硫酸鋁蒸發(fā)二次蒸汽回收利用工藝開發(fā)淺析

趙繼國，王志勇，馬劍輝，祖彥斌，楊有華

(盧龍縣雙益磷化有限責(zé)任公司，河北 秦皇島 066403)

蒸汽回收一直是熱點(diǎn)問題，在國家不斷號(hào)召節(jié)能減排以來，顯得尤為重要，尤其對(duì)于蒸發(fā)段工藝分散出去的水蒸氣是必不可免的?，F(xiàn)在，二次蒸汽利用比較成熟的有多效蒸發(fā)和減壓蒸發(fā)工藝，但具體到硫酸鋁蒸發(fā)二次蒸汽利用，這兩種工藝都不太適合。主要原因有：硫酸鋁溶液是由鋁土礦與硫酸加壓反應(yīng)所得，溶液易結(jié)垢的雜質(zhì)較多，易使換熱器傳熱面結(jié)垢，使傳熱效率下降較快。而且，二次蒸汽的溫度為 100 ℃ 左右，低于常壓下硫酸鋁溶液的沸點(diǎn)，所以硫酸鋁溶液的多效蒸發(fā)只能在負(fù)壓下進(jìn)行。隨著結(jié)垢的增加，使傳熱溫差損失越來越大，多效蒸發(fā)系統(tǒng)會(huì)失效，變得效率低下。如果用繼續(xù)增大負(fù)壓來降低硫酸鋁溶液的沸點(diǎn)，保持多效蒸發(fā)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)溫度低于硫酸鋁溶液的凝固點(diǎn)，而使系統(tǒng)管路、設(shè)備固結(jié)。所以硫酸鋁二次蒸汽利用在本工藝比較困難。隨著國家淘汰小型燃煤鍋爐，居民區(qū)對(duì)低溫余熱需求明顯加大，可以考慮余熱用于民生。由于偏酸性的水蒸氣本身含有著廢熱和污染物[1]，所以我們在工藝設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了工藝生產(chǎn)的需要、環(huán)保需求和市場需求。

1 工藝設(shè)計(jì)

我公司現(xiàn)有一套普通硫酸鋁生產(chǎn)線，采用的是常壓單效蒸發(fā)，二次蒸汽直接排放，浪費(fèi)了大量熱能。本次改造主要是將現(xiàn)有敞口蒸發(fā)器改為密閉式蒸發(fā)器，工藝操作在密封狀態(tài)下進(jìn)行，使二次蒸汽通過管道進(jìn)入各級(jí)換熱器，逐級(jí)冷凝為酸性水，回到工藝中循環(huán)使用。此過程中余熱利用主要分3部分：一是在本生產(chǎn)系統(tǒng)利用，預(yù)熱涼溶液，提高蒸發(fā)效率，這一部分消耗的二次蒸汽量不大；二是進(jìn)行社區(qū)供暖；三是加熱熱水外售，用于洗浴中心、屠宰場、攪拌站等。

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

本次改造完成后，尾氣脫白，不凝性氣體排放符合大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)(GB16297-1996)。蒸發(fā)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，具有操作性和容錯(cuò)性，能夠保證產(chǎn)品質(zhì)量，維修、清理簡便易行。外售熱水達(dá)到客戶要求的溫度，社區(qū)供暖達(dá)到集中供暖標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 工藝流程和設(shè)備

如圖1所示，我公司硫酸鋁蒸發(fā)采用硫酸車間余熱鍋爐生產(chǎn)的生蒸汽，在主蒸發(fā)器內(nèi)對(duì)硫酸鋁溶液加熱濃縮(蒸汽溫度約 160 ℃)，冷凝水通過疏水器進(jìn)入預(yù)熱蒸發(fā)器，對(duì)預(yù)蒸發(fā)的溶液加熱(冷凝水溫度約 133 ℃)，然后進(jìn)入酸冷器(冷凝水溫度約 111 ℃)，與熱水換熱后回鍋爐使用(冷凝水溫度約 90 ℃)。兩個(gè)蒸發(fā)器出來的二次蒸汽，先預(yù)熱涼溶液，再加熱供暖循環(huán)水，然后加熱熱水。用副線管路調(diào)節(jié)各換熱器內(nèi)的二次蒸汽流量，分配熱量。經(jīng)過以上三級(jí)換熱還沒有冷凝的余汽，在后續(xù)的換熱器中，用涼水塔大量冷水冷凝。不凝氣體進(jìn)入鈦風(fēng)機(jī)，經(jīng)過兩級(jí)洗滌后放空。

圖1 工藝流程圖

工藝所需的設(shè)備見表1。

1.3 工藝管線

硫酸鋁二次蒸汽溫度 100 ℃，pH值3左右，腐蝕性強(qiáng)，流量大。從耐腐蝕性、經(jīng)濟(jì)性和現(xiàn)場布管可加工性考慮，采用PPH管道及管件。

1.4 工藝優(yōu)勢

國內(nèi)普通硫酸鋁生產(chǎn)線的蒸發(fā)工序，大體都是常壓單效蒸發(fā)，尾氣直排，二次蒸汽沒有得到利用，污染較大。這次改造是在原有蒸發(fā)器的基礎(chǔ)上，通過改變鈦盤管進(jìn)出形式，增加不銹鋼密封蓋，頂裝磁翻板液位計(jì)，快開門等，把蒸發(fā)器的生產(chǎn)方式由開放蒸發(fā)改為密閉蒸發(fā)，充分利用原有設(shè)備，節(jié)約資金。工藝操作環(huán)境、操作方便性有改進(jìn)，原有重要的質(zhì)量控制方法得到保留，依然可以通過溫度儀表與現(xiàn)場挑料相結(jié)合的方式，進(jìn)行蒸發(fā)終點(diǎn)的確定，工人容易上手，產(chǎn)品質(zhì)量有保證。此次改造，尾氣通過多級(jí)冷凝洗滌，工藝廢氣得到減排，能量得到回收，沒有二次污染產(chǎn)生。兩個(gè)蒸發(fā)器串聯(lián)蒸發(fā)，能保證二次蒸汽產(chǎn)出量穩(wěn)定，因?yàn)榱蛩徜X溶液的沸點(diǎn)隨著含量的增加而增高[2]，如圖2。

在蒸汽壓力基本不變的情況下，沸騰溶液的溫差越來越小。蒸發(fā)速率降低，二次蒸汽產(chǎn)出減少。但下一級(jí)蒸發(fā)器處于預(yù)熱階段，沸點(diǎn)低，蒸發(fā)容易，二次蒸汽產(chǎn)出多(主蒸發(fā)器到蒸發(fā)后期會(huì)憋壓，常少開一點(diǎn)旁路，使蒸汽和冷凝水一起進(jìn)入預(yù)熱蒸發(fā)器)。低于 100 ℃ 的余熱在化工生產(chǎn)中很難利用，熱水用于民生，減少燃煤消耗，契合政府環(huán)保要求，企業(yè)也可以從余熱銷售中增加一定的效益，使改造有積極性、自主性和可持續(xù)性。

2 工藝改造過程

整個(gè)工藝改造期間，經(jīng)歷了一次改造、一次擴(kuò)建，通過初步設(shè)計(jì)試運(yùn)行，確定了基本方向的正確之后，又增加了針對(duì)于工藝不足的改進(jìn)工段，最終成功在預(yù)期內(nèi)完成了最初設(shè)計(jì)的理想狀態(tài)。

表1 工藝所需設(shè)備表

圖2 硫酸鋁溶液含量與沸點(diǎn)關(guān)系圖

2.1 工藝初步設(shè)計(jì)

2.1.1 蒸發(fā)器的密閉改造

現(xiàn)有蒸發(fā)器采用的是敞開式碳鋼圓槽，內(nèi)部玻璃鋼耐酸瓷磚防腐，里面有鈦盤管加熱，工人操作要靠眼睛觀察加液液位，觀察是否起泡沫，用木棍粘料，觀察濃縮液的狀態(tài)，判斷蒸發(fā)料是否達(dá)到規(guī)定含量。如果對(duì)蒸發(fā)器密閉，就要解決怎樣方便操作，不發(fā)生生產(chǎn)事故，保證產(chǎn)品合格。

1)液位計(jì)的選擇。硫酸鋁溶液pH值3左右，熱溶液具有很強(qiáng)的腐蝕性，同時(shí)，硫酸鋁溶液隨濃度的增加，黏度也逐漸增大，沸點(diǎn)逐漸升高，達(dá)到 112 ℃ 左右開始起泡沫，合格含量在115～117 ℃ 之間。綜合考慮耐腐蝕性、高溫性、泡沫影響，選擇頂裝磁翻板液位計(jì)，浮漂和連桿外包聚四氟乙烯。由于蒸發(fā)器內(nèi)沸騰劇烈，用聚丙烯管自制保護(hù)管深入液面以下，保障浮漂工作范圍內(nèi)液面相對(duì)平穩(wěn)，避免連桿折斷或浮漂卡死。磁翻板液位計(jì)觀察方便，在整個(gè)房間可以隨時(shí)觀察。

2)蒸發(fā)器蓋材質(zhì)的選擇。蒸發(fā)器蓋直接接觸二次蒸汽，工作溫度在 100 ℃ 以上，且硫酸鋁的二次蒸汽也有很強(qiáng)的腐蝕性，需要高溫下耐腐蝕材料?，F(xiàn)有蒸發(fā)器蓋是用聚丙烯板制作的罩子，變形嚴(yán)重，各處進(jìn)空氣，不能密封。改造后需要蒸發(fā)器蓋與蒸發(fā)器筒體之間密封，能有一定的預(yù)緊力，不能讓空氣進(jìn)入內(nèi)部，否則大大影響冷凝效果。綜合考慮材質(zhì)的強(qiáng)度、耐腐蝕性、加工制作維修方便性，選擇 316 L 不銹鋼材質(zhì)[3](先前選擇碳鋼內(nèi)襯酚醛玻璃鋼失敗)。

2.1.2 鈦盤管進(jìn)出蒸發(fā)器方式

由于鈦盤管易結(jié)垢，至少每月都要吊出手工清理，設(shè)計(jì)要考慮可以整體吊出。生蒸汽壓力較高，而且蒸發(fā)器內(nèi)部二次蒸汽腐蝕嚴(yán)重，間斷蒸發(fā)生產(chǎn)，冷熱變化頻繁，內(nèi)部不宜設(shè)置法蘭。蒸發(fā)器密封以后內(nèi)部為微正壓，或者微負(fù)壓(取決于蒸發(fā)量、冷凝量、風(fēng)機(jī)流量等的動(dòng)態(tài)平衡)，總之，壓力不大。選擇的在筒體密封面處開豁口，盤管從豁口出去，法蘭設(shè)置在蒸發(fā)器外，用耐酸膠泥密封管四周，密封面處抹平(豁口內(nèi)三面襯耐酸瓷板，盤管與筒體之間能滿足絕緣要求)。清理鈦管吊出時(shí)，鑿去密封面膠泥即可。陽極保護(hù)的陰極進(jìn)出蒸發(fā)器也采用同樣方式，方便更換。

2.1.3 挑料方式

由于溶液的pH值、鐵含量等不同，蒸發(fā)終點(diǎn)溫度會(huì)有1～2 ℃ 的偏差，不能單靠溶液溫度確定蒸發(fā)終點(diǎn)，需要操作工通過觀察溶液凝固狀態(tài)來及時(shí)做出判斷。在蒸發(fā)器蓋上設(shè)置快開門，當(dāng)測溫儀表顯示到達(dá)蒸發(fā)終點(diǎn)時(shí)，將生蒸汽關(guān)閉(先打開預(yù)熱蒸發(fā)器閥門)，打開快開門挑料觀察，合格則放料，不合格再蒸一會(huì)，一般一兩次就能合格(參考上一班次生產(chǎn)記錄的放鍋溫度)。

2.1.4 換熱器選擇

選擇改性石墨換熱器，換熱效率高，耐二次蒸汽腐蝕。

2.1.5 引風(fēng)機(jī)選擇

選擇鈦斜流風(fēng)機(jī)，流量大，功率小，耐腐蝕。蒸發(fā)可以產(chǎn)生正壓，蒸汽冷凝可以產(chǎn)生負(fù)壓，風(fēng)機(jī)所提供負(fù)壓不需要太高，通常比系統(tǒng)阻力大些就行。流量大些有利于讓蒸發(fā)器內(nèi)水蒸氣及時(shí)排出，保持微負(fù)壓狀態(tài)。

2.1.6 洗滌塔選擇

選擇硫酸淘汰舊設(shè)備填料吸收塔，修復(fù)后利用。內(nèi)部耐酸瓷磚防腐，矩鞍環(huán)填料。洗滌水用車間循環(huán)水，洗滌塔回收的冷凝水和熱量可以帶到硫酸鋁生產(chǎn)線的調(diào)漿、反應(yīng)、沉降，有利于生產(chǎn)，特別是秋冬季。

2.1.7 安全裝置

自動(dòng)盲板(材質(zhì)：PPH)，蒸發(fā)器可以產(chǎn)生正壓，不正常情況下需要有泄壓裝置。蒸發(fā)器的泄壓裝置設(shè)置在蒸發(fā)間房頂二次蒸汽出口豎管道三通上，三通上口為放空管路，設(shè)置法蘭盲板，旁路通向換熱器。正常生產(chǎn)情況下三通處為負(fù)壓，盲板自動(dòng)吸附密封，正壓情況下盲板向上吹起(盲板僅串兩條長螺栓，可以上下移動(dòng))。

視鏡(材質(zhì)：有機(jī)玻璃)，正對(duì)著加液口設(shè)置視鏡，可以觀察蒸發(fā)器里的沸騰情況，液位、加液大小等。

在初始階段主要針對(duì)于密閉蒸發(fā)的操作性進(jìn)行設(shè)備改造，對(duì)于回收的總量進(jìn)行運(yùn)算，以此初步確定并采購了換熱面積 40 m2和 70 m2的兩臺(tái)石墨換熱器，PPH管道管件及鈦風(fēng)機(jī)等。在這一階段改造中，初步?jīng)Q定了以 40 m2石墨換熱器中的硫酸鋁溶液對(duì)蒸汽進(jìn)行冷卻，提高蒸發(fā)效率。兩個(gè)蒸發(fā)器串聯(lián)，穩(wěn)定二次蒸汽流量，提高蒸發(fā)效率。以 70 m2石墨換熱器供暖回收余熱。針對(duì)于未冷卻的蒸汽部分，經(jīng)過洗滌塔的洗滌，回流至工藝循環(huán)水槽。為了更好的監(jiān)測整個(gè)工藝試運(yùn)行階段的數(shù)據(jù)，各換熱器水側(cè)、汽側(cè)設(shè)置了壓力、溫度儀表。

2.2 工藝初試運(yùn)行

在整個(gè)工藝初始運(yùn)行期間，一開始就出現(xiàn)了加液管鳴爆現(xiàn)象，振動(dòng)比較劇烈頻繁，打開放空管后消失。經(jīng)分析認(rèn)為，由于蒸發(fā)器密封操作，內(nèi)部出現(xiàn)正壓，加液管路由于加液量很少，管截面上部出現(xiàn)較大空間，二次蒸汽在壓力作用下進(jìn)入加液管路后，使加液管路里的溶液汽化，而出現(xiàn)鳴爆現(xiàn)象。根據(jù)分析，把蒸發(fā)器里加液管出口加裝了一個(gè)向上的彎頭，即使加液量很少也能使管路充滿，鳴爆現(xiàn)象消失。對(duì)于出現(xiàn)正壓較大現(xiàn)象，通過測量各段壓力降、溫度等參數(shù)，發(fā)現(xiàn)一級(jí)石墨換熱器 F40 m2的壓力降為 260 mm 水柱，比廠家給的參數(shù)大很多，本來預(yù)熱溶液也消耗不了多少二次蒸汽，增加一個(gè)調(diào)解旁路，來降低阻力。大量的二次蒸汽順利來到二級(jí)石墨換熱器 F70 m2，用于集中供暖，但供暖循環(huán)水溫度也只能達(dá)到 80 ℃，尾氣煙筒還有大量水蒸氣排出，說明石墨換熱器換熱面積和換熱效率參數(shù)與計(jì)算差別很大，換熱面積不足。所以說針對(duì)于蒸汽量和換熱面積的運(yùn)算有著一定的不足。初步的運(yùn)行工作，受到了較大的阻力，尤其蒸汽不能夠完全冷卻下來，只能夠依靠風(fēng)機(jī)抽取蒸汽，進(jìn)入到洗滌塔進(jìn)行吸收，導(dǎo)致剩余的廢熱再次回流到工藝之中，通過自然的冷卻逸散掉。初步改造雖然產(chǎn)生了較高的工藝價(jià)值，提高了生產(chǎn)效率，但并沒有達(dá)到預(yù)期理想的效果。

2.3 針對(duì)于初步設(shè)計(jì)不足的完善

針對(duì)于回收工藝產(chǎn)生的問題，通過對(duì)市場調(diào)研和工藝總結(jié)提出，增加外賣熱水換熱段和涼水塔換熱段，涼水塔換熱段作為保障二次蒸汽全部冷凝的手段，來保障蒸發(fā)器微負(fù)壓狀態(tài)，補(bǔ)充到整個(gè)蒸汽回收工作之中。通過對(duì)硫酸車間各涼水塔的負(fù)荷進(jìn)行核算，決定利用現(xiàn)有的一個(gè)涼水塔作為本次改造的涼水塔，利用硫酸車間淘汰的舊酸冷器，修復(fù)以后作為換熱設(shè)備以節(jié)約資金。兩個(gè)石墨換熱器和酸冷器(150 m2)都設(shè)調(diào)節(jié)副線，使熱量能夠調(diào)節(jié)，合理分配。洗滌塔出口氣體還是酸性，一個(gè)原因是水蒸氣未全部冷凝，一個(gè)原因是洗滌塔中的吸收劑是車間工藝循環(huán)水，本身就是酸性水，還有就是洗滌塔除霧效果不好，所以增加一級(jí)堿液洗滌塔(帶一節(jié)小電除霧)。蒸發(fā)器一次蒸汽冷凝水溫度很高，回到硫酸車間的鍋爐軟水罐常導(dǎo)致給鍋爐供水的多級(jí)泵發(fā)生氣蝕，增加一個(gè)換熱器給它降溫，同時(shí)給熱水提溫。反應(yīng)釜尾氣以往直排，現(xiàn)并入洗滌塔處理，熱量回到工藝水中，利于沉降與反應(yīng)。

2.4 整套工藝的試運(yùn)行成果

通過二次改造，試運(yùn)行開車平穩(wěn)，產(chǎn)出熱水溫度達(dá)到 92～98 ℃，預(yù)熱鋁液 82 ℃，供暖 78 ℃，硫酸鍋爐回水降到 90 ℃，尾氣很少，中性。不銹鋼酸冷器運(yùn)行一年沒有發(fā)生腐蝕泄露(沒有陽極保護(hù)情況下運(yùn)行的)，不銹鋼蒸發(fā)器蓋(316 L)也沒有明顯腐蝕，PPH管道管件使用良好。石墨換熱器與水換熱供暖運(yùn)行良好，另一個(gè)石墨換熱器預(yù)熱硫酸鋁溶液換熱面有輕度結(jié)垢現(xiàn)象，需要每月清洗一次(碳酸氫鈉水溶液在線清洗)。每天回收冷凝水近60噸左右，回收硫酸鋁 225 kg(蒸發(fā)過程氣泡破斷產(chǎn)生微量液滴被二次蒸汽夾帶而出，可通過冷凝水化驗(yàn)得到)，通過預(yù)熱每天可增加產(chǎn)量6噸左右，供暖面積約1萬m2，熱水銷售逐步展開。由于工藝初步運(yùn)行期間，正值秋冬季，專項(xiàng)改造過后產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)于市場需求進(jìn)行了充分對(duì)接，使工藝改造所產(chǎn)生的余量完美切入了市場與民生的需要，為環(huán)境處理工作提供了新的開發(fā)方向。整套工藝運(yùn)行期間，較為穩(wěn)定。針對(duì)于廢熱的多級(jí)回收，提供了新的思路。

3 經(jīng)濟(jì)效益的評(píng)估方式

運(yùn)行后工藝的經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估：通過檢測對(duì)硫酸鋁溶液，在工藝改造前后，原料罐溶液溫度的提升量，綜合的核算產(chǎn)值。

1)核算蒸發(fā)工藝在生產(chǎn)上對(duì)于緊前緊后時(shí)間安排的壓縮。通過對(duì)工藝，壓縮時(shí)間的初步統(tǒng)計(jì)，來確定產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益。

2)在熱水市場營銷方向上，通過對(duì)冬季供暖產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)收入以及日常售賣熱水所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行綜合分析，根據(jù)不同的系數(shù)確定未來市場需求的偏向性。民生供暖方向還是短途用水的供給方向，進(jìn)行合并運(yùn)算。

3)末端工段的經(jīng)濟(jì)效益根據(jù)回收偏酸性液體的流量，估算該部分液體所需要的環(huán)保處理費(fèi)用，根據(jù)預(yù)算每年節(jié)約的費(fèi)用確定為該工藝的經(jīng)濟(jì)收入方式。

針對(duì)于工藝的三個(gè)分布進(jìn)行聯(lián)合定位，每個(gè)工藝段所需熱量的調(diào)節(jié)工作。根據(jù)現(xiàn)實(shí)的經(jīng)濟(jì)效益，進(jìn)行充分調(diào)節(jié)，以保證各部分的最大產(chǎn)出。

4 結(jié)束語

二次蒸汽回收工藝相比于原始工藝具有著自身獨(dú)特的定位優(yōu)勢，在提高生產(chǎn)效率，環(huán)境保護(hù)等諸多方面表現(xiàn)出了自身的綜合優(yōu)勢，削減了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。對(duì)于環(huán)境保護(hù)與氣體回收方面，二次蒸汽回收工藝的設(shè)計(jì)表現(xiàn)出了良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。在新環(huán)境保護(hù)與節(jié)能減排的大背景之下，為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)提供了一個(gè)參考，也更加貼近于企業(yè)工藝的現(xiàn)實(shí)需要，具有的推廣價(jià)值。