廉 穎，王 磊，龔 琦，宮 維，張為之

(江蘇新源礦業(yè)有限責任公司，江蘇揚州 225002)

1 前言

江蘇淮安是華東地區(qū)井礦鹽的主要產(chǎn)區(qū)，同時也是無水芒硝的生產(chǎn)基地。由于占據(jù)地理和市場的優(yōu)勢成為全國元明粉供應(yīng)的主要產(chǎn)區(qū)?；窗驳貐^(qū)無水芒硝的生產(chǎn)工藝多采用五效真空蒸發(fā)工藝，尚未有MVR技術(shù)應(yīng)用先例。但隨著2017年江蘇省“兩減六治三提升”專項行動實施方案的出臺，傳統(tǒng)制硝企業(yè)面對能源接替的緊迫難題。在35 t/h及以下燃煤鍋爐淘汰的前提下，如何利用真空制硝裝置進行生產(chǎn)成為待解之題。

近年來MVR技術(shù)在國內(nèi)制鹽行業(yè)已經(jīng)得到普遍的推廣與應(yīng)用[1-3]，尤其在制鹽工業(yè)新建工程中已經(jīng)占有相當大比例，同時也有制鹽企業(yè)將ME進行MVR改造的成熟案例[4-6]。制鹽企業(yè)在引進和消化吸收MVR制鹽技術(shù)上做了大量研究和探索，為機械熱壓工藝的應(yīng)用[7-10]提供了寶貴的經(jīng)驗。文章將以江蘇新源礦業(yè)有限責任公司現(xiàn)有21 萬t/a ME制硝裝置為例，借鑒制鹽行業(yè)成熟經(jīng)驗，探討將傳統(tǒng)制硝裝置進行MVR改造的可行性。

2 概況

江蘇新源礦業(yè)有限責任公司現(xiàn)有一套硝鹽聯(lián)產(chǎn)裝置，采用五效真空蒸發(fā)制硝+母液回收制鹽。硝鹽聯(lián)產(chǎn)工藝主要是制硝為主，副產(chǎn)工業(yè)鹽。原料硝水中NaCl含量在35 g/L～100 g/L之間。整套裝置2012年竣工投產(chǎn)，已穩(wěn)定運行5 a，產(chǎn)品綜合能耗128 kg標煤/t，主要配套工程為35 t/h循環(huán)流化床鍋爐+3 MW背壓式汽輪機。所以，文章中僅對真空制硝裝置的MVR節(jié)能改造進行探討。

2.1 制硝工序工藝流程簡介

硝工序有五組蒸發(fā)罐，原料硝水從末效(EV205)循環(huán)腿進料口進入，依次向前逆流轉(zhuǎn)料，利用各效真空度的不同，逐效依次升溫蒸發(fā)，料液中的Na2SO4分別在各組罐中蒸發(fā)析出結(jié)晶，一效、二效蒸發(fā)罐分別將硝漿排入硝漿桶，經(jīng)過增稠、干燥，通過氣力輸送裝置送至包裝車間。同時隨著蒸發(fā)的進行，罐內(nèi)料液中NaCl濃度則逐效升高當首效(EV201)中料液成分接近飽和時，母液外排，見圖1。

圖1 五效真空制硝工序工藝流程簡圖 Fig.1 Process flow chart of five effect evaporation of sodium sulfate

設(shè)備數(shù)據(jù)及原料組成見表1、表2。

表1各效加熱室換熱面積

Tab.1 Heat exchange areas of five effect m2

各效HE201HE202HE203HE204HE205換熱面積500500500500500

表2 硝水組分質(zhì)量分數(shù)Tab.2 The composite of glauber salt brine

2.2 主要設(shè)備情況

2.2.1 蒸發(fā)罐

采用外熱式強制循環(huán)蒸發(fā)罐，該設(shè)備具有管內(nèi)流速高，強化傳熱，減緩加熱管內(nèi)和蒸發(fā)室罐壁結(jié)垢，生產(chǎn)強度大，減輕熱短路現(xiàn)象，提高有效傳熱溫差，循環(huán)泵渦漩損失小、循環(huán)阻力低等優(yōu)點[2]。前兩效加熱管選用鈦合金管，后三效為普通鈦材，蒸發(fā)室殼體材料采用316 L不銹鋼復(fù)合板。

2.2.2 真空系統(tǒng)

真空系統(tǒng)，末效選用一級蒸噴及一級水環(huán)真空泵，以達到末效較高的真空度，首效采用低壓蒸汽強制傳熱，增加蒸發(fā)系統(tǒng)有效溫差，以提高整個系統(tǒng)的熱效率。該系統(tǒng)具有設(shè)備持續(xù)運行時間長，維修方便，真空度高等優(yōu)點。

2.2.3 其他設(shè)備

循環(huán)泵：選用懸掛式循環(huán)泵，該泵具有流量大揚程適宜、密封效果好；耗電少，壽命長和適用性好等優(yōu)點。離心機：選用國產(chǎn)雙級推料式離心機，該機具有生產(chǎn)能力大，殘余水分低，耗電省，壽命長和適應(yīng)性好等優(yōu)點。干燥設(shè)備：選用內(nèi)熱式干燥床，該產(chǎn)品具有生產(chǎn)能力大，運行平穩(wěn)可靠，操作簡便，節(jié)省蒸汽和電力消耗，熱效率較高等優(yōu)點。

3 工藝改造方案

3.1 MVR工作原理

MVR是蒸汽機械再壓縮技術(shù)的簡稱,是通過機械壓縮把低品位的二次蒸汽溫位提高利用的一種蒸汽熱量提升裝置。其實質(zhì)是根椐波義爾定律原理，外加壓縮機作功壓縮功瞬時轉(zhuǎn)化為蒸汽的內(nèi)能，使二次蒸汽的體積減小，壓力、熱焓、溫度升高，作為熱源代替新鮮蒸汽，反復(fù)循環(huán)使用，使液體沸騰蒸發(fā)濃縮結(jié)晶的一種蒸發(fā)過程。即用少量的電能獲得較多的熱能，從而減少系統(tǒng)對外界能源的需求的一項高效節(jié)能技術(shù)。

根據(jù)MVR熱泵系統(tǒng)的工作原理可知，其效率取決于回收利用的潛熱值與輸入的機械功之間的比較。表3以常壓下基本循環(huán)的狀態(tài)變化為例，通過模擬計算表明其在能源利用效率方面的優(yōu)勢。

表3 常壓下基本循環(huán)的狀態(tài)變化參數(shù) Tab.3 Stream thermal state parameters under atmospheric pressure

從表3可以看出，系統(tǒng)消耗90.5 kJ/kg的壓縮功，就可以回收利用2 257.6 kJ/kg的潛熱，熱功比達到了24.9。工質(zhì)的熱焓僅增加0.8%，但其溫度提高13 ℃，相當于輸入少量的高品位機械能，卻把大量的低品位熱能轉(zhuǎn)化成為可資利用的高品位熱能，從而提高了能源利用效率。

MVR蒸發(fā)系統(tǒng)工藝流程可以設(shè)計成單效蒸發(fā)和多效蒸發(fā)。單效蒸發(fā)系統(tǒng)流程簡單，操作方便，適合水分蒸發(fā)量大、熱敏物性較弱，允許大溫差傳熱，只需蒸發(fā)一次就可以達到濃縮要求的物料。MVR多效蒸發(fā)方式適合處理熱敏較敏感，不宜進行大溫差傳熱的溶液，同時，其也可用于蒸發(fā)量較大的場合串并聯(lián)。單效多效次蒸汽經(jīng)過蒸汽壓縮機后可以提高8 ℃左右的溫升，對于沸點升較大的溶液，需要兩級串聯(lián)以克服沸點升。

3.2 MVR改造工藝流程

應(yīng)用MVR技術(shù)對原多效制硝系統(tǒng)進行改造，生產(chǎn)工藝上仍然是利用蒸發(fā)結(jié)晶工藝生產(chǎn)芒硝，唯一的區(qū)別是不使用生蒸汽，而是利用機械壓縮將二次汽循環(huán)使用。為充分利用現(xiàn)有設(shè)備，擬計劃采用兩效MVR蒸發(fā)方式。將原制硝5效分成兩個獨立MVR裝置運轉(zhuǎn)。具體做法為將EV201與EV203串聯(lián)為系統(tǒng)一，共用一臺壓縮機；EV202與EV204串聯(lián)為系統(tǒng)二，共用一臺壓縮機。單個系統(tǒng)內(nèi)部為兩效機械熱壓縮蒸發(fā)制硝，排硝后兩個系統(tǒng)共用一套排硝離心干燥等后續(xù)流程。MVR技術(shù)改造后整套裝置生產(chǎn)能力為2×10 萬t/a。

兩效機械熱壓縮工藝流程：由原料硝水桶(T-201)泵送來的硝水經(jīng)板式換熱器(HE-206)預(yù)熱之后送至蒸發(fā)罐205進行初級濃縮，蒸發(fā)罐205的漿料轉(zhuǎn)入蒸發(fā)罐204和蒸發(fā)罐203進行蒸發(fā)濃縮，蒸發(fā)罐204和蒸發(fā)罐203的漿料分別轉(zhuǎn)入蒸發(fā)罐201和蒸發(fā)罐202繼續(xù)蒸發(fā)濃縮，蒸發(fā)罐201和202結(jié)晶析出的硝漿淘洗后平流排入硝漿桶(T-401)。

圖2 兩效MVR工藝流程簡圖Fig.2 Process flow chart of two effect MVR

蒸發(fā)室EV-201的二次蒸汽進入加熱室HE-203，蒸發(fā)室EV-203的二次蒸汽經(jīng)過洗汽、壓縮后再進入加熱室HE-201；加熱器201流出的冷凝在VP-203閃發(fā)后送至VP-205進行閃發(fā)；蒸發(fā)室EV-202的二次蒸汽進入加熱室HE-204，蒸發(fā)室EV-204 的二次蒸汽經(jīng)過洗汽、壓縮后再進入加熱室HE-202；加熱器202流出的冷凝在VP-204閃發(fā)后送至VP-205進行閃發(fā)；VP-205流出的冷凝水在板式換熱器HE-206與原料硝水進行熱交換，最后去冷凝水桶T-601。蒸發(fā)室EV-205的二次蒸汽進入大氣冷凝器HD-201由冷卻水直接冷凝，殘存的蒸汽和不凝氣體則由串聯(lián)的一級蒸汽噴射器進一步冷凝并最后由二級的水環(huán)真空泵排出蒸發(fā)系統(tǒng)。

3.3 設(shè)備改造方案

由于原五效蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)換熱溫差大、蒸發(fā)強度大，改為MVR系統(tǒng)后，需要增加額外的換熱器，以增加換熱面積滿足蒸發(fā)強度的需求。在原有加熱室平行的位置另增加的一組鈦合金換熱器，增加的換熱面積按照傳熱方程計算得出。同時需對循環(huán)腿進行擴容改造以克服增加的管道阻力損失。壓縮機擬采用消化吸收國外技術(shù)的離心式蒸汽壓縮機，優(yōu)勢為對蒸汽負荷的波動有較大的適應(yīng)范圍。同時新增蒸汽洗滌塔2臺套。項目需同步配置一臺8 t/h、1.1 MPa的天燃氣鍋爐，用于供整個項目啟動蒸汽及干燥產(chǎn)品用汽。

3.4 經(jīng)濟評價及對比

改造后，蒸發(fā)系統(tǒng)單位產(chǎn)品電耗為140 kW·h,產(chǎn)品綜合能耗為68 kg標煤。蒸發(fā)系統(tǒng)進行MVR改造后，單位產(chǎn)品動力成本主要取決于電力成本。電力的供應(yīng)可以有自備熱電站供電、網(wǎng)電(汽電外購)兩種方式。

利用網(wǎng)電運行MVR蒸發(fā)工藝制硝，電價相對較貴，雖然能耗下降但生產(chǎn)成本相對增加，相比熱電聯(lián)產(chǎn)+ME蒸發(fā)工藝，噸產(chǎn)品動力成本增加約19%。雖然MVR技術(shù)綜合能耗方面優(yōu)于真空制硝，但從整個一次能源利用率角度來看，熱電聯(lián)產(chǎn)作為有效的節(jié)能技術(shù)，很好的彌補了ME工藝的劣勢[3]，所以才會出現(xiàn)MVR改造后節(jié)能不降本的現(xiàn)象。但對于能保留自備電站同時擁有多套生產(chǎn)裝置的制硝企業(yè)，可以將熱電聯(lián)產(chǎn)、ME和MVR結(jié)合起來，將原有的真空制硝裝置進行MVR改造，可以顯著降低生產(chǎn)成本。

4 結(jié)論

通過分析比較可以看出，利用網(wǎng)電運行MVR蒸發(fā)工藝制硝對生產(chǎn)企業(yè)來講，在目前的煤電行情下，由于成本的增加在經(jīng)濟上不是最優(yōu)方案。但對于受“兩減政策”影響的制硝生產(chǎn)企業(yè)，在目前元明粉市場價格處于高位運行的情況下，將傳統(tǒng)真空蒸發(fā)裝置進行MVR改造是保持產(chǎn)能的唯一應(yīng)對措施，是企業(yè)作為能源替代和產(chǎn)能接替的有效手段。對于能保留自備電站同時擁有多套生產(chǎn)裝置的制硝企業(yè)，可以將熱電聯(lián)產(chǎn)、ME和MVR結(jié)合起來，將原有的真空制硝裝置進行MVR改造，可以顯著降低生產(chǎn)成本。借鑒制鹽行業(yè)的發(fā)展歷程，可以預(yù)見多效真空蒸發(fā)制硝與熱壓制硝并用方式也必將成為國內(nèi)制硝行業(yè)新的發(fā)展方向。