趙明恩 曾宇峰 劉人滔 王 瓊 李育亮

中國(guó)成達(dá)工程有限公司 成都 610041

燒堿溶液蒸發(fā)是指利用熱源(一般為蒸汽)間接加熱來(lái)提高堿液溫度，使燒堿溶液中的水分部分汽化，以提高燒堿溶液濃度的單元操作過(guò)程。離子膜燒堿電解工序生產(chǎn)出的燒堿溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)約32%，為了降低運(yùn)輸成本或滿(mǎn)足下游用戶(hù)需求，通常需要將堿液蒸發(fā)濃縮至50%[1]。

燒堿蒸發(fā)是一個(gè)高耗能的化工過(guò)程，我國(guó)燒堿產(chǎn)能約4600萬(wàn)t/a，按30%左右燒堿產(chǎn)能需配置堿液蒸發(fā)，消耗蒸汽700萬(wàn)t/a，折標(biāo)煤約90萬(wàn)t，標(biāo)煤二氧化碳排放系數(shù)2.54 t CO2/tce[2]，則產(chǎn)生了約230萬(wàn)t/a的二氧化碳排放。

為了降低能耗并減少碳排放，節(jié)約工廠(chǎng)運(yùn)行成本，本文將對(duì)影響燒堿蒸發(fā)蒸汽消耗的因素進(jìn)行理論定性分析，建立了燒堿三效逆流降膜蒸發(fā)的模擬流程，定量分析各因素對(duì)蒸汽消耗的影響程度，提出降低蒸汽消耗的建議。

1 蒸發(fā)汽耗的影響因素分析

1.1 三效逆流降膜蒸發(fā)流程簡(jiǎn)介

目前國(guó)內(nèi)堿液蒸發(fā)的主流技術(shù)為三效逆流降膜蒸發(fā)工藝，該工藝具有傳熱效率高、操作維護(hù)簡(jiǎn)單、汽耗低等優(yōu)點(diǎn)，工藝流程圖見(jiàn)圖1，

圖1 三效逆流降膜蒸發(fā)流程簡(jiǎn)圖

(1)堿液流程：來(lái)自電解工序的32%堿液依次通過(guò)三效、二效、一效降膜蒸發(fā)器(通入生蒸汽的蒸發(fā)器稱(chēng)為一效蒸發(fā)器，利用一效二次蒸汽作為加熱介質(zhì)的蒸發(fā)器稱(chēng)為二效蒸發(fā)器，利用二效二次蒸汽作為加熱介質(zhì)的蒸發(fā)器稱(chēng)為三效蒸發(fā)器)，堿液在蒸發(fā)管內(nèi)自上而下的降膜流動(dòng)，被蒸發(fā)器殼程的二次汽/生蒸汽逐級(jí)蒸發(fā)濃縮到36.5%、42%、50%。

(2)蒸汽流程：蒸汽與堿液流向相反，一效降膜蒸發(fā)器殼程的熱源為生蒸汽，一效堿液蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽作為二效降膜蒸發(fā)器的熱源，二效堿液蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽作為三效降膜蒸發(fā)器的熱源，三效堿液蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽送表面冷凝器，經(jīng)循環(huán)水冷凝后送出界區(qū)，二、三效蒸發(fā)器在真空工況下工作，系統(tǒng)真空度由真空泵機(jī)組維持。

(3)余熱回收流程：從一效管程出來(lái)的50%堿溫度較高，經(jīng)二級(jí)預(yù)熱器(1)預(yù)熱42%堿、一級(jí)預(yù)熱器(1)預(yù)熱32%堿后送出界區(qū)； 從一效殼程出來(lái)的生蒸汽冷凝液溫度較高，經(jīng)二級(jí)預(yù)熱器(2)預(yù)熱42%堿、一級(jí)預(yù)熱器(2)預(yù)熱32%堿后送出界區(qū)。

1.2 三效逆流降膜蒸發(fā)汽耗理論分析

1.2.1 物料衡算

對(duì)一、二、三效蒸發(fā)器堿液側(cè)進(jìn)行物料衡算：

(1)

(2)

(3)

式中，F(xiàn)0為32%堿液進(jìn)料流量，kg/h；F1為50%堿液產(chǎn)品出料流量，kg/h；F2為二效蒸發(fā)器出口堿液流量，kg/h；F3為三效蒸發(fā)器出口堿液流量，kg/h；X0為堿液進(jìn)料濃度；X1為一效蒸發(fā)器出口堿液濃度；X2為二效蒸發(fā)器出口堿液濃度；X3為三效蒸發(fā)器出口堿液濃度。

對(duì)生蒸汽側(cè)進(jìn)行物料衡算：

SG=SL

(4)

式中，SG為進(jìn)系統(tǒng)生蒸汽(氣相)流量，氣態(tài)，kg/h；SL為出系統(tǒng)生蒸汽凝液(液相)流量，液態(tài)，kg/h。

1.2.2 熱量衡算

將三效蒸發(fā)系統(tǒng)作為一個(gè)整體系統(tǒng)，假設(shè)系統(tǒng)熱損為0，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行熱量衡算：

SG×HSG+F0×HF0=W1,L×HW1,L+
W2,L×HW2,L+W3.G×HW3,G+SL×HSL+F1×HF1

(5)

將(1)(2)(3)(4)代入方程(5)，噸32%堿蒸汽單耗值SG/F0為：

(6)

式中,H下標(biāo)為下標(biāo)對(duì)應(yīng)物料的焓值，kJ/kg(例：HFo指的是堿液進(jìn)料的焓值，HSG指的生蒸汽的焓值，HW1,L指的出蒸發(fā)系統(tǒng)的一效蒸發(fā)器二次汽凝液焓值，HW3,G指的出蒸發(fā)系統(tǒng)的三效蒸發(fā)器二次汽焓值)；W1,L為出蒸發(fā)系統(tǒng)的一效蒸發(fā)器二次汽凝液流量，液態(tài)，kg/h；W2,L為出蒸發(fā)系統(tǒng)的二效蒸發(fā)器二次汽凝液流量，液態(tài)，kg/h；W3,G為出蒸發(fā)系統(tǒng)的三效蒸發(fā)器二次汽流量，氣態(tài)，kg/h。

在離子膜燒堿蒸發(fā)中，原料為電解工序送來(lái)的32%堿液，產(chǎn)品為50%堿液，則：

X0=0.32， X1=0.5

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，三效出口堿液濃度隨三效操作壓力變化而小幅變化，在36.2%～36.8%范圍內(nèi)波動(dòng)，二效出口堿液濃度隨二效操作壓力變化而小幅變化，在41.4%～42.2%范圍內(nèi)波動(dòng)；由于二三效出口濃度變化幅度小，對(duì)分析結(jié)果影響較小，為了簡(jiǎn)化公式，本文設(shè)定：

X2=0.418， X3=0.365

將X0- X4的值代入到公式(6)中，并將SG/F0換算成噸折百堿蒸汽單耗值SG/F：

(7)

式中，F(xiàn)為堿液流量(折100%)，kg/h。

1.2.3 蒸汽單耗影響因素定性分析

對(duì)公式(7)進(jìn)行分析，可以得知：

(1)一效二次汽凝液焓值(HW1,L)：一效二次汽凝液是飽和的，焓值取決于其溫度，而溫度又取決于一效操作壓力；一效操作壓力越低，一效二次汽凝液溫度越低，一效二次汽凝液焓值越小，公式(7)的分子值越小，蒸汽單耗越小，故降低一效操作壓力可減少蒸汽消耗。

(2)二效二次汽凝液焓值(HW2,L)：二效二次汽凝液是飽和的，焓值取決于其溫度，而溫度又取決于二效操作壓力；二效操作壓力越低，二效二次汽凝液溫度越低，二效二次汽凝液焓值越小，公式(7)的分子值越小，蒸汽單耗越小，故降低二效操作壓力可減少蒸汽消耗。

(3)三效二次汽焓值(HW3,G)：因?yàn)榇嬖诜悬c(diǎn)升高現(xiàn)象，所以三效二次汽是過(guò)熱的，焓值取決于其溫度和壓力。因三效二次汽溫度取決于堿液濃度和三效操作壓力，三效堿液濃度大致為36.2%～36.8%，變化幅度很小，可以忽略其影響，故三效二次汽焓值主要取決于三效操作壓力；三效操作壓力越低，三效二次汽凝液焓值越小，公式(7)的分子值越小，蒸汽單耗越小，故降低三效操作壓力可減少蒸汽消耗。

(4)出系統(tǒng)50%堿焓值(HF1)：50%堿焓值取其溫度，溫度越高，50%堿焓值大，公式(7)的分子值越小，蒸汽單耗越大，故回收50%堿余熱，降低出系統(tǒng)50%堿溫度可減少蒸汽消耗。

(5)進(jìn)系統(tǒng)32%堿焓值(HF0)：32%堿焓值取其溫度，溫度越高，32%堿焓值大，公式(7)的分子值越小，蒸汽單耗越小，故提升32%堿進(jìn)料溫度可減少蒸汽消耗。

(6)生蒸汽焓值(HSG)：因?yàn)樯羝秋柡偷?，其焓值取決于溫度，而飽和蒸汽溫度又取決于其壓力；生蒸汽壓力越高，生蒸汽溫度越高，生蒸汽焓值越大，公式(7)的分母值越大，蒸汽單耗越小，故提高生蒸汽壓力可減少蒸汽消耗。

(7)生蒸汽凝液焓值(HSL)：因?yàn)樯羝浩潇手等Q于溫度，生蒸汽凝液溫度越低，生蒸汽焓值越小，公式(7)的分母值越大，蒸汽單耗越小，故降低生蒸汽凝液溫度可減少蒸汽消耗。

對(duì)公式(7)的分子中各項(xiàng)進(jìn)行分析：①HW1,L、HW2,L、HW3,G系數(shù)相差不大，蒸汽焓值遠(yuǎn)大于蒸汽凝液焓值，即HW3,G的值遠(yuǎn)大于HW1,L和HW2,L的值；②HW1,L、HW2,L、HF1、HF0值相差不大，而HF1、HF0系數(shù)為0.64和-1，遠(yuǎn)大于HW1,L、HW2,L、HW3,G的系數(shù)0.126、0.111和0.123；故較于一效壓力和二效操作壓力，三效壓力、進(jìn)系統(tǒng)32%堿溫度、出系統(tǒng)50%堿溫度對(duì)蒸汽單耗的影響更為顯著。

對(duì)公式(7)的分母中各項(xiàng)進(jìn)行分析：依據(jù)水及水蒸氣性質(zhì)表[3]，生蒸汽的焓值HSG隨壓力變化趨勢(shì)較緩；而生蒸汽凝液焓值HSL隨溫度變化趨勢(shì)較快；故相較于生蒸汽壓力出系統(tǒng)生蒸汽凝液對(duì)蒸汽單耗的影響更為顯著。

1.2.4 降低蒸汽單耗的途徑

根據(jù)如上分析，降低燒堿三效逆流降膜蒸發(fā)蒸汽單耗的四個(gè)途徑如下：

(1)降低三效操作壓力。

(2)回收50%堿余熱，降低出系統(tǒng)的50%堿產(chǎn)品溫度。

(3)回收生蒸汽凝液余熱，降低出系統(tǒng)的生蒸汽凝液出口溫度。

(4)做好電解到蒸發(fā)堿液管道和設(shè)備的保溫，提高進(jìn)堿溫度。

2 三效逆流降膜蒸發(fā)汽耗的流程模擬

為了驗(yàn)證上述理論分析的準(zhǔn)確性和可靠性，本文利用Aspen Plus V10軟件，建立堿液三效逆流降膜蒸發(fā)的模擬流程，并定量分析各因素對(duì)汽耗影響的顯著程度。

2.1 模擬流程建立

利用Aspen Plus V10中的HeatX、Flash2、FSplit和Mixer等模塊，建立堿液三效逆流降膜蒸發(fā)模擬模型，模型示意見(jiàn)圖2。

2.2 物性修正

在模擬計(jì)算前核對(duì)了Aspen Plus V10自帶物性數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)自帶物性數(shù)據(jù)中高濃度堿液比熱偏差較大。例如相較于文獻(xiàn)[3]報(bào)道的物性數(shù)據(jù)，Aspen Plus V10自帶物性數(shù)據(jù)中50%堿液比熱偏差約8%～20%。工廠(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)汽耗為510～540 kg/t堿，而依據(jù)自帶物性模擬計(jì)算汽耗僅為450～480 kg/t堿，汽耗計(jì)算結(jié)果偏差較大。

本文對(duì)Aspen Plus V10自帶數(shù)據(jù)庫(kù)的物性方法和物性數(shù)據(jù)進(jìn)行了修正，同文獻(xiàn)[3]數(shù)據(jù)對(duì)比，修正后堿液比熱偏差大都在2%以?xún)?nèi)。修正前后的堿液比熱對(duì)比見(jiàn)表1。

同時(shí),對(duì)物性修正后堿液沸點(diǎn)進(jìn)行了核對(duì)，在三效蒸發(fā)操作點(diǎn)附近，同引進(jìn)工藝專(zhuān)利商提供的數(shù)據(jù)對(duì)比，修正后堿液沸點(diǎn)偏差大都在3%以?xún)?nèi)，說(shuō)明修正后物性基本準(zhǔn)確，計(jì)算精度滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)要求。

2.3 汽耗影響因素研究

以30萬(wàn)t/a燒堿裝置為例，采用圖2所示的流程和修正后的物性，模擬計(jì)算了生蒸汽壓力、一效壓力、二效壓力、三效壓力、進(jìn)堿溫度、一級(jí)預(yù)熱器終端溫差等因素對(duì)蒸汽消耗的影響。

圖2 三效逆流降膜蒸發(fā)流程模型圖

表1 修正前后50%堿液比熱偏差對(duì)比表

年操作時(shí)間取8000小時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一效蒸發(fā)器總熱損取3‰，二、三效總熱損值各取2‰，其余基準(zhǔn)的操作參數(shù)取值見(jiàn)表2，在基準(zhǔn)操作參數(shù)下，蒸汽消耗的計(jì)算結(jié)果為516.5kg /t堿。

表2 基準(zhǔn)操作參數(shù)表

2.3.1 生蒸汽壓力

在表2中其他參數(shù)不變的前提下，通過(guò)改變生蒸汽壓力(蒸汽溫度為對(duì)應(yīng)壓力下的飽和溫度)，來(lái)分析生蒸汽壓力對(duì)蒸汽消耗的影響，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 生蒸汽壓力與蒸汽消耗的關(guān)系圖

由圖3可知：蒸汽消耗隨著生蒸汽壓力升高而小幅降低；生蒸汽壓力由800kPa(A)升高到1400kPa(A)時(shí)，蒸汽消耗由517.9kg/t堿降低到514.4kg/t堿，降幅約0.68%，說(shuō)明生蒸汽壓力對(duì)汽耗影響不顯著。

2.3.2 一效操作壓力

在表2中其他參數(shù)不變的前提下，通過(guò)改變一效降膜蒸發(fā)器操作壓力，來(lái)分析一效操作壓力對(duì)蒸汽消耗的影響，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 一效操作壓力與蒸汽消耗的關(guān)系圖

由圖4可知：蒸汽消耗隨著一效壓力升高而小幅升高；一效壓力由170kPa(A)升高到260kPa(A)時(shí)，蒸汽消耗由516.0kg/t堿升高到517.9kg/t堿，升幅約0.37%，說(shuō)明一效壓力對(duì)汽耗影響并不顯著。

2.3.3 二效操作壓力

在表2中其他參數(shù)不變的前提下，通過(guò)改變二降膜蒸發(fā)器操作壓力，來(lái)分析二效操作壓力對(duì)蒸汽消耗的影響，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 二效操作壓力與蒸汽消耗的關(guān)系圖

由圖5可知：蒸汽消耗隨著二效壓力升高而升高；二效壓力由30kPa(A)升高到60kPa(A)時(shí)，蒸汽消耗由509.5kg/t堿升高到519.3kg/t堿，升幅約1.92%，說(shuō)明二效壓力對(duì)汽耗有一定的影響。

2.3.4 三效操作壓力

在表2中其他參數(shù)不變的前提下，通過(guò)改變?nèi)的ふ舭l(fā)器操作壓力，來(lái)分析三效操作壓力對(duì)蒸汽消耗的影響，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 三效操作壓力與蒸汽消耗的關(guān)系圖

由圖6可知：蒸汽消耗隨著三效壓力升高而升高； 三效壓力由8kPa(A)升高到13kPa(A)時(shí)，蒸汽消耗由510.6kg/t堿升高到523.9kg/t堿，升幅約2.60%，說(shuō)明三效壓力對(duì)汽耗有影響較為明顯。

2.3.5 一級(jí)預(yù)熱器終端溫差

在表2中其他輸入條件不變的前提下，通過(guò)改變一級(jí)預(yù)熱器終端溫差，來(lái)分析一級(jí)預(yù)熱器終端溫差對(duì)蒸汽消耗的影響，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 一級(jí)預(yù)熱器終端溫差對(duì)與蒸汽消耗的關(guān)系圖

由圖7可知：蒸汽消耗隨著一級(jí)預(yù)熱器終端溫差升高而大幅升高；終端溫差由5℃升高到15℃時(shí)，蒸汽消耗由503.5kg/t堿升高到530.3kg/t堿，升幅約5.26%，說(shuō)明預(yù)熱器終端溫差對(duì)汽耗有顯著影響。

2.3.6 進(jìn)堿溫度

在表2中其他參數(shù)不變的前提下，通過(guò)改變進(jìn)料32%堿液的溫度(以下簡(jiǎn)稱(chēng)進(jìn)堿溫度)，來(lái)分析進(jìn)堿溫度對(duì)蒸汽消耗的影響，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 進(jìn)料堿液溫度與蒸汽消耗的關(guān)系圖

由圖8可知：蒸汽消耗隨著進(jìn)堿溫度的升高而大幅降低；進(jìn)堿溫度由70℃升高到85℃時(shí)，蒸汽消耗由525.9kg/t堿降低到到498.1kg/t堿，降幅約5.29%，說(shuō)明進(jìn)料32%堿溫度對(duì)汽耗有顯著影響。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)影響燒堿蒸發(fā)汽耗的各因素進(jìn)行了理論分析，并利用Aspen Plus建立了燒堿三效逆流降膜蒸發(fā)的模擬流程，驗(yàn)證了理論分析的結(jié)論，并對(duì)各因素對(duì)汽耗的影響顯著程度進(jìn)行了定量分析，總結(jié)如下：

(1)生蒸汽壓力對(duì)汽耗影響不明顯，但生蒸汽壓力對(duì)設(shè)備生產(chǎn)能力和設(shè)備投資影響顯著；這是因?yàn)樯羝麎毫ι邥?huì)使一效蒸發(fā)器溫差變大，使得同等生產(chǎn)能力條件下一效蒸發(fā)器所需換熱面積會(huì)更小，或同等換熱面積條件下一效蒸發(fā)器生產(chǎn)能力會(huì)更大。

(2)一效壓力對(duì)汽耗影響不明顯，但一效壓力對(duì)一效和二效溫差影響顯著，一效壓力越高，一效所需換熱面積越大，二效所需換熱面積越??；工程設(shè)計(jì)時(shí)需綜合考慮，取多個(gè)方案開(kāi)展初步設(shè)計(jì)和比選，并從中選定一個(gè)全局最優(yōu)的方案。

(3)二效壓力對(duì)汽耗影響較為明顯，二效壓力越低，蒸汽消耗越低；并且二效壓力對(duì)二效和三效溫差有影響，二效壓力越低，則二效溫差越大，二效所需換熱面積越小，三效溫差越小，三效所需換熱面積越大。因二效一般選鎳材，三效一般為不銹鋼，故降低二效壓力可降低總體投資，故在工程設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在滿(mǎn)足三效溫差前提下，盡可能降低二效壓力。

(4)三效壓力對(duì)汽耗影響顯著，三效壓力越低，蒸汽消耗越低；在循環(huán)回水溫度約40℃的情況下，三效壓力不應(yīng)低于8kPa(A)，否則會(huì)出現(xiàn)循環(huán)水無(wú)法冷凝二次汽的情況。

(5)一級(jí)預(yù)熱器終端溫差對(duì)汽耗影響顯著，終端溫差越低，蒸汽消耗越低；但終端溫差低意味著一級(jí)預(yù)熱器需要更大的換熱面積，且進(jìn)二效的36%堿液有過(guò)熱(即在堿液管道內(nèi)會(huì)汽化)的風(fēng)險(xiǎn)，過(guò)熱造成管道設(shè)備震動(dòng)和局部腐蝕，影響二效的換熱效率，且有一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。

(6)進(jìn)堿溫度對(duì)汽耗影響顯著，進(jìn)堿溫度越高，蒸汽消耗越低；因此，做好電解工序到蒸發(fā)工序間管道和設(shè)備保溫可有效降低蒸汽消耗。

總體來(lái)說(shuō)，燒堿三效蒸發(fā)單元各個(gè)操作參數(shù)環(huán)環(huán)相扣，且同蒸汽消耗或設(shè)備投資息息相關(guān)，工程設(shè)計(jì)及工廠(chǎng)運(yùn)行時(shí)不應(yīng)千篇一律，不應(yīng)局限一組特定的操作參數(shù)，要綜合考慮生產(chǎn)規(guī)模、能源價(jià)格(蒸汽、電)、材料價(jià)格(鎳、不銹鋼)、季節(jié)情況(冬夏)、氣候條件(大氣壓、氣溫)等因素，因地制宜、因時(shí)制宜地開(kāi)展設(shè)計(jì)或生產(chǎn)操作，以期達(dá)到投資及運(yùn)行成本最優(yōu)的目標(biāo)。