馬 巖 瞿尚君

(金川鎳鈷研究設計院， 甘肅 金昌 737100)

15萬t/a亞硫酸鈉續(xù)建項目的設計優(yōu)化與生產(chǎn)實踐

馬 巖 瞿尚君

(金川鎳鈷研究設計院， 甘肅 金昌 737100)

在原2萬t/a亞硫酸鈉生產(chǎn)工藝、設備的基礎上新增8萬t/a產(chǎn)品設計，同時在各工序針對原來的不足進行設計優(yōu)化與整合，并通過不斷完善，產(chǎn)品質(zhì)量達到國家標準，實現(xiàn)了冶煉廠低濃度煙氣的全面治理和尾氣達標排放。

亞硫酸鈉； 設計； 優(yōu)化； 生產(chǎn)實踐

0 前言

亞硫酸鈉項目是金川集團有限公司(以下簡稱金川公司)低濃度冶煉煙氣治理的環(huán)保項目。公司“十一五”規(guī)劃亞硫酸鈉產(chǎn)品建設規(guī)模最終達到15萬t/a，并于2002年、2004年先后投資建設了2萬t/a亞硫酸鈉和5萬t/a七水亞硫酸鈉項目。2008年公司繼續(xù)投資建設剩余8萬t/a亞硫酸鈉(以下簡稱亞硫酸鈉)項目，項目名稱即《15萬t/a亞硫酸鈉續(xù)建項目》。

新增8萬t/a亞硫酸鈉項目的設計是在原2萬t/a的基礎上進行的。故本文對2萬t/a亞硫酸鈉的設計以及投產(chǎn)后的運行狀況進行了總結(jié)，以期在8萬t/a項目的設計中提高工藝技術(shù)，優(yōu)化設備配置，簡化工人操作，提高自動化控制水平，使亞硫酸鈉生產(chǎn)趕超原有水平。

1 亞硫酸鈉生產(chǎn)原理及工藝流程

亞硫酸鈉生產(chǎn)原料采用燒堿和冶煉SO2煙氣。反應原理為：燒堿與低濃度SO2煙氣逆流接觸，進行吸收反應先生成亞硫酸鈉，當SO2過量后生成亞硫酸氫鈉，再用氫氧化鈉中和亞硫酸氫鈉生成穩(wěn)定的亞硫酸鈉。因燒堿和煙氣中均含有重金屬離子，所以中和液中必須加入硫化鈉以除去溶液中的重金屬離子，反應方程式如下：

2NaOH+SO2=Na2SO3+H2O

(1)

Na2SO3+H2O+SO2=2NaHSO3

(2)

NaHSO3+NaOH=Na2SO3+H2O

(3)

S2++Me2+=MeS↓

(4)

亞硫酸鈉生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

圖1 亞硫酸鈉生產(chǎn)工藝流程

2 2萬t/a亞硫酸鈉生產(chǎn)工藝及設備簡介

2.1 凈化吸收工序

由于產(chǎn)量小，投資有限，2萬t/a亞硫酸鈉工程未設計煙氣凈化吸收工序。亞硫酸鈉車間距離53萬t/a硫酸凈化工序較近，所以直接將53萬t/a硫酸凈化后的煙氣引入亞硫酸鈉吸收工序，造成亞硫酸鈉生產(chǎn)比較被動，經(jīng)常受硫酸生產(chǎn)的制約，不能穩(wěn)定連續(xù)運行。另外因53萬t/a硫酸凈化后的煙氣中SO2濃度較高(一般≥6.0%，高時9%～11%)。無法體現(xiàn)治理低濃度SO2煙氣的優(yōu)越性。

吸收工藝為一次逆流吸收，單塔間斷操作，吸收塔共有2個，1開1備，規(guī)格φ2 400×10 000 mm。

2.2 中和過濾工序

2萬t/a生產(chǎn)線的中和反應在長達40 m的反應溜槽中進行。中和反應完全后再將溶液加溫至85～90 ℃，加入硫化鈉除鐵，然后用布袋式過濾器過濾硫化鐵等雜質(zhì)。該設備為間斷操作，過濾效率低，布袋經(jīng)常堵塞，需定期清洗更換，勞動強度大，能耗高，已不能滿足大規(guī)模、連續(xù)高效生產(chǎn)的需要。

2.3 蒸發(fā)分離工序

蒸發(fā)工序按2萬t/a規(guī)模進行設計，但蒸發(fā)廠房預留了3萬t/a的擴建空間，即總共5萬t/a規(guī)模。該工序采用雙效強制循環(huán)蒸發(fā)工藝，主要設備為列管式強制循環(huán)蒸發(fā)器，材質(zhì)為0Cr18Ni10Ti，單個加熱室面積為158 m2。

分離工序主要設備為2臺HR500- N雙級推料離心機。離心機與干燥機為平面布置，空間狹小，已無擴建空間。

2.4 干燥包裝工序

干燥設備為2臺GZRY18×80振動流化床，占地面積大，加熱介質(zhì)與物料直接接觸，容易壓床，且干燥后粉塵夾帶嚴重，物料損失率超過5%，收塵效果差，二次污染嚴重。

包裝設備采用的是1套半自動包裝線，包裝能力為40萬袋/a。上袋、折邊、封包、撿選與碼垛功能均需人力完成，勞動強度大，操作環(huán)境差。

2.5 循環(huán)水系統(tǒng)

循環(huán)水系統(tǒng)能力為700 m3/h，按冷水池—冷水泵—用水設備—熱水池—熱水泵—冷卻塔—冷水池開式循環(huán)工藝進行設計。

3 8萬t/a亞硫酸鈉工藝與設備設計優(yōu)化

3.1 凈化吸收工序

3.1.1 工藝流程

凈化吸收工序按10萬t/a規(guī)模進行設計，處理煙氣量10萬 Nm3/h，SO2濃度1%～2%，壓力200 Pa，煙氣含塵200 mg/m3。本工序選用了凈化效率高且技術(shù)成熟可靠的煙氣湍沖洗滌凈化、兩次逆流吸收工藝，具體流程為：湍沖洗滌塔—冷卻塔—電除霧器—一次吸收—二次吸收—尾氣煙囪。

3.1.2 工藝配置

充分利用第一硫酸車間凈化車間和亞硫酸鈉車間之間空地，將凈化、吸收以及中和設備沿工藝流程東西向進行“一”字形露天布置，占地90 m×22 m，煙氣管道依次進入湍沖塔—冷卻塔—電除霧器—吸收塔—尾氣吸收塔—尾氣煙囪。這種配置工藝順暢，布置緊湊，同時尾氣吸收塔位于第一硫酸車間尾氣煙囪旁，吸收后的尾氣就近排入尾氣煙囪，大幅節(jié)省項目投資，其平面配置如圖2所示。

3.1.3 設備選型

根據(jù)需凈化處理的煙氣量大、生產(chǎn)量大的特點，設備的選擇主要從大型、高效、連續(xù)以及自動化程度高等方面進行優(yōu)化設計。

(1)煙氣凈化塔：煙氣凈化塔主要由1臺φ7 300×24 000 mm湍沖洗滌塔和1臺φ7 300×18 000 mm冷卻塔組成，并選用制酸系統(tǒng)凈化中比較成熟的動力波技術(shù)以及玻璃鋼設備作為亞硫酸鈉高溫煙氣的除塵、降溫裝置。

圖2 8萬t/a亞硫酸鈉的工藝配制

硫酸系統(tǒng)煙氣凈化流程通常采用湍沖塔—洗滌塔—冷卻塔—二級電除霧器即3塔2電工藝。本次亞硫酸鈉工程對酸霧指標要求不嚴格，所以將二級電除霧器改為一級電除霧器。另外由于改造位置有限，將3塔流程改為2塔，即將湍沖塔、洗滌塔合二為一，變?yōu)橥臎_洗滌復合塔。具體過程為設計中通過一系列優(yōu)化措施將塔的直徑加大，在原湍沖塔內(nèi)部再增加噴淋洗滌部分，并改變氣體的流向，成為湍沖洗滌復合塔。改造后既節(jié)省了投資和場地，又達到了凈化洗滌的目的。實踐證明復合塔的改造是成功的。

湍沖洗滌復合塔、冷卻塔空塔速度分別為2 m/s、1.6 m/s，稀酸噴淋量1 500 m3/h，噴淋密度達到26 m3/m2·h。

(2)吸收塔：吸收塔主要由1臺φ8 000×16 500 mm吸收塔以及1臺φ8 000×27 000 mm尾氣吸收塔組成。根據(jù)吸收液最終pH 5.6～6以及吸收溫度不超過60 ℃的要求，吸收塔選用玻璃鋼材質(zhì)。為了提高吸收效率，將吸收塔的噴淋密度由原2萬t/a設計的16.25 m3/m2·h提高至24 m3/m2·h，同時空塔速度由1.0 m/s提高至1.2 m/s。

吸收塔在設計中，采用以下形式來保證較高的吸收效率(98%以上)：①采用三級填料+三級管槽式分液裝置，使吸收塔具有分液點多、分液均勻和減少氣體帶沫等優(yōu)點；②填料格柵底部設有一層強制氣流分布裝置,強化了傳熱傳質(zhì)效果；③塔頂設有1層SD- B型高效捕沫裝置和二層F4絲網(wǎng)除沫器，阻力較小，除沫效率高。

3.2 中和過濾工序

3.2.1 工藝優(yōu)化

中和過濾工藝通過以下3個聯(lián)鎖控制由間斷操作改為連續(xù)化作業(yè)，即①通過配堿罐的液位與30%堿液加入量之間的聯(lián)鎖來控制配堿罐液位，同時通過30%堿液流量與熱水加入量之間的聯(lián)鎖來控制堿與水的加入比例；②通過中和液與加入的吸收液、堿液進行雙聯(lián)鎖來控制最終pH；③通過硫化反應的溫度與加入換熱器蒸汽量之間的聯(lián)鎖來控制沉淀反應的溫度。

3.2.2 工藝配置

中和工段選用鋼結(jié)構(gòu)平臺，并且設備配置采取從上至下的立體化布置，堿液利用位差自流，既節(jié)省空間，又減少動力消耗。混堿器位于17.35 m鋼平臺上，配堿罐與吸收液儲罐分別位于4.0 m、2.0 m砼基礎上，混合器位于0.0 m平面，中和地下槽位于-2.7 m平面。

過濾工段將原來的布袋式過濾器更換為高效的CN過濾器，使用3套φ3 300×6 000 mm玻璃鋼懸浮過濾器。懸浮過濾器位于10.15 m鋼平臺上，其清液出口標高13.9 m，過濾液自流入蒸發(fā)液儲槽，實現(xiàn)了過濾工序至蒸發(fā)工序的自流，大大節(jié)省了低位緩沖槽、輸送泵等設備的動力消耗。

3.2.3 設備選型

CN懸浮過濾器：CNII- 3300HF過濾器是西恩公司具有自主知識產(chǎn)權(quán)的專利產(chǎn)品，采用高分子粒子吸附過濾技術(shù)，利用1層懸浮過濾介質(zhì)，吸收過濾液體中的懸浮物，使排出液清澈。該設備除去懸浮物效率在98%以上，清液含固量可達到ss<10 mg/L。

3.3 蒸發(fā)分離以及干燥包裝工序

3.3.1 工藝優(yōu)化

優(yōu)化后的工藝流程為：Ⅰ效蒸發(fā)—Ⅱ效蒸發(fā)—閃蒸—分離—干燥—冷卻—包裝。本設計在原強制循環(huán)雙效蒸發(fā)流程的基礎上增加了閃蒸過程，閃蒸后料液的固液比可達60%以上，可使分離系統(tǒng)運行更好；干燥系統(tǒng)選用粉塵小、效率高的內(nèi)加熱流化床干燥冷卻器代替振動硫化床干燥器；包裝系統(tǒng)采用全自動包裝線代替半自動包裝線。

3.3.2 工藝配置

3.3.2.1 蒸發(fā)工序

利用原蒸發(fā)廠房2萬t/a亞硫酸鈉生產(chǎn)線的一套雙效蒸發(fā)器布置于廠房西側(cè)，中間為6 500×4 100 mm吊裝口，東側(cè)預留一套3萬t/a蒸發(fā)器位置。本次設計保留原一套雙效蒸發(fā)器的蒸發(fā)室，更換4個加熱室及加熱管，將加熱室面積由158 m2增加到265 m2，使產(chǎn)量達到4萬t/a，同時在預留區(qū)域布置一套產(chǎn)能6萬t/a的雙效蒸發(fā)器，使亞硫酸鈉產(chǎn)能達到10萬t/a，并對蒸發(fā)廠房的結(jié)構(gòu)進行了局部加固。

3.3.2.2 分離干燥工序

拆除原分離廠房并在毗鄰蒸發(fā)廠房處新建10萬t/a規(guī)模分離干燥廠房以及成品庫房。設備采用先進的GLWN- 00型，主機面積為14 m2的內(nèi)加熱流化床干燥冷卻機和常規(guī)HR800- N雙級推料離心機。為了節(jié)省占地空間，分離機與干燥機采用立體化布置，將干燥機主機布置于廠房1層，干燥機混料系統(tǒng)以及分離機布置于2層，干燥機收塵設備、包裝機料倉以及離心機進料高位槽布置于3層。本工序配置使得物料依靠位差由離心機高位槽→離心機→干燥機→斗式提升機，再經(jīng)斗提機提升至包裝料倉后自流入包裝計量系統(tǒng)，工藝配置立面如圖3所示。

圖3 分離干燥工藝配置圖

3.3.2.3 包裝工序

新增一套BZML- 400全自動稱重包裝碼垛生產(chǎn)線，本生產(chǎn)線全長37 m，為了節(jié)省占地，設計時采用“L”形布置。包裝線主機與干燥機、斗式提升機、料斗位于同一條中心線上，由北至南依次為干燥機、斗式提升機、料斗、包裝機等。包裝機位于干燥廠房的南端，輸送以及揀選、碼垛部分拐90°后向西延伸至成品庫房。

3.4 設備優(yōu)化

3.4.1 列管式蒸發(fā)器

采用常規(guī)的列管強制循環(huán)蒸發(fā)器，本次設計在蒸發(fā)室頂端采用碟形封頭，加裝高效F4捕沫器，可大幅減少二次蒸汽夾帶堿液量。

3.4.2 板式冷凝器

2萬t/a亞硫酸鈉的Ⅱ效蒸發(fā)器抽真空系統(tǒng)采用普通的水噴射冷凝器，真空度可達到-70 kPa。但水噴射冷凝系統(tǒng)的工藝流程長，循環(huán)水系統(tǒng)采用開式循環(huán)工藝；二次汽與循環(huán)水直接接觸；涼水泵要求揚程高(約90 m)，所以本次設計選用更先進、高效的板式冷凝器。板式冷凝系統(tǒng)循環(huán)水采用閉式循環(huán)工藝；冷凝器位于分離廠房3層(15.00 m平面)，50 m揚程的涼水泵即可滿足需要；二次汽與循環(huán)水進行間接冷凝；系統(tǒng)真空度可在-40～-75 kPa調(diào)節(jié)，優(yōu)于水噴射冷凝器。

3.4.3 內(nèi)加熱流化床干燥冷卻系統(tǒng)

內(nèi)加熱流化床是一種集干燥、冷卻于一體的干燥設備，該設備完成物料干燥的同時還可以完成物料的冷卻，優(yōu)化了工藝，降低了投資。

使用內(nèi)加熱流化床干燥冷卻系統(tǒng)干燥的物料含水≤0.1%，溫度≤60 ℃，系統(tǒng)尾氣排放≤50 mg/m3亞硫酸鈉，生產(chǎn)能力為22 t/h。

3.4.4 全自動包裝機

包裝設備采用全自動稱重包裝碼垛生產(chǎn)線，規(guī)模15萬t/a(包括5萬t/a七水亞硫酸鈉)，具備自動上袋、折邊、封包、撿選與碼垛功能，操作人員只需巡檢，勞動強度大幅下降。

3.5 循環(huán)水系統(tǒng)

3.5.1 工藝優(yōu)化

優(yōu)化后的循環(huán)水系統(tǒng)工藝為閉式循環(huán)工藝，即冷水池—冷水泵—用水設備—冷卻塔—冷水池，減少了熱水泵、熱水池等設備，既節(jié)省平面以及空間位置又節(jié)省投資。

3.5.2 工藝配置

在原亞硫酸鈉熱水池位置布置1臺3 500 m3/h冷卻塔，同時采用冷卻塔、冷水池上下布置即塔池一體的大型逆流式抗腐蝕輕型結(jié)構(gòu)的馬利冷卻塔，充分利用空間位置，既節(jié)省占地，又利于管線配置。

4 項目投產(chǎn)后的效果

4.1 產(chǎn)品效果

本項目于2009年3月1日開工，凈化吸收工序于11月底建成，經(jīng)過1個月的試生產(chǎn)，于2010年1月正式運行。凈化吸收后的煙氣先用于七水亞硫酸鈉的生產(chǎn)，先期實現(xiàn)了低濃度煙氣的有效治理。

2010年4月20～30日，蒸發(fā)分離干燥包裝工序以及循環(huán)水系統(tǒng)相繼完工, 具備試生產(chǎn)的條件。5月開始單體及聯(lián)動試車，5月25日工藝流程全線打通，生產(chǎn)出首批無水亞硫酸鈉產(chǎn)品，其化驗指標如表1。

表1 首批亞硫酸鈉的化檢指標 單位：%

由表1知，亞硫酸鈉純度未達標。經(jīng)過分析認為主要是由于煙氣中SO2濃度(1%～2%)偏低，致使吸收時間過長， 亞硫酸鈉氧化為硫酸鈉的量增加，經(jīng)化驗硫酸鈉含量達8%。另外存在的問題是產(chǎn)品粒徑較小，60%以上產(chǎn)品粒徑不到100 μm，致使分離、干燥、包裝等后續(xù)工序不能連續(xù)，致使系統(tǒng)整體連續(xù)性較差。通過摸索分析，原因如下：(1)物料在蒸發(fā)器內(nèi)停留時間較短，粒徑成長時間不夠；(2)離心機篩網(wǎng)規(guī)格為150 μm，造成分離機經(jīng)?！袄　?。整改措施如下：(1)繼續(xù)摸索蒸發(fā)操作指標，掌握粒徑成長條件；(2)減少吸收時間，減少亞硫酸鈉氧化量；(3)更換篩網(wǎng)，新篩網(wǎng)規(guī)格為80 μm。

經(jīng)過這幾項整改措施的實施以及幾個月的生產(chǎn)，2010年12月生產(chǎn)基本趨于正常，各項技術(shù)經(jīng)濟指標如表2。

表2 試生產(chǎn)主要技術(shù)經(jīng)濟指標

生產(chǎn)過程中實際凈化效率低于設計值，原因是由于設計中煙氣含塵≤300 mg/Nm3，而實際試車中煙氣含塵遠大于此值，達到1 100～1 200 mg/Nm3。目前冶煉合成爐系統(tǒng)正在改造，改造完成后，煙氣含塵將會大大降低，屆時凈化效率會提高。

電耗超標的原因是在試生產(chǎn)過程中系統(tǒng)未連續(xù)、滿負荷生產(chǎn)，造成單耗增加，隨著系統(tǒng)運行的正常，本指標會達標。

在產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量方面，平均日產(chǎn)量達到316 t，按330 d計，年產(chǎn)量可達10.428萬t，產(chǎn)品質(zhì)量符合GB/T2967—2000亞硫酸鈉國家標準，其中產(chǎn)品合格率90%，一級品率5%，實現(xiàn)了達標達產(chǎn)。

4.2 2011—2013年產(chǎn)量、質(zhì)量以及技術(shù)經(jīng)濟情況

2011—2013年(1—11月)亞硫酸鈉年產(chǎn)量分別為4.56、7.6、5.67萬t，主要原因是周邊地區(qū)用戶的用量有限，以銷定產(chǎn)，使整個亞硫酸鈉系統(tǒng)的開工率不足70%。近3年最大月產(chǎn)量為8 000 t，若連續(xù)滿負荷生產(chǎn)，全年產(chǎn)能可達10萬t。

2011—2013年產(chǎn)品質(zhì)量合格率分別為88.5%、90.6%、91.3%，因為本項目屬于環(huán)保項目，主要為吸收低濃度SO2煙氣。煙氣濃度低以及煙氣波動使吸收時間增長，導致硫酸鈉含量高(其它指標均合格)，所以產(chǎn)品合格率始終未達到100%。2012年8月亞硫酸鈉凈化系統(tǒng)采用配用硫酸系統(tǒng)高濃度煙氣的方式，配后SO2濃度達到3%～5%，月產(chǎn)量6 800 t，產(chǎn)品合格率達到97.63%。

近3年的各項技術(shù)經(jīng)濟指標均達到或超過了設計值，證明該項目的優(yōu)化設計是成功的。

4.3 環(huán)境效益

本項目是金川公司3年環(huán)境達標治理的第一個環(huán)保項目，并且于2012年9月通過了項目評估。項目建成后，實現(xiàn)了回轉(zhuǎn)窯、電爐、合金硫化爐等低濃度煙氣的全部回收治理，徹底根除了多年來煙氣外排的問題。項目建成后硫利用率達99.5%，尾氣排放低于400 mg/Nm3，實現(xiàn)了冶煉低濃度煙氣的全面治理和尾氣達標排放。至2012年9月共回收SO2約31 000 t，明顯改善了市區(qū)環(huán)境。作為3年達標治理項目，項目建成后市區(qū)SO2平均濃度由0.076 mg/m3降低到0.058 6 mg/m3，低于國家二級標準，環(huán)保效益、社會效益顯著。

[1] 國家醫(yī)藥管理局上海醫(yī)藥設計院. 化工工藝設計手冊[M]. 化學工業(yè)出版社, 1996.

[2] 湯桂花， 趙增泰， 鄭沖，等. 硫酸[M]. 化學工業(yè)出版社， 1999.

Design Optimization and Production Practice of 150 000 t/a Sodium Sulfite Subsequent Project

MA Yan, ZHAI Shang-jun

The 80 000 t product design was added based on the production process and equipment of 20 000 t sodium sulfite, and the design optimization and integration for each procedure was performed to reduce the defects. By continuous improvements, the production quality achieved the national standard, the comprehensive treatment of low-concentration flue gas was realized, and the gas emission was up to the standard.

sodium sulfite; design; optimization; production practice

2013-11-28

馬巖(1967—)，女，甘肅靜寧人，大學本科，高級工程師，主要從事化工專業(yè)工程咨詢以及設計工作。

X758

B

1008-5122(2014)02-0010-05