膜法除硝工藝運行及改造

陳曉峰， 劉　宏， 孔范錄

(1.新疆輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 化工技術(shù)分院， 新疆 烏魯木齊　830021； 2.新疆中泰化學(xué)股份有限公司， 新疆 烏魯木齊　830021)

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膜法除硝工藝運行及改造

陳曉峰1， 劉宏2， 孔范錄2

(1.新疆輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 化工技術(shù)分院， 新疆 烏魯木齊830021； 2.新疆中泰化學(xué)股份有限公司， 新疆 烏魯木齊830021)

摘要：在氯堿行業(yè)中，硫酸根作為鹽中一種常見的陰離子雜質(zhì)，對電解槽電流效率、陽極使用壽命等諸多生產(chǎn)環(huán)節(jié)具有十分重要的影響.本研究通過對兌鹵槽、貧硝鹽水罐、及工藝管線等進(jìn)行一次改造，可解決蒸發(fā)器換熱效果下降的問題，同時還可降低出口硫酸根的含量.此外，在充分利用原有設(shè)備的基礎(chǔ)上，改變納濾膜的過濾方式及操作方法，可將裝置的處理能力從100 kg/h提高至200 kg/h，具有非常顯著的經(jīng)濟效益.

關(guān)鍵詞：膜法除硝； 結(jié)晶； 納濾膜； 提高產(chǎn)能

0引言

目前，氯堿生產(chǎn)技術(shù)中離子膜法占主流地位.原鹽中的硫酸根在電解過程中，無法透過離子膜，而在鹽水中富集.當(dāng)硫酸根濃度超過一定值后，不僅降低電解槽陽極使用壽命，而且會使電解槽電流效率下降,增加運行成本.

硫酸根與鈉離子結(jié)合后形成硫酸鈉,俗稱芒硝.目前，國內(nèi)除硝的主要方法有氧化鋇法、鈣法、冷凍法和膜法等.膜法因其具有運行費用低、操作控制簡單、無毒無害、零排放等優(yōu)點，因而在氯堿行業(yè)得到了廣泛地應(yīng)用.

1膜法除硝工藝簡介[1-3]

凱膜膜法除硝工藝由預(yù)處理、納濾膜分離、冷凍脫硝等三個單元組成，其工藝流程如圖1所示.

圖1　凱膜法除硝工藝流程

1.1預(yù)處理[4-9]

預(yù)處理主要是通過鹽酸將淡鹽水PH值調(diào)至中性，同時對淡鹽水中的游離氯進(jìn)行脫除，保護(hù)納濾膜.在此工序，增加兩級板換熱，回收能源，降低能耗.

1.2納濾膜分離[9-15]

凱膜的納濾膜是由若干支膜按照工藝要求串聯(lián)或關(guān)聯(lián)，安裝在膜管中.每只膜由有機膜片、膜支撐層、原料液的隔網(wǎng)卷曲而成，中部是集水管.

1.3冷凍脫硝

硫酸鈉屬于熱敏性物質(zhì)，其飽和溶解度隨溫度的不同變化很大.而淡鹽水中的氯化鈉一直處于非飽和狀態(tài)，因此，可以通過降溫，使硫酸鈉以帶十個結(jié)晶水的形式結(jié)晶出來，從而實現(xiàn)了硫酸鈉與氯化鈉的分離.

2一次改造

2.1一次改造原因

冷凍脫硝單元存在一個問題，即只有減少Na2SO4·10H2O的結(jié)晶，才能減少氟利昂蒸發(fā)器中傳熱阻力，節(jié)省冷量；硫酸鈉的濃度只有均勻，才能在兌鹵槽中得到更多的晶種，從而提高沉硝槽濃縮液硫酸鈉含量.

而在實際生產(chǎn)過程中，運行一段時間后，蒸發(fā)器列管內(nèi)有大量 Na2SO4·10H2O晶種附著在管壁上，換熱器通道變小，流動壓差增加，從而換熱效果下降，導(dǎo)致出口硫酸根含量增高.因此，需要對此進(jìn)行一次改造.

冷凍脫硝工藝流程如圖2所示：

圖2　冷凍脫硝工藝流程

2.2一次改造情況及措施

2.2.1工藝線路優(yōu)化

冷凍循環(huán)泵進(jìn)口管線由原來的底部改為中部，原有管線加一閥門以作備用，在兌鹵槽底部安裝一臺離心泵并通過此泵將兌鹵槽底部沉積的硝漿均勻地打入兌鹵槽及沉硝槽中，這樣便可以有效地建立溫度體系，將兌鹵槽至冷凍循環(huán)泵進(jìn)液口從兌鹵槽底部改至中部，從而可避免富硝鹽水堵塞蒸發(fā)器.其改造前后結(jié)果如圖3～4所示.

圖3　改造前　　　圖4　改造后

2.2.2設(shè)備優(yōu)化

(1)增高兌鹵槽高度，控制鹽水在兌鹵槽中的停留時間，避免由于時間過長導(dǎo)致晶種長大，從而堵管換熱器.

(2)為解決貧硝鹽水罐底部硝漿沉積影響設(shè)備正常運行，以及硝漿對系統(tǒng)硫酸根的影響等系列問題，可在貧硝鹽水罐內(nèi)部焊接一折流板，使從沉硝槽溢流的鹽水在折流板內(nèi)沉降清液溢流至泵口打走，同時在折流板沉降處安裝一臺離心泵用于不定期地將沉積硝漿打至兌鹵槽及沉硝槽.

2.2.3改造運行情況

改造后，膜法除硝裝置運行情況較改造前變好.其蒸發(fā)器沖洗次數(shù)有所降低，工藝運行狀況較改造前有所好轉(zhuǎn)，沉硝槽出口鹽水硫酸根含量明顯降低，其結(jié)果如表1所示.

表1　改造沉硝槽出口鹽水硫酸根含量對比

由表1可知，通過對冷凍脫硝單元改造，鹽水硫酸根平均值從11.6 g/L降至6.5 g/L，降低幅度達(dá)43.8%，效果較為顯著.

3二次改造

3.1二次改造的原因及存在問題

隨著氯堿企業(yè)產(chǎn)能的不斷擴大，在充分發(fā)揮裝置能力的條件下，根據(jù)生產(chǎn)平衡要求，需將除硝能力從100 kg/h提升至200 kg/h.但在這個提升產(chǎn)能的過程中，卻存在以下問題：

(1)布袋過濾器過濾能力不足.現(xiàn)有裝置鹽水流量為117 m3/h左右，原設(shè)計兩臺布袋過濾器全部投用，但使用時間大概在45天左右,壓差就達(dá)到0.15 MPa,必須停車清理.

(2)動態(tài)混合器最大設(shè)計流量為133 m3/h，但改造后需要流量達(dá)到156 m3/h.

(3)現(xiàn)有蒸發(fā)器切換周期較為頻繁，現(xiàn)場員工勞動量較大，需提高裝置自動化水平.

(4)需新增一套除硝裝置，但生產(chǎn)現(xiàn)場無安裝位置，同時成本相對較高.

3.2二次改造實施措施

3.2.1預(yù)處理單元

在預(yù)處理單元，其二次改造措施如下：

(1)用亞鈉離心泵代替亞鈉計量泵，置放在第一級板式換熱器之前.

(2)淡鹽水冷卻器換熱片數(shù)量增加，使換熱量分別增加至33 205 022 kJ/h、1 992 283 kJ/h.

(3)采用DN 85進(jìn)液管替代DN60進(jìn)液管.

(4)采用一級加酸，酸加入點不變，取消二級加酸系統(tǒng).

(5)增加加藥系統(tǒng)藥劑的濃度.

3.2.2過濾單元

在過濾單元，其二次改造措施如下：

(1)為了明確顯示膜滲透液流量，新增流量24 m3/h電磁流量計1臺.

(2)每套膜組件上增加3根膜元件.具體是在每套膜組件上部增加2根膜元件，下部(二級)增加一根膜元件，同時增加相應(yīng)的配管.將現(xiàn)有組件6+3運行模式，改造成8+4運行模式，從而提升膜組件處理能力.

3.2.3冷凍單元

在冷凍單元，其二次改造措施如下：

(1)新增自動儀表及撓性閥組各1套，使蒸發(fā)器改為自動沖洗.

(2)新增液位變送器2臺、變頻器2臺、 混合槽1臺、均和槽給料泵1臺和結(jié)晶器給料泵1臺，并將冷卻器改為自動沖洗.

3.3二次改造后運行結(jié)果

3.3.1預(yù)處理單元

通過對預(yù)處理系統(tǒng)的改造，預(yù)處理系統(tǒng)的pH 值均在6.6～7.5之間、淡鹽水溫度可控制在30 ℃～35 ℃之間，ORP(氧化還原電位)<150 mV，均滿足操作要求.

3.3.2過濾單元

過濾單元經(jīng)二次改造后的運行結(jié)果如下：

(1)膜分離單元的濃縮倍數(shù)、濃縮液硫酸根濃度、滲透液硫酸根濃度等均符合操作要求.新增納濾膜滲透液中SO42-的質(zhì)量濃度<1 g/L；運行2.5年后，滲透液中SO42-的質(zhì)量濃度<1.5 g/L.

(2)濃縮液中SO42-的質(zhì)量濃度超過80 g/L，濃縮倍數(shù)可達(dá)到設(shè)計要求的10倍.

3.3.3冷凍單元

利用現(xiàn)有單元內(nèi)各設(shè)備及冷凍機組， 進(jìn)行自動控制改造、增加混合槽等，改造后濃縮液處理量>80 g/L;增加預(yù)冷器混合器、均和器和結(jié)晶器,溫度體系實現(xiàn)了穩(wěn)定操作，堵塞可能性減小了;通過增加自動儀表及撓性閥組,使蒸發(fā)器實現(xiàn)自動沖洗，逐步穩(wěn)定了蒸發(fā)器的清洗周期.

3.3.4改造前后主要參數(shù)對比

經(jīng)二次改造后，其主要參數(shù)對比如表2所示.

表2　改造前后主要參數(shù)

由表2可知，通過二次改造，在冷量消耗不變的情況下，除硝能力從100 kg/h提升至200 kg/h，同時延長了蒸發(fā)器切換周期，提高了自動化水平，降低了現(xiàn)場工作量，從而操作人員數(shù)減少.

4結(jié)論

綜上所述，可以得出以下結(jié)論：

(1)在兌鹵槽底部新增離心泵和管線，將兌鹵槽底部沉積的硝漿均勻地打入兌鹵槽及沉硝槽中，這樣便可以有效地建立溫度體系，避免了富硝鹽水堵塞蒸發(fā)器的現(xiàn)象.

(2)一次改造通過在貧硝鹽水罐內(nèi)部焊接一折流板，使從沉硝槽溢流的鹽水在折流板內(nèi)沉降清液

溢流至泵口打走，避免了大量 Na2SO4·10H2O在列管內(nèi)壁上富集，從而提高了換熱效果，降低了出口鹽水中的硫酸根含量.

(3)二次改造充分利用了原有設(shè)備， 通過改變納濾膜的過濾方式、變更操作方法和增加部分自動化儀表等，將濃縮液硫酸鈉含量提高了1倍，減少了濃縮液總量，進(jìn)而在不增加冷量的基礎(chǔ)上將除硝裝置能力從100 kg/h 擴大至200 kg/h.

實際運行驗證，改造后的工藝更加合理，操作更加簡便，生產(chǎn)能力、產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定性均達(dá)到國家要求.這為氯堿企業(yè)擴大產(chǎn)能、降低除硝成本起到了積極地推動作用.

(4)還可以對后處理產(chǎn)品——芒硝，進(jìn)行后續(xù)加工利用，如作為彈性高光澤彩色路面磚的原料，因其廢渣摻用量大，一般可達(dá) 30%～70%，從而制磚成本便可降低一到兩成.此外，還可以用作廢渣彩色水泥瓦的原料、工業(yè)廢渣低成本免燒磚的原料、高摻量廢渣空心砌塊的原料、廢渣高純度輕質(zhì)空心墻板的原料等，這些均符合國家對固體廢物“資源化”的利用要求.

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Denitration process operation and revamping of membrane

CHEN Xiao-feng1， LIU Hong2， KONG Fan-lu2

(1.Chemical Technology Branch， Xinjiang Institute of Light Industry Technology, Urumqi 830021, China； 2.Xinjiang Zhongtai Chemical Co., Ltd. ， Urumqi 830021, China)

Abstract:In the chlor-alkali industry,the sulfate is the common anionic impurities in salt.Because of its existence，the electrolytic tank anodecurrent efficiencyny,the service life of anode and many production operations are affected.Through the reform of brine tank and lean NOx brine tank and the transformation of the mode of nanofiltration membrane filtration,the original equipments are fully utilized,the problems about heat transfer and pressure have been solved,the processing capacity has expanded from 100 kg/h to 200 kg/h,the chlor-alkali enterprises cost is reduced,the transformation significance is great.

Key words:refrigeration denitration； crystal； nanofiltration membrane； increase production capacity

中圖分類號：TQ114.26

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1000-5811(2015)02-0108-03

作者簡介:陳曉峰(1967-)，女，新疆烏魯木齊人，副教授，碩士，研究方向：化學(xué)工藝

收稿日期:*2015-01-19