大型純堿碳化塔技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用

李瑞峰,周光耀

(中國成達(dá)工程有限公司，四川 成都 610041)

碳化塔是純堿生產(chǎn)的核心設(shè)備。目前仍然有大部分的堿廠使用我公司上世紀(jì)八十年代為連云港堿廠和唐山堿廠設(shè)計的φ3000/φ3400 m笠帽鑄鐵碳化塔，該塔在當(dāng)時具有生產(chǎn)能力大，操作穩(wěn)定和結(jié)晶質(zhì)量好等優(yōu)點，為操作人員所熟悉，在行業(yè)內(nèi)使用廣泛，甚至近年新建工廠仍然有使用。但是，鑄鐵碳化塔在使用過程中也暴露出弊端，如單塔生產(chǎn)能力偏小，大型純堿生產(chǎn)裝置配置碳化塔數(shù)量多，投資大；塔材質(zhì)使用鑄鐵，耐腐蝕性能差，內(nèi)件和塔體腐蝕嚴(yán)重，影響技術(shù)性能，產(chǎn)品白度差；由于腐蝕造成跑冒滴漏，換熱管和管板連接口泄露，造成冷卻水系統(tǒng)污染，發(fā)生環(huán)保事故。

隨著行業(yè)的發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，大型高效的新型材料碳化塔是今后堿廠的配置方向和主流，可以為今后高品質(zhì)產(chǎn)品生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)，不斷滿足如光伏、電子碳酸鋰等高端客戶的市場需求。

成達(dá)公司長期堅持碳化塔的技術(shù)改進(jìn)和技術(shù)開發(fā)，積累了豐富的理論基礎(chǔ)和實踐經(jīng)驗，設(shè)計了各種規(guī)格和塔型的碳化塔，如內(nèi)冷式笠帽碳化塔、外冷式常壓碳化塔、高效篩板碳化塔、變換氣制堿碳化塔，以及復(fù)合材質(zhì)碳化塔等。2009年四川和邦成功投運的φ5000/φ3500 大型篩板外冷常壓碳化塔，單塔產(chǎn)能達(dá)到360 t/d。2006年我公司總承包的烏茲別克斯坦純堿項目首次采用碳鋼-不銹鋼復(fù)合材質(zhì)，經(jīng)過多年的生產(chǎn)檢驗，可以滿足以天然氣為石灰窯燃料的高氧含量窯氣的生產(chǎn)工況，產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良，碳化塔性能優(yōu)異。2016年投運的我公司承擔(dān)設(shè)計的中鹽昆山聯(lián)堿裝置，采用了碳鋼-不銹鋼復(fù)合材質(zhì)的濃氣常壓外冷碳化塔，塔中段仍然采用5 000 mm直徑的篩板塔型，上段采用3 000 mm的篩板結(jié)構(gòu)，塔性能參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化提高，聯(lián)堿法純堿產(chǎn)品鐵分長期低于10 ppm，并且開車不用硫洗，生產(chǎn)中不用添加硫化鈉。

根據(jù)國內(nèi)行業(yè)的運行情況和國際市場的建設(shè)需求，我公司在2015年即開發(fā)完成了大型內(nèi)冷式高效篩板復(fù)合材質(zhì)的碳化塔方案[2]，并在2017年成功將φ3400/φ5000大型內(nèi)冷式篩板碳化塔應(yīng)用于河南金大地新建聯(lián)堿裝置和江蘇華昌改擴(kuò)建項目，碳化塔在上述兩個項目投運后，取得良好效果。本文將著重介紹其使用情況和效果，以期對行業(yè)用戶今后碳化塔方案選擇提供參考。

1 大型內(nèi)冷式碳化塔的設(shè)計參數(shù)

碳化塔采用內(nèi)冷式碳化塔型，塔中段直徑為5 000 mm，采用篩板塔型；下部水箱段采用6個水箱，水箱間采用新型笠帽結(jié)構(gòu)；塔上段采用3 000 mm篩板結(jié)構(gòu)(金大地采用新型高效笠帽結(jié)構(gòu))。塔體采用碳鋼-不銹鋼復(fù)合材質(zhì)，塔內(nèi)件采用不銹鋼材質(zhì)，水箱換熱管采用不銹鋼材質(zhì)，換熱管和管板采用特殊結(jié)構(gòu)的焊接結(jié)構(gòu)。單塔設(shè)計產(chǎn)能為330～360 t/d·臺，采用4塔一組和3塔一組的編組運行方式。

2 大型內(nèi)冷式碳化塔聯(lián)堿廠應(yīng)用介紹

新開發(fā)的大型高效內(nèi)冷式碳化塔首先在河南金大地和江蘇華昌應(yīng)用，分別投用14臺套和4臺套。江蘇德邦搬遷改造項目已經(jīng)設(shè)計了9臺套用于聯(lián)堿裝置。

由中國成達(dá)工程有限公司自主開發(fā)設(shè)計的國內(nèi)首套φ3400/φ5000大型內(nèi)冷式碳化塔于2019年6月在河南金大地百萬噸級聯(lián)堿項目中成功投入運行。

圖1 金大地碳化塔現(xiàn)場安裝照片

江蘇華昌4臺φ3400/φ5000大型內(nèi)冷式碳化塔2019年7月投用，塔中段和下段結(jié)構(gòu)和規(guī)格基本同河南金大地項目，所不同的是上段采用高效篩板結(jié)構(gòu)，不同與金大地的新型笠帽結(jié)構(gòu)。

圖2 江蘇華昌碳化塔現(xiàn)場照片

上述兩個工廠的大型內(nèi)冷式篩板碳化塔至今已經(jīng)投運一年以上，操作穩(wěn)定，各項技術(shù)指標(biāo)達(dá)到或超過設(shè)計參數(shù)。

單塔CO2氣量6 500～7 000 Nm3/h，其中CO2濃度99%vol，按CO2消耗450 Nm3/t堿的當(dāng)量計，折算單塔生產(chǎn)能力為350～370 t/d。根據(jù)生產(chǎn)報表統(tǒng)計，運行9臺塔日均產(chǎn)量3 118.2 t/d，單塔日均生產(chǎn)純堿346 t。其中，河南金大地高負(fù)荷生產(chǎn)狀態(tài)下，單塔產(chǎn)能達(dá)到400 t/d。

根據(jù)操作分析數(shù)據(jù)，碳化塔的取出液CNH3為86～90 tt，增量為47～49 tt。

采用激光粒度儀分析測試，產(chǎn)品的平均粒徑在120～130 μm。

碳化塔采用四塔一組和三塔一組的編組方式，其中一塔清洗三塔或兩塔制堿作業(yè)，清洗塔進(jìn)液為AⅡ母液，清洗氣源采用合成氨裝置送來的污氮氣。

圖3為四臺碳化塔一組編組方式，碳化塔作業(yè)72 h、清洗24 h后的清洗效果對比照片。

水箱段清洗前(作業(yè)72小時) 水箱段清洗后(清洗24小時)

篩板段清洗前(作業(yè)72小時) 篩板段清洗后(清洗24小時)

笠帽段(清洗24小時)圖3 碳化塔清洗效果

3 大型內(nèi)冷式碳化塔氨堿廠應(yīng)用介紹

新開發(fā)設(shè)計的大型內(nèi)冷式碳化塔雖然首先在聯(lián)堿廠投入使用，但是這種塔型結(jié)構(gòu)其實在氨堿廠早有應(yīng)用。首先在連云港堿廠改造原有φ3000/φ3400鑄鐵塔，中段和上段采用鈦材篩板結(jié)構(gòu)，目前工廠已經(jīng)逐步更換了10臺套新型結(jié)構(gòu)的碳化塔。后來分別于2009年和2013年給南方堿業(yè)設(shè)計供貨9臺內(nèi)冷式篩板塔型，改造原有鑄鐵笠帽塔。根據(jù)南方堿業(yè)的運行情況，改造后的制堿塔壓穩(wěn)定在0.29～0.31 MPa，與舊塔相差不大。碳化轉(zhuǎn)化率平均為75.8%，出堿液沉淀量50%左右，堿質(zhì)較好。碳化尾氣CO2含量約為2%，尾氣溫度比舊塔的降低約6～8 ℃，這有利于降低尾氣含氨。從各個的制堿周期(5塔一組和4塔一組)來看，運行平穩(wěn)，適合高負(fù)荷生產(chǎn)。

我公司總承包的中東純堿項目采用天然氣為石灰窯燃料，為了適應(yīng)低濃度高氧含量的工況，采用了碳鋼-不銹鋼復(fù)合材質(zhì)的高效篩板碳化塔，塔規(guī)格為φ3000/φ3400，項目的純堿產(chǎn)品主要市場面向光伏行業(yè)。

國內(nèi)大型的氨堿廠大部分的碳化塔使用原φ3000/φ3400鑄鐵塔，改造過程中可利用原有廠房結(jié)構(gòu)和設(shè)備基礎(chǔ)，根據(jù)原有碳化塔的使用狀況，采取全部替換或部分改造的方案，技術(shù)改造方案經(jīng)過檢驗成熟可靠。

4 外冷式碳化塔及其它塔型碳化塔應(yīng)用特點

外冷碳化塔經(jīng)過多年的使用和進(jìn)步，單塔產(chǎn)能和技術(shù)指標(biāo)上可適用于大型聯(lián)堿裝置的建設(shè)需求，同時外冷塔具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、制造周期短和操作周期長的優(yōu)點，其中中鹽昆山聯(lián)堿裝置已經(jīng)成功應(yīng)用5塔一組編制運行。

由周光耀院士新開發(fā)設(shè)計的大型三段外冷碳化塔已經(jīng)在中鹽昆山聯(lián)堿裝置成功投運，取出固定銨指標(biāo)基本接近內(nèi)冷塔，可用于聯(lián)堿或氨堿廠的建設(shè)。

5 結(jié) 尾

由于碳化塔在純堿生產(chǎn)中所處的重要位置，無論是新建純堿裝置，亦或是改擴(kuò)建，各堿廠對碳化塔的方案選擇均比較慎重，這就要求碳化塔技術(shù)改進(jìn)和開發(fā)過程中要秉持穩(wěn)妥原則，避免投用的關(guān)鍵設(shè)備影響生產(chǎn)的正常發(fā)揮。碳化塔的設(shè)計也要理論結(jié)合實際，避免重理論輕實踐，閉門造車；或者經(jīng)驗主義拍板，沒有理論支撐和實踐積累，貿(mào)然試用；以上都是不可取的。同時，我們也倡議行業(yè)內(nèi)用戶本著提高技術(shù)裝備水平和降低生產(chǎn)成本的目的，不斷適應(yīng)市場對產(chǎn)品的差異化需求，積極進(jìn)行技術(shù)的升級換代，提高市場競爭力。