)，在脫除變換氣中CO2的同時(shí)完成聯(lián)堿生產(chǎn)碳化結(jié)晶。此工藝的特點(diǎn)是節(jié)省了在合成氨裝置設(shè)置脫碳裝置的投資和脫碳裝置運(yùn)行的成本，而且聯(lián)堿不用設(shè)二氧化碳?jí)嚎s機(jī)節(jié)省了壓縮機(jī)電耗。小合成氨脫碳裝置的運(yùn)行成本一般在150元／t氨左右，二氧化碳?jí)嚎s機(jī)電耗50kWh／t堿，從而降低了純堿生產(chǎn)的成本。近年來(lái)隨著大型外冷碳化塔在變換氣制堿上的成功使用，變換氣制堿被越來(lái)越多的廠家所運(yùn)用。

1.2 優(yōu)化配置低溫甲醇洗來(lái)的CO2

為了克服小合成氨裝置原料價(jià)格高生產(chǎn)成本高的不利因素，天津堿廠、實(shí)聯(lián)化工、大化集團(tuán)等單位在新建、搬遷擴(kuò)建中紛紛采用新型煤氣化技術(shù)的大型合成氨生產(chǎn)技術(shù)，氣化反應(yīng)壓力一般選擇6.5 MPa，從而無(wú)法使用變換氣制堿工藝，變換氣脫碳一般采用低溫甲醇洗。聯(lián)堿碳化工藝又回到傳統(tǒng)的索爾維生產(chǎn)法，CO2通過(guò)壓縮機(jī)增壓后進(jìn)碳化塔。

通過(guò)了解大化、天津堿廠純堿裝置的運(yùn)行狀況和對(duì)低溫甲醇洗工藝的分析，發(fā)現(xiàn)前后工序的配置可以進(jìn)一步優(yōu)化。吸收了CO2的低溫甲醇在降壓再生時(shí)一般產(chǎn)生濃度較高的產(chǎn)品CO2和濃度略低的廢CO2，高濃度CO2供聯(lián)堿使用，低濃度CO2大部分作尾氣排放。因新型煤氣化工藝產(chǎn)生的變換氣中CO2含量比小化肥裝置高，脫碳產(chǎn)生的CO2只有一部分供聯(lián)堿用，其余一般排放或用于其它項(xiàng)目；而低溫甲醇再生壓力和再生氣量直接影響系統(tǒng)冷量的回收，低壓部分再生的氣量愈多回收的冷量就愈多。大化和天津的二氧化碳?jí)嚎s流程是低溫甲醇洗來(lái)的0.15～0.2MPa的高濃度CO2在壓縮機(jī)前用閥門控制減壓和煅燒爐氣混合進(jìn)入壓縮機(jī)，增壓到0.45 MPa送碳化塔反應(yīng)。此流程有三個(gè)方面的缺點(diǎn)：一是由于凈化來(lái)的CO2壓力較高，雖經(jīng)過(guò)閥門調(diào)節(jié)減壓還是有可能對(duì)煅燒爐氣壓力產(chǎn)生影響，從而影響煅燒環(huán)境和穩(wěn)定運(yùn)行；二是0.15MPa的CO2減壓后再壓縮浪費(fèi)了壓縮功；三是凈化冷耗增加。如果在凈化裝置設(shè)計(jì)中提高高濃度的CO2再生的壓力，氣量以滿足后續(xù)工序需求為限，盡可能的增加低壓再生氣量，就能進(jìn)一步優(yōu)化凈化系統(tǒng)的能量回收；聯(lián)堿二氧化碳?jí)嚎s機(jī)的配置可根據(jù)凈化來(lái)CO2的壓力單獨(dú)配置，以節(jié)約壓縮功。

1.3 帶式過(guò)濾機(jī)的應(yīng)用

重堿的水分是影響碳化工序消耗成本的另一重要因素。帶式真空過(guò)濾機(jī)的使用大大降低了重堿水分，從原來(lái)20%降低到16%以下，不但降低了煅燒蒸汽消耗而且洗水量也大幅降低，做到母液的收縮，減少了母液蒸餾所消耗的蒸汽；同時(shí)降低了純堿鹽分提高品質(zhì)。有條件的廠應(yīng)引進(jìn)帶式過(guò)濾機(jī)以增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力。

2 輕灰、重灰煅燒工序

輕灰、重灰煅燒的能耗占聯(lián)堿生產(chǎn)能量消耗的80%以上，如何降低煅燒蒸汽消耗回收熱量對(duì)降低聯(lián)堿成本有著非常重要的意義。

2.1 輕灰爐氣中蒸汽熱量的回收

來(lái)自碳化工序的含水20%的重堿在輕灰煅燒爐內(nèi)經(jīng)加熱管內(nèi)3.5MPa蒸汽加熱，將游離水蒸發(fā)同時(shí)碳酸氫鈉分解成碳酸鈉、CO2和水，20%的游離水加碳酸氫鈉分解產(chǎn)生的水，生產(chǎn)一噸輕灰排出的水汽應(yīng)在600kg，出煅燒爐爐氣溫度一般控制在105℃左右。爐氣經(jīng)爐氣冷凝塔和爐氣洗滌塔將其中蒸汽完全冷凝并洗去堿塵后去碳化工序。雖然爐氣的壓力低，但是105℃蒸汽的焓值為2685kJ／kg和中壓蒸汽的焓值相差并不大，只是其溫度太低無(wú)法利用而一般采用循環(huán)水冷卻的方式將其冷凝成水。

煅燒爐氣中大量蒸汽的潛熱如何利用，在此提出幾種方案供大家參考開(kāi)拓思路。有配套制鹽裝置的堿廠，建議將煅燒冷凝器的循環(huán)水改成鹵水冷卻，提高溫度后的鹵水送制鹽蒸發(fā)?，F(xiàn)有冷卻器的結(jié)構(gòu)要作適當(dāng)?shù)母脑煲赃m合回收熱量。無(wú)制鹽裝置的廠家可將爐氣冷凝器改成除鹽水加熱器，加熱后的除鹽水供熱電鍋爐和合成氨裝置中廢熱鍋爐使用，但存在低溫?zé)崴^(guò)多無(wú)處使用的問(wèn)題。

現(xiàn)有爐氣冷凝塔的特點(diǎn)及存在的缺限：為防止堿塵堵塞換熱管一般采用爐氣走管內(nèi)冷卻水走管間的流程，同時(shí)配冷凝液循環(huán)泵將冷凝液噴淋在上管板以洗滌管內(nèi)堿塵，此流程特點(diǎn)是有效的防止堵塞，通過(guò)噴淋冷凝液迅速吸收爐氣中蒸汽的熱量而使蒸汽快速凝結(jié)；缺點(diǎn)是熱量不能做到分級(jí)釋放，很難提高出水溫度。要做到盡可能提高出水溫度的目的，就必須提高換熱器的效率，采用高效換熱設(shè)備，讓爐氣溫度有效分級(jí)。

熱管回收技術(shù)用于爐氣潛熱回收的可能性。熱管換熱器的特點(diǎn)是冷、熱流體完全分開(kāi)流動(dòng)，可以比較容易實(shí)現(xiàn)冷熱流體的逆流換熱，有利于提高出水溫度。冷熱流體均在管外流動(dòng)，由于管外流動(dòng)的換熱系數(shù)遠(yuǎn)高于管內(nèi)流動(dòng)的換熱系數(shù)，便于回收品位較低的熱能。熱管換熱器為提高換熱面積一般都采用翅片結(jié)構(gòu)，但此結(jié)構(gòu)易堵塞所以一般情況下熱管換熱器使用的溫度都在露點(diǎn)以上，爐氣中雖然含有一定堿塵但堿塵具有可溶性，可采取定期沖洗的方式清除翅片表面的結(jié)垢。建議將換熱器設(shè)計(jì)成兩段或三段結(jié)構(gòu)，第一段設(shè)計(jì)的目的是將爐氣中105℃的水蒸汽冷凝成105℃的熱水放出大量的潛熱，并盡可能地提高熱水溫度；第二段設(shè)計(jì)的目的是將爐氣和冷凝水冷卻到50℃并初步提高水溫，為防止換熱管的堵塞可定期噴淋少量熱水洗滌。如能回收爐氣中50%的熱量就非?？捎^。不但可以回收低位熱能同時(shí)也能大幅降低循環(huán)水的使用量，噸輕灰成本可降低60元。

圖1 爐氣冷凝器改成除鹽水加熱器

2.2 重灰煅燒尾氣熱量的回收

輕灰水合后游離水和結(jié)合水一般在20%左右，噸重灰蒸發(fā)出的水汽約250kg，重灰爐氣和輕灰爐差異較大，重灰爐氣幾乎全部為水蒸汽且含塵量少。現(xiàn)重灰煅燒有兩種工藝，一是傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)煅燒，二是采用流化床煅燒。由于流化床煅燒是采用熱空氣為載體，爐氣中含有大量的空氣，且溫度低已無(wú)利用價(jià)值。采用旋轉(zhuǎn)煅燒工藝的重灰尾氣，回收流程一般為出口爐氣經(jīng)爐氣冷凝洗滌塔，通過(guò)循環(huán)洗滌使大部分蒸汽冷凝，未冷凝的氣體通過(guò)風(fēng)機(jī)抽吸排放到空中。這部分的熱量回收利用有以下幾種方法：①有配套制鹽的廠家，可在三效或四效循環(huán)管上增加一加熱室，將重灰煅燒尾氣引入加熱循環(huán)管中，由于三效或四效蒸發(fā)溫度只有70℃左右，重灰煅燒尾氣通過(guò)和鹵水換熱冷凝成熱水，再將這部分冷凝液送回輕灰水合用，可最大限度回收煅燒尾氣中的熱量，降低制鹽汽耗。②沒(méi)有配套制鹽的聯(lián)堿廠可考慮將這部分熱量用于加熱除氧水供鍋爐或合成氨系統(tǒng)的廢熱鍋爐。③將重灰煅燒爐氣直接用于淡液蒸餾，重灰煅燒尾氣焓值和低壓蒸汽的焓值幾乎相等，只要對(duì)現(xiàn)有淡液蒸餾系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑炀涂纱蠓档偷赫麴s的消耗，如能回收80%的熱能則可降低純堿成本30～50元。所以重灰煅燒采用傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)煅燒爐更利于能量的回收，流化床重灰煅燒工藝不但重灰細(xì)粉太多而且能量消耗高無(wú)法回收利用。

輕灰、重灰煅燒工序是聯(lián)堿廠耗能最大的地方如果做到最大限度的回收利用噸堿成本可降低100元以上，年產(chǎn)30萬(wàn)t的純堿廠年可節(jié)省3 000萬(wàn)元的成本，此項(xiàng)目是非?？蔀榈摹．?dāng)然要做到這一點(diǎn)也比較困難畢竟還沒(méi)有一家做到很好的回收，只要把這部分能量的回收當(dāng)成一系統(tǒng)性的問(wèn)題放到整個(gè)公司能量平衡的角度考慮思路就會(huì)很廣，技術(shù)上只要能做到爐氣冷凝的溫度分級(jí)，盡可能在高溫段換熱以提高水溫就能做到全公司的熱水平衡利用。

3 結(jié)晶工序

冰機(jī)是結(jié)晶工序能耗最大的，但單純的講降低結(jié)晶冰機(jī)電耗非常困難，應(yīng)將這個(gè)問(wèn)題放到聯(lián)堿廠工藝中綜合考慮。

合成氨生產(chǎn)的氨合成過(guò)程中，合成塔出來(lái)的氣體必須經(jīng)過(guò)氨冷器，通過(guò)液氨的蒸發(fā)吸收合成氣中的熱量將氣氨冷凝成液氨，而氨冷器閃發(fā)出的氣氨壓力一般只有0.1MPa，通過(guò)合成氨系統(tǒng)的氨壓縮機(jī)壓縮到1.6MPa后再冷凝成液氨供后續(xù)工段使用。

聯(lián)堿生產(chǎn)過(guò)程中要吸收大量的氣氨，氣氨一般由外冷器氣相管道提供，聯(lián)堿碳化母液具有非常強(qiáng)的吸收氣氨能力，母液通過(guò)噴射泵在擴(kuò)散管中吸收氨，所以對(duì)氣氨的壓力要求較低。結(jié)晶外冷器產(chǎn)生的氣氨壓力一般控制在0.45MPa，這部分氣氨進(jìn)壓縮機(jī)壓縮到1.6MPa壓縮比只有3.5；而將氨合成系統(tǒng)氨冷器的0.1MPa氣氨經(jīng)冰機(jī)壓縮到1.6 MPa的壓縮比為16，所產(chǎn)生的功耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0.45 MPa氣氨壓縮成液氨的功耗。所以將氨合成系統(tǒng)的0.1MPa低壓氣氨用于聯(lián)堿母液的吸氨，結(jié)晶外冷的0.45MPa氣氨進(jìn)合成的氨壓縮機(jī)，將大大節(jié)約冰機(jī)的綜合能耗。

此回收工藝在小聯(lián)堿廠使用較多，和大型合成氨裝置配套的純堿項(xiàng)目中在此方面考慮較少，氨合成系統(tǒng)噸氨冷凍用氨一般在700kg，而聯(lián)堿生產(chǎn)噸堿吸氨350kg，一噸氨可產(chǎn)堿2.85t，所以氨合成系統(tǒng)產(chǎn)生的氨完全可以用來(lái)供聯(lián)堿母液吸收。大型合成氨裝置中一般配套一臺(tái)離心式氨壓縮機(jī)用來(lái)壓縮合成一、二級(jí)氨冷器和低溫甲醇洗氨冷器的氣氨。低溫甲醇洗需將甲醇溫度降低到－35℃，氨冷器蒸發(fā)壓力只0.07MPa（絕），此氣氨再通過(guò)壓縮到1.6 MPa，壓縮比高達(dá)23，需消耗大量的能量。配套大型合成氨的聯(lián)堿裝置在如何合理降低氨壓縮功方面有一定潛力可挖，如果設(shè)計(jì)得合理不但能降低消耗而且能解決合成氨生產(chǎn)中氨壓縮單機(jī)運(yùn)行存在的隱患從而穩(wěn)定合成氨生產(chǎn)。

4 蒸汽的梯級(jí)利用

純堿生產(chǎn)過(guò)程中蒸汽消耗量大，如何合理規(guī)劃梯級(jí)利用尤為重要，對(duì)此許多廠家認(rèn)識(shí)不足。如重灰煅燒采用3.5MPa的蒸汽，氯化銨干燥采用1.3 MPa的蒸汽，這些都不甚合理。系統(tǒng)中盡可能降低使用蒸汽的壓力為蒸汽的梯級(jí)利用創(chuàng)造條件，聯(lián)堿生產(chǎn)中的二氧化碳?jí)嚎s機(jī)和氨壓縮機(jī)可用蒸汽推動(dòng)，最好采用背壓流程，3.5MPa的過(guò)熱蒸汽推動(dòng)壓縮機(jī)，排出的1.6MPa的蒸汽用于重灰煅燒，或排出0.6MPa的蒸汽用于干銨。工業(yè)汽輪機(jī)最經(jīng)濟(jì)的用法是采用背壓式，而背壓機(jī)組使用的關(guān)鍵是低壓蒸汽的使用，為平衡蒸汽應(yīng)著眼整個(gè)公司范圍內(nèi)綜合考量。

創(chuàng)新、發(fā)展、整合、優(yōu)化是企業(yè)不斷追求的目標(biāo)，如何節(jié)約能源、降低消耗還有很多方面值得我們?nèi)ヌ剿鳌?/p>