梁寅祥，聶方超，劉 偉，張金豹

（陜西金泰氯堿化工有限公司，陜西 榆林718100）

陜西金泰氯堿化工有限公司（以下簡稱“金泰氯堿”）2 萬t/a 片堿裝置，是原西安化工廠引進(jìn)瑞士博特（Bertrams）公司的一套片堿裝置，采用先進(jìn)的降膜蒸發(fā)、濃縮和制片技術(shù)。該裝置自2004 年年初整體搬遷開始進(jìn)行土建施工，2006 年6 月50%蒸發(fā)裝置建成投產(chǎn)，濃縮、制片系統(tǒng)于2006 年12 月中旬調(diào)試完成，12 月21 日投產(chǎn)，投料試車成功。

1 工藝流程

從電解工序過來的32%離子膜液堿，由Ⅰ效降膜蒸發(fā)器頂部進(jìn)入，經(jīng)過真空泵抽負(fù)壓在-80 kPa左右，使其在70 ℃左右產(chǎn)生急劇沸騰，同時與Ⅱ效降膜蒸發(fā)器和最終降膜濃縮氣所產(chǎn)生的二次蒸汽進(jìn)行熱交換，沸騰蒸發(fā)至38%，加熱后Ⅰ效降膜蒸發(fā)器所產(chǎn)生的二次蒸汽直接進(jìn)入表面冷凝器冷凝。

由Ⅰ效降膜蒸發(fā)器底部流出來的38%液堿經(jīng)由堿泵送至換熱器預(yù)熱到130 ℃后，再送到Ⅱ效降膜蒸發(fā)器頂部，在壓力為0.7 MPa 的原始蒸汽加熱下，溫度加熱到143.5 ℃，從Ⅱ效降膜蒸發(fā)器底部出來的液堿濃度被蒸發(fā)到50%。原始蒸汽冷凝液經(jīng)由換熱器給38%堿預(yù)熱，經(jīng)過堿泵，一部分50%的液堿經(jīng)由另一換熱器給38%堿預(yù)熱后，溫度冷卻到50℃，直接作為成品堿銷售。

從Ⅱ效降膜蒸發(fā)器過來的50%液堿，另一部分經(jīng)過加入5%的蔗糖溶液，直接送到最終降膜濃縮器進(jìn)行濃縮，最終降膜濃縮器的液堿在420 ℃熔鹽的高溫濃縮下，被濃縮到99.5%左右，經(jīng)由密封罐，在重力作用下自流進(jìn)入片堿機(jī)浸槽，形成液面，片堿機(jī)轉(zhuǎn)鼓在電機(jī)的帶動下旋轉(zhuǎn)，在片堿機(jī)轉(zhuǎn)鼓表面形成厚度為1 mm 左右的堿膜，在固定緊貼在轉(zhuǎn)鼓上刮刀的作用下，堿膜被制成片狀燒堿，經(jīng)由片堿溜槽，包裝稱通過光感包裝成袋，經(jīng)由皮帶送到碼垛崗位碼垛，送入庫房銷售。2 萬t/a 片堿裝置工藝流程示意圖見圖1。

圖1 2 萬t/a片堿裝置工藝流程示意圖

2 影響蒸汽消耗的因素

2.1 原堿（電解堿）液濃度與溫度

離子膜制堿電解堿液濃度一般都控制在32%～33%。通常在電解停車洗槽排液時，會產(chǎn)生濃度低于30%的不合格廢堿，原堿濃度的降低，增加了蒸發(fā)蒸汽的消耗。離子膜制堿電解槽出堿液溫度一般控制在80～90 ℃，在電解低負(fù)荷運行期間，電解槽電流低于10 kA 時，32%堿液溫度低于80 ℃。蒸汽的消耗和原堿溫度的高低成反比關(guān)系，原堿溫度越高，蒸汽單耗越低，原堿溫度越低，蒸汽單耗越高。

廠房設(shè)計因素也能影響液堿溫度的高低，由于固堿工序處在離子膜制堿企業(yè)的末端，許多工廠電解工序與固堿蒸發(fā)并不在一起，中間常設(shè)有堿液中間貯槽，這樣使實際進(jìn)入蒸發(fā)器的堿液溫度下降，從而增加了能源消耗。金泰氯堿一線電解槽出來的32%堿先進(jìn)入循環(huán)槽，然后通過堿液循環(huán)泵輸送至堿液中間槽，再經(jīng)過中間泵送至固堿工序液堿槽。新上二線離子膜制堿去掉中間槽，通過循環(huán)泵直接送至蒸發(fā)工序液堿槽。

2.2 蒸發(fā)器的效數(shù)

蒸發(fā)器的效數(shù)是決定蒸汽消耗最重要的因素之一，采用多效蒸發(fā)是降低蒸汽消耗的重要途徑，蒸發(fā)器的效數(shù)與原始蒸汽消耗的關(guān)系見表1。隨著效數(shù)的增加對蒸汽消耗的影響在逐步遞減，三效蒸發(fā)相較雙效蒸發(fā)工藝蒸汽消耗沒有明顯優(yōu)勢，加上受到設(shè)備投資的制約，在離子膜電解蒸發(fā)工藝中，雙效逆流降膜蒸發(fā)工藝仍然占據(jù)主流地位。

表1 蒸發(fā)器的效數(shù)與原始蒸汽消耗的關(guān)系（50%堿為例）

2.3 原始蒸汽的溫度與壓力

蒸汽是堿液蒸發(fā)的主要熱源，原始蒸汽溫度和壓力的高低，對蒸發(fā)能力有很大的影響。通常，較高的原始蒸汽壓力，使系統(tǒng)獲得較大的溫差，單位時間所傳遞的熱量也相應(yīng)增加，因而也使裝置具有較大的生產(chǎn)能力。蒸汽壓力與溫度也不能過高，因為過高的蒸汽壓力容易使降膜管內(nèi)堿液溫度上升過高，造成液體在管內(nèi)劇烈沸騰，形成汽膜，降低了傳熱系數(shù)，反而使裝置能力受到影響。原始蒸汽來自該公司自備電站汽輪發(fā)電機(jī)三段抽汽，供汽壓力0.85 MPa，供汽溫度300 ℃。同樣，蒸汽溫度、壓力偏低，經(jīng)過降膜蒸發(fā)器的堿液不能達(dá)到需要的溫度，減少了單位時間內(nèi)的蒸發(fā)量，使蒸發(fā)強(qiáng)度降低。因此，選擇適宜的蒸汽壓力是保證蒸發(fā)強(qiáng)度的重要因素。另外，保持蒸汽的飽和度也是至關(guān)重要的，因為飽和蒸汽的冷凝潛熱為其提供最大的熱量；再則，保持蒸汽壓力的穩(wěn)定也是保持操作平穩(wěn)的主要因素之一，因為加熱蒸汽壓力的波動，會使蒸發(fā)過程不穩(wěn)定，從而直接影響進(jìn)出口物料的濃度、溫度，間接影響降膜蒸發(fā)器的液位、真空度及產(chǎn)品質(zhì)量等。

2.4 蒸發(fā)器的液位控制

在降膜蒸發(fā)器的蒸發(fā)過程中，降膜蒸發(fā)器維持恒定的液位，是穩(wěn)定蒸發(fā)操作的必要條件。因為液位高度的變化，會造成靜壓頭的變化，使蒸發(fā)過程變得極不穩(wěn)定，液位高度低，蒸發(fā)及閃蒸劇烈，夾帶嚴(yán)重，使蒸氣冷凝器下水帶堿，甚至跑堿，液位過高，會使蒸發(fā)量減小，進(jìn)加熱室的料液溫度增高，降低了傳熱有效溫差，最終導(dǎo)致蒸發(fā)能力下降。因此，穩(wěn)定液位是提高降膜蒸發(fā)器蒸發(fā)能力、降低堿損失、降低汽耗的重要環(huán)節(jié)之一。

2.5 真空度

真空度是蒸發(fā)過程中一個重要的控制指標(biāo)，是在現(xiàn)有裝置中挖掘，提高蒸發(fā)能力，降低汽耗的重要途徑。提高真空度的途徑之一是降低表面冷凝器下水溫度，即降低其飽和蒸汽壓，但水溫過低，耗水量過大，會造成成本升高。一般控制水溫在28～40 ℃。提高真空度的另一途徑就是最大限度的排除不凝氣體。通常的辦法是：（1）采用水環(huán)真空泵；（2）采用蒸汽噴射泵；（3）采用水噴射器。這3 種辦法中以方法（1）、（2）較佳，方法（3）因為受水壓力的影響，很難獲得較高的真空度。采用蒸汽噴射泵排除不疑氣體，這種方法在國外蒸發(fā)流程中被廣泛的運用，真空度一般可達(dá)到90.7～96.0 kPa。在國內(nèi)蒸發(fā)流程中被廣泛的使用，金泰氯堿采用水環(huán)真空泵其真空度在88.0～90.0 kPa。真空度與蒸汽飽和溫度的平衡關(guān)系表見表2。

表2 真空度與蒸汽飽合溫度的平衡關(guān)系表

2.6 產(chǎn)品堿液濃度

按照市場要求的商品規(guī)格，嚴(yán)格控制蒸發(fā)的完成液濃度，是在保證產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的前提下，減少蒸發(fā)汽耗的手段之一，同時也可降低高濃度堿對設(shè)備的腐蝕。通常，國內(nèi)的產(chǎn)品規(guī)格為42%、45%及50%3 種。其中50%堿因運輸成本低、節(jié)約場地等優(yōu)點，再加上經(jīng)過降溫冷卻后對設(shè)備的腐蝕降至可以接受的范圍，因此占據(jù)市場主導(dǎo)地位。

2.7 汽液分離器

汽液分離器是蒸發(fā)過程的一種輔助設(shè)備，往往被人忽視，但其性能的好壞，對蒸發(fā)汽耗產(chǎn)生相當(dāng)大的影響。在蒸發(fā)過程中，大量蒸汽在加熱器內(nèi)冷凝，需要及時排出，否則不但阻礙傳熱，而且還會造成水錘，影響安全生產(chǎn)。使凝水能順利排出，又不帶走蒸汽的設(shè)備就是汽液分離器。汽液分離器性能的好壞，不僅影響蒸發(fā)器能力的發(fā)揮和正常使用，也直接與蒸汽消耗的高低有關(guān)。因為汽液分離器分離不好，跑汽、漏汽現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，造成大量蒸汽的流失，使汽耗升高，相反，汽液分離很好、但凝水排放不暢，將直接影響蒸發(fā)能力與安全生產(chǎn)。所以設(shè)計選用合適的汽液分離器是不容忽視的問題，目前常用的汽液分離器類型有偏心熱動式、浮子桿式及液面自控式3 種，用于蒸發(fā)裝置的大多為后2 種。

2.8 熱損失

蒸發(fā)過程是一個傳熱過程，不可避免會有熱的損失。這種熱損失主要是通過系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備和管道的表面向外界散失熱量以及蒸汽等物料熱能沒有充分的被利用就排出而造成的熱損失。通常，前者占2%～5%，后者占10%～20%甚至更多。因此，一方面選擇優(yōu)質(zhì)價廉的保溫材料減少散熱損失；另一方面，最充分有效的利用介入蒸發(fā)系統(tǒng)的所有熱物料的能量，最大限度的加以利用、減少流失，使排出系統(tǒng)的各種物料帶走最小的熱量，這些都是降低蒸汽消耗的重要途徑。

2.9 運行方式

固堿工序分蒸發(fā)部分和濃縮部分，該公司可根據(jù)市場的需求，結(jié)合企業(yè)自身的實際情況，靈活調(diào)整生產(chǎn)運行方式。運行方式有2 種，一種是只開蒸發(fā)單元，生產(chǎn)濃度為50%成品液堿；另一種是蒸發(fā)和濃縮同時運行，生產(chǎn)99%片狀固堿。

（1）方式一。32%NaOH 經(jīng)過雙效逆流降膜蒸發(fā)工藝蒸發(fā)成50%的成品液堿，2 萬t/a蒸發(fā)裝置二次蒸汽產(chǎn)生量為：2 萬t×（1/32%～1/50%）=2.25（萬t），二次蒸汽至Ⅰ效降膜蒸發(fā)器，Ⅰ效降膜蒸發(fā)器出堿濃度38%。

（2）方式二。32%NaOH 經(jīng)過雙效逆流降膜蒸發(fā)50%的液堿，再通過降膜濃縮成濃度大于99%的熔融堿，2 萬t/a固堿裝置產(chǎn)生的二次蒸汽量為：2 萬t×（1/32%-1/99.1%）≈4.232（萬t），Ⅰ效降膜蒸發(fā)器出堿濃度42%。

因運行方式不同，產(chǎn)生的二次蒸汽量不同，Ⅰ效降膜蒸發(fā)器出堿濃度也不相同，所以運行方式也是影響蒸汽消耗的因素之一。

2.1 0 二次汽冷凝液的利用

2 萬t/a 片堿裝置產(chǎn)生的二次蒸汽冷凝液為4.232 萬t/a。這部分冷凝液經(jīng)冷卻降溫后，少部分替代純水作為機(jī)封冷卻水再利用，多余的冷凝液送往離子膜制堿工序，替代電解陰極液稀釋純水，1 t 純水成本價在10 元，每年僅純水消耗費用就可節(jié)省42 萬元。二次蒸汽冷凝液pH 值一般在9.0～11.0，用于電解陰極系統(tǒng)加水，既節(jié)約了純水消耗，又減少了堿損，可謂一舉多得。

3 濃縮系統(tǒng)設(shè)備的防腐

在片堿生產(chǎn)中，蒸發(fā)部分介質(zhì)走堿的設(shè)備管線，普遍使用不銹鋼材質(zhì)。濃縮部分高溫的液堿對鎳設(shè)備有一定的腐蝕性，腐蝕的主要原因是堿液中所含氯酸鹽在250 ℃以上時會逐步分解，并放出新生態(tài)氧與鎳材發(fā)生反應(yīng)，并生成氧化鎳層。氧化鎳易溶于濃堿中而被帶走，這樣的過程在濃堿蒸發(fā)中反復(fù)的進(jìn)行，從而導(dǎo)致鎳制設(shè)備的腐蝕損壞。離子膜堿液含氯酸鹽不高，一般在20～30 mg/L，但為了延長設(shè)備的使用壽命，仍需要除去。金泰氯堿采用在50%液堿中加入蔗糖溶液。這種方法比其他方法如離子交換法、亞硫酸鈉法等要優(yōu)越的多，主要原因是操作簡單，無須增加許多設(shè)備，并且蔗糖資源易得，屬于可再生資源，而且價格低廉[1]。

反應(yīng)原理為：

生成的CO2立即與NaOH 反應(yīng)

為增加對鎳材的保護(hù)，生產(chǎn)中實際加入糖量為理論的2 倍，也有的甚至是建議值的4～6 倍，這樣會使反應(yīng)進(jìn)行的很完全。由于在反應(yīng)過程中產(chǎn)生二氧化碳，因此在產(chǎn)品中碳酸鈉的含量會增加一些，同時也增加產(chǎn)品中的氯化鈉含量。盡管如此，也不會影響產(chǎn)品質(zhì)量，所以對于加糖寧多勿少。另外負(fù)荷的高低對降膜管腐蝕影響也不容小覷，進(jìn)液流量最低不可低于額定負(fù)荷的70%。停車期間對鎳設(shè)備、管線內(nèi)通入氮氣保護(hù)也非常重要。

4 影響熔鹽使用壽命的因素

最終降膜濃縮器的載熱體通常采用熔鹽，這是一種由化學(xué)純硝酸鹽混合物組成的，它的成分為硝酸鉀53%、亞硝酸鈉40%、硝酸鈉7%。這種熔融鹽金屬硝酸鹽混合物具有均熱性、導(dǎo)熱性、流動性及化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點，被氯堿工業(yè)廣泛采用。這一特定配方又稱為HTS，HTS 的熔點為142.2 ℃，溫度的升高會加速熔鹽的分解以及設(shè)備管線的腐蝕。熔鹽的分解反應(yīng)主要是亞硝酸鈉的分解：

單鹽的分解溫度依次為：KNO3，550 ℃；NaNO3，535 ℃；NaNO2，430 ℃；而混合鹽的熱穩(wěn)定性優(yōu)于起單純鹽，HTS 在427 ℃以下非常穩(wěn)定，可使用多年而不變質(zhì)，并且對碳鋼或不銹鋼的腐蝕較輕。450 ℃以上開始有緩慢的分解，550 ℃以上分解速度加快，600 ℃以上則明顯分解，同時熔點升高，顏色從透明的琥珀色液體變成棕黑色液體。

為減少熔鹽中的NaNO2的氧化分解，延長熔鹽的使用壽命，主要采取以下措施：（1）熔鹽溫度控制在427 ℃以下。（2）熔鹽貯槽用氮氣密封覆蓋。

通過這些措施，熔鹽使用壽命較長，一般可達(dá)三五年不更換。熔鹽的熔點會隨時間的推移慢慢升高，熔點應(yīng)低于供應(yīng)熔鹽槽熔鹽加熱融化蒸汽10 ℃以上，長時間停用后，每次起用前應(yīng)該做對熔鹽的組分進(jìn)行分析，熔鹽的分解與表面材料互有影響，在碳鋼和低合金鋼中比不銹鋼設(shè)備中的分解更為明顯，鐵能奪取硝酸鹽中的氧。溫度過高時，硝酸鹽分解放出氧氣，加速反應(yīng)并腐蝕管道與設(shè)備。當(dāng)KNO3過熱時，與鐵或鑄鐵產(chǎn)生激烈的放熱反應(yīng)，有爆炸的危險。所以熔鹽系統(tǒng)的管道一般宜采用不銹鋼，如使用碳鋼（低碳鋼），應(yīng)控制溫度在450 ℃以下。熔鹽是一種強(qiáng)氧化劑，使用中不得混入碳粉、焦碳、木屑、布片、紙張、有機(jī)物及鋁屑等，否則會引起爆炸。

5 煙道氣組分和溫度的控制與利用

5.1 煙道氣組分和溫度的控制

來自助燃空氣預(yù)熱器的煙道氣組成及性質(zhì)表見表3。

表3 煙道氣組成及性質(zhì)表

通常煙道氣的氧含量和煙道氣的排煙溫度成反比，氧氣含量的高低，決定燃料的燃燒是否充分，氧氣含量小于1%時，說明助燃空氣量偏小，燃料燃燒不充分，造成資源浪費；氧含量大于2%時，說明助燃空氣量偏高，多余的空氣帶走更多的熱能，也會增加燃料的消耗造成資源浪費。

5.2 煙道氣中CO2 的利用

利用煙道氣中的CO2與NaOH 反應(yīng)生成Na2CO3供一次鹽水工序使用，除去Ca2+。一次鹽水精制中噸堿消耗碳酸鈉22 kg，22 萬t/a 裝置鹽水工序每年消耗碳酸鈉4 840 t，碳酸鈉按當(dāng)前市場價1 950 元/t算，每年該公司采購碳酸鈉費用在943 萬元。每生產(chǎn)1 t 碳酸鈉消耗32%氫氧化鈉0.38 t。32%氫氧化鈉折百出廠價3 000 元/t 計算，每生產(chǎn)1 t 碳酸鈉32%氫氧化鈉費用1 140 元，每生產(chǎn)1 t 碳酸鈉可以節(jié)約810 元，

6 熔鹽加熱爐燃料的選擇

燃料占固堿生產(chǎn)成本的8%左右，僅次于32%液堿成本，所以選擇經(jīng)濟(jì)的燃料，對降低生產(chǎn)成本尤為重要。關(guān)于固堿熔鹽加熱裝置燃料的選擇問題，各企業(yè)根據(jù)自己的具體情況不同，分別甄選適合自己的燃料。粒堿燃燒爐燃料成本單耗對照表見表4。

表4 粒堿燃燒爐燃料成本單耗對照表

從表4 得知，選用LPG 作燃料相對而言產(chǎn)品成本較高，投資大，占地廣；選用煙煤作燃料的裝置工藝流程復(fù)雜，崗位多、員工勞動強(qiáng)度大；選用天然氣作燃料投資少、占地少、安全性高、成本低，目前天然氣大規(guī)模用于工業(yè)生產(chǎn)尚未推廣。在有條件的企業(yè)選用密閉電石爐尾氣做燃料無疑是最環(huán)保、最高效、最理想的燃料，不僅給企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且有效減少了企業(yè)對大氣的污染，實現(xiàn)清潔生產(chǎn)。

7 結(jié)語

影響固堿生產(chǎn)成本的因素是多方面的，離子膜電解電流效率即交流電耗，是決定固堿生產(chǎn)成本的主要因素，除原堿液電耗外，綜合概括起來還有燃料單耗、蒸汽單耗、設(shè)備的防腐與折舊、熔鹽的使用壽命及堿損控制等因素。