李丹丹,王勝偉,王亮亮,蔣建紅,張志強(qiáng)
(中鹽昆山有限公司,江蘇 昆山 215300)
中鹽昆山有限公司是以純堿為主要產(chǎn)品的化工生產(chǎn)企業(yè),外冷式碳化塔作為重要的生產(chǎn)設(shè)備,共有10座塔,分二個塔組,每組四制堿一清洗,制堿96 h后轉(zhuǎn)入24 h清洗,目前年生產(chǎn)能力可達(dá)80萬t。在制堿過程中,碳氨Ⅱ與CO2在塔內(nèi)反應(yīng)后自然循環(huán)至外冷器產(chǎn)生過飽和溶液,通過調(diào)整外冷器出水閥開度控制塔內(nèi)溫降梯度,實現(xiàn)調(diào)控一次晶核生成速度及晶核生長速度,從而制得晶粒粗大NaHCO3晶體及其他成分的母液懸濁液,從塔底取出后經(jīng)真空帶濾機(jī)過濾、洗滌后,形成厚度均勻的濾餅進(jìn)入煅燒爐高溫?zé)峤鉃榧儔A(Na2CO3),分解出的CO2經(jīng)壓縮送入制堿塔,濾液經(jīng)冷卻結(jié)晶、分離干燥后制得氯化銨(NH4Cl)。在NaHCO3晶體的析出過程中,外冷器起到不可替代的作用,影響NaHCO3晶粒的大小及分布,進(jìn)一步影響重堿水分以及煅燒蒸汽能耗[1]。
本公司外冷器冷卻管采用鈦材制作,結(jié)疤不易在冷卻管內(nèi)部聚集,但行業(yè)內(nèi)普遍采用的是四制堿一清洗作業(yè)的生產(chǎn)模式,即72 h制堿24 h清洗,而本公司采用96 h制堿24 h清洗,制堿時間較長且清洗時間并未同步延長。因制堿作業(yè)時間的延長,黏晶以及單晶在塔內(nèi)壁、篩板以及管壁上不斷聚集,在倒塔操作時,清洗條件以及塔況的不同,致使清洗效果變差。因此,在運(yùn)行一段時間后,碳化塔內(nèi)壁以及冷卻管內(nèi)結(jié)疤現(xiàn)象屢見不鮮,使得碳化塔以及外冷器內(nèi)部有效面積減少,造成碳化產(chǎn)量降低以及細(xì)晶增多,縮短制堿作業(yè)周期。
在制堿過程中,有結(jié)晶的析出,必然伴隨著黏晶、單晶等結(jié)晶物質(zhì)向塔內(nèi)壁以及冷卻管表面析出而產(chǎn)生結(jié)疤。如表1所示,碳化塔內(nèi)部結(jié)疤以NaHCO3為主要成分,約占84.6%。結(jié)疤腐蝕碳化塔內(nèi)壁、篩板以及外冷器冷卻管,導(dǎo)致制堿效率下降,同時加劇了母液的湍流,促使二次晶核的生長,影響碳化結(jié)晶,進(jìn)一步影響純堿成品粒度,降低客戶滿意度。
表1 碳化塔內(nèi)部結(jié)疤成分含量
本公司碳化塔常規(guī)采用的清洗介質(zhì)為吸氨后的熱氨Ⅱ母液,溫度控制在30~35 ℃,清洗過程為熱氨Ⅱ在氮?dú)獾墓膭酉虑逑刺蓟筮M(jìn)入中和水桶,形成碳氨Ⅱ母液,經(jīng)過濾及換熱后進(jìn)入制堿塔制堿。在生產(chǎn)中有時為了控制進(jìn)入制堿塔的碳氨Ⅱ溫度在合理的工藝指標(biāo)范圍內(nèi),清洗作業(yè)時將外冷器出水閥開度控制在20%~50% ,熱氨Ⅱ不能充分溶解塔壁以及冷卻管結(jié)疤,清洗效果變差,外冷器換熱面積減少,換熱效率相應(yīng)地下降。冷卻管結(jié)疤易導(dǎo)致局部過冷或者過飽和[2],對碳化結(jié)晶極為不利,因此必須采用熱煮碳化塔的手段來解決結(jié)疤問題。本文通過監(jiān)測外冷器換熱效率,判斷碳化塔是否需要熱煮,從而增加外冷器換熱面積,改善碳化結(jié)晶。
外冷器換熱效率是評價其傳熱性能好壞的一項重要指標(biāo),一些文章[3,4,5]對換熱器換熱效率進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)研究驗證,并對換熱效率η定義為實際傳熱Q實際與理論上的最大傳熱量Q最大之比,即:
(1)
其中,Q實際為外冷器實際可傳遞熱量;Q最大為理想最大可傳遞熱量;W為母液流量;Cp為母液比熱容;T1/T2分別為母液進(jìn)出外冷器的溫度;t1/t2分別為循環(huán)冷卻水進(jìn)出外冷器的溫度。
根據(jù)換熱器換熱效率公式(1),在綜控DCS操作畫面上進(jìn)行了組態(tài)設(shè)計,實時顯示外冷器換熱效率,便于監(jiān)測外冷器的換熱性能,從而判斷碳化塔以及外冷器的工作性能。實施案例如圖1所示,在制堿作業(yè)后期,換熱效率不斷下降,說明冷卻管內(nèi)部產(chǎn)生較多的結(jié)疤,需要及時進(jìn)行熱煮,改善外冷器換熱性能。
圖1 換熱效率曲線及
根據(jù)外冷器冷卻管內(nèi)外冷熱流體之間的換熱效率,判斷冷卻管內(nèi)部析出結(jié)晶結(jié)疤的情況,為是否啟用熱循環(huán)水熱煮碳化塔提供重要參考。如表1所示,通過調(diào)查A塔外冷器(a)月周期制堿作業(yè)換熱效率發(fā)現(xiàn),整個作業(yè)周期尤其是作業(yè)后期,A塔換熱效率較低,應(yīng)當(dāng)及時進(jìn)行通管沖洗恢復(fù)換熱性能。此外,表1足以說明碳化塔在長期制堿作業(yè)下,使用常規(guī)的AⅡ清洗對于提高碳化塔外冷器換熱效率的幅度有限,因此需要進(jìn)行熱煮清除冷卻管內(nèi)的結(jié)疤。實施熱煮時,利用廢淡液板式換熱器加熱洗塔水,提高水溫,降低蒸汽能耗,增加塔內(nèi)壁、篩板及冷卻管結(jié)疤的溶解度,快速恢復(fù)外冷器換熱效率,提高碳化結(jié)晶質(zhì)量。
在外冷器換熱效率得到保障下,常規(guī)的AⅡ清洗配合熱煮碳化塔表現(xiàn)出較強(qiáng)的優(yōu)勢。在96 h制堿作業(yè)周期內(nèi),外冷器換熱效率基本保持不變,且能夠在多個制堿周期內(nèi)穩(wěn)定在90% 以上的換熱效率。在連續(xù)多個制堿作業(yè)周期內(nèi)換熱效率基本保持不變,主要優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾個方面。
1)安全環(huán)保上,碳化塔常規(guī)采用熱AⅡ清洗,根據(jù)換熱效率決定是否需要熱煮,以改善碳化結(jié)晶。熱煮后的洗塔水回收至聯(lián)堿生產(chǎn)系統(tǒng)作為補(bǔ)液,既不破壞系統(tǒng)母液和水平衡,也避免了含氨等廢液的排放等問題,實現(xiàn)環(huán)保與降本增效雙贏。
2)能源消耗上,利用廢淡液板式換熱器加熱洗塔水至50 ℃左右,通入少量1.4 MPa蒸汽維持水溫在60 ℃,不需要消耗大量的蒸汽熱能,便可提高洗塔水水溫,大大降低了能耗,同時也能夠節(jié)約洗水加熱的時間,縮短煮塔時間,節(jié)約運(yùn)行成本。
3)產(chǎn)品質(zhì)量上,碳化塔進(jìn)行熱煮后,外冷器內(nèi)部結(jié)疤得到有效地去除,提高了碳化塔以及外冷器內(nèi)部有效面積,從而提升了外冷器換熱效率,使得出堿溫度可調(diào)控。原出堿溫度一直保持在39 ℃以上。而由于換熱效率可監(jiān)測,將出堿溫度調(diào)整至38 ℃以上,運(yùn)行2~3個制堿周期。經(jīng)連續(xù)試運(yùn)行后,外冷器換熱效率仍較高,碳化結(jié)晶質(zhì)量以及產(chǎn)量在原有的基礎(chǔ)上得到了提升,重堿水分以及煅燒汽耗進(jìn)一步降低,純堿日均產(chǎn)能得到提高,單塔純堿日產(chǎn)量可達(dá)到300 t/d以上。
煮塔洗水用量200 m3,水的比熱4.18 kJ/(kg·℃),1.4 MPa蒸汽焓值2 788.4 kJ/kg,蒸汽按目前市場價155元/噸計算。200 m3洗塔水溫度由25 ℃升至60 ℃,需要的1.4 MPa蒸汽量為:200×4.18×(60-25) / (2788.4-4.18×60)=11.53 t;同理,200 m3洗塔水溫度由50 ℃升至60 ℃,需要的1.4 MPa蒸汽量為3.29 t ,則實施一次洗塔可節(jié)約蒸汽成本為:(11.53-3.29)×155=1 277.2元/t。
換熱效率的計算組態(tài),能夠較好地監(jiān)控外冷器換熱性能以及塔況,針對碳化生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題及時調(diào)整工藝策略,如母液進(jìn)液溫度居高不下、循環(huán)冷卻水進(jìn)出口溫差小等問題,結(jié)合效率曲線表可判斷碳化塔及外冷器工作情況,適時進(jìn)行熱煮,為純堿生產(chǎn)提供可行性操作,使碳化結(jié)晶粒度得到可控。雖熱煮碳化塔能夠有效去除塔內(nèi)壁、篩板以及外冷器接管內(nèi)結(jié)疤,但熱煮不僅需要消耗蒸汽熱能,而且造成系統(tǒng)水膨脹,故不能常用。因此,換熱效率的監(jiān)測能判斷熱煮是否需要投用,使熱煮發(fā)揮最大的經(jīng)濟(jì)效益,做到既不破壞系統(tǒng)水平衡,又能達(dá)到環(huán)保要求,改善碳化塔塔況,提高碳化結(jié)晶,降低重堿水分以及煅燒蒸汽能耗,為公司降本增效提供有力保障。