張國奇，劉延安，張波，鄔廣軍，高海陽

(陜西北元化工集團(tuán)有限公司，陜西 榆林 719319)

陜西北元化工集團(tuán)有限公司化工分公司氯堿分廠(以下簡稱“北元化工”)80萬t/a離子膜法燒堿裝置以高效節(jié)能為目標(biāo)，引進(jìn)意大利伍德迪諾拉公司復(fù)極式自然循環(huán)電解槽，系統(tǒng)分為A、B、C、D 4條生產(chǎn)線。配套2套40萬t/a三效逆流降膜蒸發(fā)裝置,將離子膜電解產(chǎn)生的32%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的燒堿濃縮至50%。

1 燒堿蒸發(fā)原理及工藝流程

1.1蒸發(fā)原理

北元化工蒸發(fā)裝置采用三效逆流降膜蒸發(fā)工藝，蒸發(fā)加熱源為0.85～1.00 MPa的蒸汽。三效逆流降膜蒸發(fā)工藝核心在成膜蒸發(fā)，在蒸發(fā)濃縮過程中，由于形成的二次蒸汽的流速很高，將液體拉成一層薄膜，流動速度很快，故環(huán)狀流中有一個(gè)高速的蒸汽中心和一個(gè)流體環(huán)，氣液界面上受到高流速的蒸汽干擾，紊流程度劇烈，使壁面的傳熱機(jī)制由飽和泡核沸騰給熱轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^液膜的強(qiáng)制對流給熱。此時(shí)，熱量的傳遞方式也變?yōu)橥ㄟ^薄膜液層在液膜表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的蒸發(fā)，給熱系數(shù)很高。因此又稱為薄膜蒸發(fā)。這時(shí)，通常在液膜內(nèi)不再有氣泡產(chǎn)生，熱量主要通過液膜的導(dǎo)熱和液膜表面的蒸發(fā)進(jìn)行傳熱。

在膜式蒸發(fā)過程中，進(jìn)入蒸發(fā)器堿液流量的大小和加熱源的溫度直接影響成膜及膜的厚度，控制好進(jìn)入蒸發(fā)器中液體的流量及加熱源的溫度，在膜式蒸發(fā)過程中至關(guān)重要。若堿液流量過小，在降膜蒸發(fā)過程中，壁面液膜會出現(xiàn)斷裂變干，而且使給熱系數(shù)大大下降；堿液流量太大，而加熱源的溫度低，造成液體過熱度不足，達(dá)不到沸騰，不能形成降膜蒸發(fā)。

1.2工藝流程

32%堿液由電解工序的陰極液泵輸送至蒸發(fā)工序堿中間罐，由32%堿泵將堿液送至Ⅰ效降膜蒸發(fā)器，然后由各蒸發(fā)器堿液循環(huán)泵輸送至對應(yīng)Ⅱ效及Ⅲ效蒸發(fā)器；而蒸汽流向剛好與燒堿相反，Ⅲ效降膜蒸發(fā)器用蒸汽直接加熱，Ⅱ效降膜蒸發(fā)器用Ⅲ效蒸發(fā)器產(chǎn)生的二次蒸汽為加熱源，Ⅰ效降膜蒸發(fā)器用Ⅱ效蒸發(fā)器產(chǎn)生的二次蒸汽為加熱源，并在真空狀態(tài)下進(jìn)行(工藝流程如圖1所示)。

圖1 燒堿蒸發(fā)工藝流程示意圖

2 堿性冷凝水的回用

2.1堿性冷凝水的產(chǎn)生

32%燒堿在0.85～1.0 MPa蒸汽的加熱下，經(jīng)過三效蒸發(fā)器后得到50%的成品燒堿。在此過程中，隨著燒堿不斷濃縮，燒堿中的水分被蒸發(fā)后冷凝為液體即堿性冷凝水。北元化工蒸發(fā)裝置設(shè)計(jì)滿負(fù)荷出堿流量為67 m3/h(110%負(fù)荷為73 m3/h)，用32%堿生產(chǎn)1 m3的50%燒堿產(chǎn)生堿性冷凝水約0.8 m3，如果蒸發(fā)系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行，可產(chǎn)生約110 m3/h堿性冷凝水。

2.2堿性冷凝水回用至一次鹽水

合格的精制鹽水在離子膜電解槽陽極室電解后質(zhì)量濃度由308 g/L左右下降至220 g/L，而且出槽流量為進(jìn)槽流量的70%左右,因此，精鹽水在電解過程中消耗了大量的水，在化鹽過程中須補(bǔ)充水，以滿足正常生產(chǎn)的流量。2013年之前，北元化工蒸發(fā)裝置的堿性冷凝水回用至一次鹽水工序進(jìn)行化鹽，生產(chǎn)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)基本解決了堿性冷凝水外排的問題，同時(shí)減輕了污水處理的壓力。

2.3堿性冷凝水回用至藥劑配制

隨著系統(tǒng)生產(chǎn)瓶頸的逐漸解決，各裝置穩(wěn)定性逐步提高，生產(chǎn)裝置的產(chǎn)能得到了極大的提高，廢水排放及利用不平衡問題日益突出，不得不選擇部分廢水進(jìn)行排放。為減輕公司廢水處理的壓力，氯堿裝置選擇將較為潔凈的廢水排放，其中包含蒸發(fā)系統(tǒng)堿性冷凝水，這樣造成水資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，直接增加了燒堿的生產(chǎn)成本。針對水資源浪費(fèi)的問題，北元化工對用水裝置和排水點(diǎn)水質(zhì)進(jìn)行了分析對比。發(fā)現(xiàn)一次鹽水碳酸鈉、三氯化鐵和二次鹽水亞硫酸鈉配制對水質(zhì)無嚴(yán)格要求，故2014年北元化工將原設(shè)計(jì)使用純水配制藥劑改為蒸發(fā)系統(tǒng)堿性冷凝水。改造后，每天可節(jié)約純水約1 000 m3，同時(shí)降低了燒堿生產(chǎn)成本。

2.4堿性冷凝水回用至離子膜電解槽

隨著工業(yè)發(fā)展步伐的加快，國家對污染問題高度重視，廢水排放標(biāo)準(zhǔn)及管理越來越嚴(yán)格，故2015年北元化工通過對排放廢水及用水裝置的水質(zhì)要求進(jìn)行全面分析，優(yōu)化了工藝，并調(diào)整了廢水回用及排放。長期跟蹤分析對比發(fā)現(xiàn)，蒸發(fā)系統(tǒng)堿性冷凝水指標(biāo)與純水指標(biāo)相近(見表1)，在對用水pH值無嚴(yán)格要求的場合下，完全可以代替純水進(jìn)行回收利用。

表1數(shù)據(jù)是在蒸發(fā)裝置正常運(yùn)行，連續(xù)14天分析的結(jié)果。由表1可知：第11和第12組的堿性冷凝水pH值超標(biāo)，第4和第12組的堿性冷凝水電導(dǎo)率超標(biāo)，其余指標(biāo)均符合工業(yè)純水三級指標(biāo)要求，且堿性冷凝水pH值均偏高(堿性冷凝水中夾帶微量堿)，接近純水指標(biāo)要求的高限。結(jié)合北元化工的實(shí)際情況，將堿性冷凝水回用至離子膜電解槽，作為陰極液補(bǔ)水。此項(xiàng)目的提出為公司廢水平衡及生產(chǎn)成本的降低做出了極大的貢獻(xiàn)。

表1 堿性冷凝水與純水對比數(shù)據(jù)

2.5堿性冷凝水回用至氯化氫合成爐

正常運(yùn)行時(shí)，兩套40萬t/a蒸發(fā)裝置可產(chǎn)冷凝水約110 m3/h，而A、B、C、D這4條離子膜法燒堿生產(chǎn)線的陰極液補(bǔ)水消耗堿性冷凝水約96 m3/h，故仍有約14 m3/h堿性冷凝水外排，造成水資源的浪費(fèi)。北元化工氯化氫合成爐在降溫冷卻的過程中，用純水冷卻并部分轉(zhuǎn)化為0.25 MPa的蒸汽，蒸汽在閃蒸罐(鍋爐)內(nèi)產(chǎn)生。結(jié)合堿性冷凝水水質(zhì)及鍋爐用水要求，蒸發(fā)系統(tǒng)堿性冷凝水完全符合合成爐用水指標(biāo)，故將富余的堿性冷凝水全部用于氯化氫合成爐。此項(xiàng)目的改造投用，實(shí)現(xiàn)了蒸發(fā)堿性冷凝水零排放，全部作為純水回收利用。

3 堿性冷凝水回用效益分析

北元化工燒堿蒸發(fā)系統(tǒng)堿性冷凝水零排放回用經(jīng)歷了多次改造，分別回用于一次鹽水工序化鹽、藥劑配制、離子膜電解槽陰極補(bǔ)水以及氯化氫合成爐?；}和藥劑配制對水質(zhì)要求相對較低，可以采用其他工序的廢水。而將堿性冷凝水回用至離子膜電解槽和氯化氫合成爐，可以將堿性冷凝水全部回用，完全代替了純水；并且可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)不間斷回收：因此，這種回用方式更適合北元化工的生產(chǎn)現(xiàn)狀。根據(jù)北元化工的實(shí)際情況，堿性冷凝水回收利用效益核算如下(純水價(jià)格以10元/m3計(jì))。

當(dāng)20萬t/a離子膜電解槽單線運(yùn)行電流為14.85 kA時(shí)，電解槽陰極補(bǔ)水約為24 m3/h，則A、B、C、D這4條生產(chǎn)線運(yùn)行時(shí)消耗純水：24×4=96 (m3/h)。

自2015年1月離子膜電解槽陰極補(bǔ)水由純水改為堿性冷凝水后，每月可節(jié)約生產(chǎn)成本(每月按照30天計(jì)算)：

96×24×30×10=691 200(元)。

自2016年4月將富余的14 m3/h堿性冷凝水全部回用至氯化氫合成爐，每月可節(jié)約生產(chǎn)成本(每月按照30天計(jì)算)：

14×24×30×10=100 800(元)。

則自2016年4月開始堿性冷凝水回收利用項(xiàng)目每月可創(chuàng)造效益：

691 200+100 800=792 000(元)。

4 結(jié)語

北元化工將燒堿蒸發(fā)系統(tǒng)堿性冷凝水回用于離子膜電解槽和氯化氫合成爐，不僅解決了廢水排放的問題，同時(shí)減小了污水處理的壓力，而且變廢為寶，降低了燒堿的單耗，節(jié)約了生產(chǎn)成本，為公司帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。須注意的是：在使用過程中，加強(qiáng)對堿性冷凝水指標(biāo)的分析監(jiān)控，避免因堿性冷凝水指標(biāo)超標(biāo)而造成事故的發(fā)生。

[1] 張守特,趙軍軍,劉立勤.離子膜蒸發(fā)工序蒸汽冷凝水回收再利用，天津科技，2014(10):104-107.

[2] 石建明 ,劉昌盛 ,祝輝年.等，燒堿蒸發(fā)冷凝水的綜合回收利用[J].氯堿工業(yè) ,2016,52(12):41-43.