探討聯(lián)合制堿裝置提產(chǎn)方案、碳化過程優(yōu)化及降本增效前景展望

張杭，張建東

（天津渤化永利化工股份有限公司，天津300450）

1 聯(lián)堿裝置碳化過程相關概念

1.1 介穩(wěn)區(qū)寬度

介穩(wěn)區(qū)寬度是指溶解度-溫度曲線上的飽和點到能自發(fā)成核的極限過飽和點之間的濃度區(qū)域即溶解度曲線和超溶解度曲線之間的區(qū)域。

1.2 二次晶核

二次晶核針對碳化塔內(nèi)的情況是指在結晶生成后，由于結晶和結晶之間，結晶和碳化塔壁之間，或者是結晶和冷卻水箱的水管表面的接觸碰撞而引發(fā)，或磨損、破碎而發(fā)生的晶核以及細小碎片。

1.3 過飽和度

過飽和是指溶液中溶質(zhì)的含量已經(jīng)超過標準飽和度，卻仍舊沒有晶體析出的現(xiàn)象。而過飽和度表示了溶液的過飽和程度。

1.4 碳化度

碳化度即溶液的碳酸化程度，即1當量濃度的氨吸收了多少當量濃度的二氧化碳，碳化度以百分數(shù)表示。

2 聯(lián)堿裝置碳化過程中二次晶核概念、介穩(wěn)區(qū)寬度、懸浮液晶漿濃度與結晶質(zhì)量關系

2.1 二次晶核

我公司聯(lián)堿裝置碳化塔與其他大部分公司聯(lián)堿裝置碳化塔運行情況一致，制堿塔中細小結晶的數(shù)量隨著塔中氣速的提高而增多，對于該類碳化塔，塔中細小結晶的數(shù)量除了隨著懸浮液晶漿濃度的提高而增加之外，還與塔中氣固液三相的湍動條件有關，表現(xiàn)為塔底空塔氣速高時，塔中細小結晶數(shù)量大。

二次晶核的發(fā)生量以及發(fā)生程度與結晶段和冷卻段的接觸面積有關，即存在的可能導致結晶與之發(fā)生碰撞的表面積越大，理論上發(fā)生二次晶核的發(fā)生量和發(fā)生程度越高。區(qū)別于外冷碳化塔，我公司碳化塔為塔內(nèi)冷卻形式，結晶段下部設置了冷卻段，采用冷卻循環(huán)水進行間接冷卻，冷卻水箱中設置了大量冷卻水小管，導致冷卻段塔內(nèi)容積大幅減小，冷卻段可與結晶發(fā)生碰撞的表面積大大增加，同時大大增加了塔中的實際氣速，加劇了塔內(nèi)物料的湍動程度。在冷卻段結晶顆粒大量成長，但由于碰撞和氣流的剪切作用，大量大顆粒的結晶破碎為大量細小結晶，導致懸浮液晶漿密度升高，這就是體現(xiàn)在我公司碳化塔內(nèi)比較典型的二次晶核現(xiàn)象。

我公司實際生產(chǎn)中，碳化塔二段進氣較一段進氣的結晶粒徑大，即適當提高中段進氣的CO2濃度對于增大NaHCO3結晶粒度是有促進作用的。在結晶段，溶液已達到過飽和狀態(tài)，此時需要吸收足夠的CO2，保證析出足夠量的NaHCO3以供晶核成長。對于我公司碳化塔，在實際生產(chǎn)過程中，為了保證結晶段有較好的結晶成長環(huán)境，對于中段氣的引入量是有一定控制的，既要一定程度上滿足晶核析出的CO2需求，又要防止大量引入中段氣，導致氣速過大，致使剛剛形成的大顆粒晶核被氣流剪切后又破碎為細小晶核。這一過程的把控需參考結晶沉降時間，根據(jù)不同工況，不同結晶質(zhì)量來靈活掌握，并非是一成不變的。

在碳化塔冷卻段中，由于冷卻水的冷卻作用，導致大量結晶析出，同時冷卻段由于冷卻水小管的存在，導致該區(qū)域的塔內(nèi)容積較之結晶段迅速變小，同時增大了冷卻段的碰撞面積，一定程度上促進的二次晶核的形成，此時需對冷卻水冷量進行嚴格控制，避免驟冷加劇細小結晶的生成，從而導致二次晶核的集中爆發(fā)。

2.2 介穩(wěn)區(qū)寬度

在溶液碳化度120%～140%范圍內(nèi)，隨著碳化度的增加，過飽和介穩(wěn)區(qū)寬度急劇下降，而且，在這范圍內(nèi)溶液碳化度對于過飽和介穩(wěn)區(qū)寬度的效應要大大超過溫度的效應。

例如臨界點溶液的碳化度在小于125%時，即使臨界點溫度達到60℃，NaHCO3結晶過飽和介穩(wěn)區(qū)寬度仍在9tt以上；而當臨界點溶液的碳化度提高到140%時，臨界點溫度為30℃，過飽和介穩(wěn)區(qū)寬度卻不超過7tt。

這也是我公司碳化工序已經(jīng)提上日程的工作，待儀表等條件具備后，開始逐步摸索預碳化度的合適范圍，既要更好的降低介穩(wěn)區(qū)寬度，也要避免預碳化過程中結晶及制堿塔菌帽層結晶造成塔器堵塞，影響生產(chǎn)。

2.3 懸浮液晶漿濃度

懸浮液晶漿濃度是近代鹽類溶液工業(yè)結晶過程主要的操作參數(shù)之一。早期結晶理論認為，晶漿濃度低則結晶顆粒之間距離大，結晶物質(zhì)分子在未達到結晶顆粒表面時便析出成為新鮮晶核，導致產(chǎn)品粒度變?。痪{濃度過高則會出現(xiàn)“粥少僧多”大伙吃不飽現(xiàn)象，也會造成結晶長不大的結果。對于二次晶核方面的研究將鹽類溶液工業(yè)結晶過程的研究推向了一個新階段。關于二次成核及其對碳化塔操作的影響，上文已經(jīng)介紹。在一定條件下二次晶核發(fā)生速率隨著懸浮液晶漿濃度的提高而增大，即產(chǎn)品結晶粒度將隨著晶漿濃度的增高而變小。

3 冷卻在碳化過程中的真實含義與冷卻碳化懸浮液的弊端

3.1 冷卻在碳化過程中的真實含義

NaHCO3在碳化液中的溶解度很低，且隨著溫度的下降，溶解度降幅不大，因此從NaHCO3結晶角度來看，結晶過程由于NaHCO3在堿溶液中的溶解度特性，過飽和度的產(chǎn)生并不主要依賴于冷卻降溫作用。但在工業(yè)生產(chǎn)中由于碳化反應為放熱反應，按照化學反應平衡的觀點，工藝過程必須設法將這部分反應熱移走，控制過程終溫，以保證較高的MI轉(zhuǎn)化率和堿口固定銨濃度。另外移走反應熱有利于CO2吸收效率的提高。

因此結晶和溫度控制應分開討論。在本文第二部分中已對結晶理論做了簡單的分析，下面對于碳化塔的溫度控制做一個簡單的探討。

3.2 冷卻碳化懸浮液的弊端

制堿塔實際操作中，由于冷卻小管間壁溫差較大，造成結疤現(xiàn)象，結疤會導致一些不良后果：

1）冷卻水箱的換熱效率下降，冷卻水消耗增加。在制堿塔后期，由于結疤嚴重，換熱效率低下，不得不加大冷卻水投量以穩(wěn)定終溫，末期塔比初期塔平均增加30%左右。

2）冷卻水管結疤惡化了制堿塔操作的三項主要經(jīng)濟技術指標，包括堿口固定銨濃度、尾氣CO2濃度和重堿結晶粒度。

冷卻水管結疤后，冷卻效果下降，出堿溫上升，導致堿口固定銨下降，導致產(chǎn)量下降，母液膨脹。冷卻段小管壁上結疤后，導致冷卻段容積進一步縮小，導致塔內(nèi)氣速進一步增大，CO2無法與溶液更充分的接觸，導致碳化塔下部的CO2吸收效率下降，從而增加了塔中上部的CO2吸收負荷，引起反應臨界點上移，易造成尾氣CO2濃度升高，影響CO2消耗。由于制堿末期塔，水箱換熱效率大大下降，需要增加水量以保證出堿溫，正由于冷卻水量的增加和液相平均溫差提高，更加速了冷卻小管的結疤和新晶核的生成，因此，取出重堿結晶粒度變小的趨勢已無法扭轉(zhuǎn)。此時需要加強清洗工作，盡快將冷卻段的結疤清洗干凈，恢復碳化塔的生產(chǎn)能力，對于提升各項指標的合格率大大有益。

4 渤化永利化工聯(lián)堿裝置目前取得的改造成果及后續(xù)待實施項目

為響應渤化永利“公關創(chuàng)效、降本增收”的工作主題，堿業(yè)公司重堿黨支部作為優(yōu)秀黨支部的代表，積極發(fā)揮黨支部及黨員的先進性，結合勞模工作室與廣大職工的力量，針對碳化工序進行了一系列工藝改造，取得了不錯的成績。

4.1 已完成的工藝改造及實施效果

4.1.1 鼓風機管線冷凝水引出項目

由于鼓風機管線屬于真空系統(tǒng)管線，管線底部積存一定冷凝水，造成系統(tǒng)真空差偏大，影響裝置整體真空度，對帶式過濾機的過濾效率、真空吸收塔及綜合回收塔的回收效果產(chǎn)生影響。該項目引入一臺臥式罐，將真空管線與臥式罐相連，利用排氣閥開關動作，將真空管線內(nèi)冷凝水引入臥式罐及排放至凝水泵入口。該方案原理簡單，類似于真空取樣瓶，施工難度低，效果明顯，為后期的帶式過濾機改造提供了基礎條件。

4.1.2 淡液蒸餾塔減蒸項目

由于淡液產(chǎn)生量較大，造成淡液蒸餾塔蒸量大，淡液蒸餾塔長期滿負荷運行，蒸汽消耗量增大。該項目將水質(zhì)較好的壓縮工序冷凝液改送至洗水桶作為洗水使用，與此同時減小了淡液蒸餾塔的運行負荷，節(jié)約蒸汽。

4.2 目前正在實施的改造項目

四塔五清洗項目，該項目在四座清洗塔外，在非滿負荷狀態(tài)時對結疤嚴重的碳化塔利用多進AII進行塔內(nèi)循環(huán)清洗。

目前正在試驗階段，已完成#16碳化塔清洗工作，清洗效果良好，正在清洗#17碳化塔。后面陸續(xù)進行簡單的工藝改造，配備一臺自調(diào)閥，實現(xiàn)全自動精準操作。

4.3 后續(xù)工作計劃

4.3.1 帶式過濾機下堿分布器改造項目

對目前的下堿裝置進行改造，優(yōu)化下堿分布器，使帶機下堿液均勻分布，提高下堿液平衡性，減小下堿液前沖距離，達到平緩均勻下堿目的的同時也會相應的小幅提高帶機過濾能力。

4.3.2 帶式過濾機下堿擋板調(diào)整項目

在現(xiàn)生產(chǎn)運行情況中發(fā)現(xiàn)，帶機下堿液前沖距離較長，造成南北兩側(cè)吸液不均勻，一邊很早就完全吸收，另一邊會沖過擋板。根據(jù)此情況考慮在老擋板前新增一條擋板，用以平衡下堿液分布，充分利用真空將下堿液吸收，減小下堿液整體前沖距離。由于目前考慮下堿分布器的引入，因此在引入下堿分布器后，對運行狀態(tài)進行觀察評估，確定是否需要將下堿液擋板移位或新增。

4.3.3 過濾尾氣分離器引入旋流器項目

由于過濾尾氣分離器真空管線為切向進入罐體，因此在分離器內(nèi)部形成類似漩渦狀流動狀態(tài)，且分離器底部構造迅速趨于平緩，上部被真空作用，下液不暢，真空管下部積液，致使真空管內(nèi)液面偏高，造成實際作用在濾餅上的真空降低，對生產(chǎn)造成影響。

擬增加漩流阻斷裝置置于分離器內(nèi)部，破壞漩流狀態(tài)，緩解上述問題。

4.4 針對“公關創(chuàng)效、降本增收”的工作主題，暢想今后的工作方向

4.4.1 濕重堿預干燥項目

受“鼓風機管線冷凝水引出項目”的啟發(fā)，在化工生產(chǎn)中，實現(xiàn)良好效益的項目并非那么“高大上”，而是要立足現(xiàn)場，貼近實際，以最簡單的原理，最小的投入，獲取最大的回報。因此在參考了相關文獻后，“濕重堿預干燥項目”漸漸浮出水面。

煅燒爐運行現(xiàn)狀：我公司帶式過濾機過濾后，重堿水份約為14%，經(jīng)過皮帶輸送進入煅燒爐煅燒制堿，但煅燒爐對于進入爐體的重堿水份要求要小于8%，這里就需要引入“返堿”裝置，將已經(jīng)干燥過的重堿二次送進煅燒爐，與新重堿混合，使整體水份小于8%，從而完成煅燒操作。

濕重堿預干燥項目：在帶式過濾機過濾重堿后，進入煅燒爐前引入濕重堿預干燥系統(tǒng)。皮帶將重堿送至立式干燥管下部，被底部來的熱氣流分散并吹入干燥管，在與熱氣流接觸中重堿水份被脫除，高度脫水后的重堿被送入到煅燒爐進行煅燒操作。在找到合適的熱氣源前，可暫以煅燒一閃二閃蒸汽替代，雖然針對脫水過程在節(jié)能方面沒有明顯下降，但此舉的重大意義在于預干燥后的重堿水份可以降到1%～2%，完全具備進入煅燒爐的條件，以至“返堿”裝置可以取消，從而提高煅燒爐的生產(chǎn)能力。

后期尋找到合適的熱氣源，對于節(jié)約蒸汽也是相當可觀的。

4.4.2 銨堿比

根據(jù)相關資料研究成果，當純堿鹽份0.5%～0.7%時，銨堿比在1.10～1.13之間。

我公司近兩年銨堿比基本在1.0左右，理論上氯化銨產(chǎn)量可以有所提高，產(chǎn)量提升的同時，不但單噸能耗下降，也給母液膨脹減少一定壓力。

4.5 企業(yè)管理模式的更新?lián)Q代

我公司正在積極推進“阿米巴經(jīng)營管理模式”，原來的管理模式類似“火車”，火車跑得快，全靠車頭帶，所有動力來源于車頭；阿米巴模式類似“動車”，每一節(jié)車廂都有動力裝置，車頭只負責把握方向，該模式最主要的特點是充分調(diào)動起每一名職工的積極性，讓每一名職工都成為生產(chǎn)的主角。

該管理模式充分體現(xiàn)了“多勞多得、少勞少得、不勞不得”的理念，讓每一名職工樹立“工資是掙出來的”觀念，積極地投身到生產(chǎn)經(jīng)營中，為“公關創(chuàng)效、降本增收”這個主題獻言獻策，使整個部門乃至整個公司成為一個“命運共同體”。

5 結語

聯(lián)堿生產(chǎn)中，影響結晶質(zhì)量的因素：

1）過飽和度和介穩(wěn)區(qū)寬度對結晶質(zhì)量的影響；

2）二次晶核在冷卻段的主控地位與結晶質(zhì)量的關系；

3）懸浮液晶漿濃度與結晶質(zhì)量的關系；

4）碳化塔冷卻的真實含義。

針對以上理論，結合我公司實際生產(chǎn)情況，為未來的工藝技術改造指明了方向，為后續(xù)的工作確立了目標。

作為中國化學工業(yè)的搖籃，作為聯(lián)合制堿法的發(fā)源地，天津渤化永利化工股份有限公司在節(jié)能降耗的同時，嚴把質(zhì)量關。對影響產(chǎn)品質(zhì)量的因素做出全面準確的分析是重要的基礎工作，明確方向，探究深層次理論依據(jù)顯得尤為重要?！袄碚撝笇嵺`、實踐檢驗理論”這些理論經(jīng)驗是歷代永利人傳承的寶貴財富。在今后的生產(chǎn)中我們還將繼續(xù)加強理論與實踐的結合，發(fā)揮黨員帶頭作用，調(diào)動職工的積極性，充分發(fā)揮集體的智慧，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時，向節(jié)能要效益。為永利化工的騰飛，為中國化工的崛起貢獻一份綿薄之力。