王 瓊，黃澤茂，趙明恩，曾宇峰

（中國(guó)成達(dá)工程有限公司，四川 成都 610041）

離子膜燒堿溶液蒸發(fā)是指利用熱源（一般為蒸汽）間接加熱提高堿液溫度，使燒堿溶液中的水分部分氣化，以提高燒堿溶液濃度的技術(shù)。出離子膜燒堿電解單元的燒堿溶液濃度約32%，為了降低運(yùn)輸成本或滿足下游用戶需求，通常需要將32%堿液蒸發(fā)濃縮至50%[1]。

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，其流程為，來自離子膜電解的32%堿液依次通過三效、二效、一效降膜蒸發(fā)器，被蒸發(fā)器殼程的二次汽或生蒸汽逐級(jí)濃縮到36.5%、42%和50%，得到產(chǎn)品50%堿；一效蒸發(fā)器的熱源為生蒸汽，一效的二次蒸汽作為二效的熱源，二效的二次蒸汽作為三效的熱源，三效的二次蒸汽送表面冷凝器及真空機(jī)組，三效蒸發(fā)器的系統(tǒng)真空度由真空泵機(jī)組維持；一效的50%堿和生蒸汽冷凝液各經(jīng)兩級(jí)預(yù)熱器回收余熱后送出界區(qū)。三效逆流降膜蒸發(fā)工藝流程見圖1。

圖1 三效逆流降膜蒸發(fā)流程簡(jiǎn)圖

1 燒堿蒸發(fā)碳排放分析

雙碳背景下國(guó)內(nèi)氯堿行業(yè)的產(chǎn)業(yè)政策日益嚴(yán)格，國(guó)家越來越重視和鼓勵(lì)節(jié)能降碳技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用推廣。《高耗能行業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域節(jié)能降碳改造升級(jí)實(shí)施指南》燒堿章節(jié)中明確提出要求，“加強(qiáng)燒堿蒸發(fā)和固堿加工先進(jìn)技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用，推動(dòng)以高濃度燒堿和固片堿為主要產(chǎn)品的燒堿企業(yè)實(shí)施多效蒸發(fā)節(jié)能改造升級(jí)，到2025年，燒堿領(lǐng)域能耗標(biāo)桿水平以上產(chǎn)能比例達(dá)到40%，能耗基準(zhǔn)水平以下產(chǎn)能基本清零，行業(yè)節(jié)能降碳效果顯著，綠色低碳發(fā)展能力大幅增強(qiáng)”。

離子膜燒堿蒸發(fā)單元蒸汽消耗約占燒堿裝置總汽耗的70%～80%，是燒堿裝置主要的用能單元之一，蒸發(fā)單元無明顯的直接碳排放，主要是以消耗蒸汽的間接碳排放為主，燒堿蒸發(fā)主流技術(shù)三效逆流降膜工藝能耗為510～530 kg/t堿。截止2021年，中國(guó)燒堿總產(chǎn)能為4633萬t/a，按30%左右燒堿產(chǎn)能需配置堿液蒸發(fā)，中國(guó)燒堿行業(yè)堿液蒸發(fā)單元消耗蒸汽700萬t/a，折標(biāo)煤約90萬t，間接排放了約220萬t的二氧化碳[2]。因此，采用先進(jìn)的節(jié)能降碳蒸發(fā)技術(shù)是提升行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力、實(shí)現(xiàn)行業(yè)低碳綠色發(fā)展的重要手段之一。

2 蒸發(fā)單元增效技改方案

多效蒸發(fā)的目的是通過蒸發(fā)過程中二次蒸汽的再利用，以節(jié)約蒸汽消耗，從而提高蒸發(fā)裝置的經(jīng)濟(jì)性[2]。蒸發(fā)器的效數(shù)越多，單位產(chǎn)品的蒸汽耗量越低，蒸發(fā)器效數(shù)由n效增加到n+1效，蒸汽消耗可降低約1/（1+n），例如從二效增加到三效，蒸汽消耗降低約1/3。Aspen plus模擬計(jì)算表明，燒堿四效逆流蒸發(fā)的蒸汽消耗約400～420 kg/t堿，較三效逆流工藝汽耗降低約20%。

三效增效技改為四效有多個(gè)方案：新增濃效蒸發(fā)器、新增稀效蒸發(fā)器、新增中間效（一二效之間）蒸發(fā)器、新增中間效（二三效之間）蒸發(fā)器。本文以具有代表性且易于實(shí)現(xiàn)的新增濃效、新增稀效兩種方案為例，介紹燒堿蒸發(fā)增效技改的技術(shù)要點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)效果。

2.1 新增濃效技改方案

新增濃效方案具體改造方式：（1）在一效蒸發(fā)器之前新增1臺(tái)濃效蒸發(fā)器；（2）增設(shè)濃效蒸發(fā)器配套的50%堿液泵和2臺(tái)預(yù)熱器；（3）隨之調(diào)整濃效蒸發(fā)器配套相關(guān)管路（50%堿液管、43%堿管、生蒸汽凝液管、二次汽管和二次汽凝液管等）。該方案工藝流程如下。

來自電解單元的32%堿液依次通過三效、二效、一效、新增濃效蒸發(fā)器，被蒸發(fā)器殼程的二次汽/生蒸汽逐級(jí)濃縮到35.5%、39%、43%和50%。新增濃效的熱源為生蒸汽，新增濃效的二次汽作為一效的熱源，一效的二次汽作為二效的熱源，二效的二次汽作為三效的熱源，三效二次汽送表面冷凝器及真空機(jī)組，新增濃效管程50%堿和殼程的生蒸汽冷凝液各經(jīng)三級(jí)預(yù)熱器回收余熱后送出界區(qū)，工藝流程見圖2。

圖2 新增濃效蒸發(fā)器工藝流程圖

2.2 新增稀效技改方案

新增稀效方案具體改造方式：（1）在三效蒸發(fā)器之后新增1臺(tái)稀效蒸發(fā)器；（2）增設(shè)稀效蒸發(fā)器配套的35.5%堿液泵和2臺(tái)預(yù)熱器；（3）隨之調(diào)整稀效蒸發(fā)器配套相關(guān)管路（32%堿液管、35.5%堿液管、二次汽管和二次汽凝液管等），該方案工藝流程如下。

來自電解單元的32%堿液依次通過新增稀效、三效、二效、一效蒸發(fā)器，被蒸發(fā)器殼程的二次汽/生蒸汽逐級(jí)濃縮到35.5%、39%、43%和50%。一效蒸發(fā)器的熱源為生蒸汽，一效的二次汽作為二效的熱源，二效的二次汽作為三效的熱源，三效的二次汽作為新增稀效的熱源，新增稀效的二次汽送表面冷凝器及真空機(jī)組，該方案流程見圖3。

圖3 新增稀效蒸發(fā)器方案流程簡(jiǎn)圖

2.3 方案對(duì)比

兩種增效方案的技術(shù)對(duì)比情況見表1。

表1 兩種增效技改方案對(duì)比表

新增稀效方案從理論上講是可行的，但技改后已有各效蒸發(fā)器操作溫度壓力均會(huì)提高（例如原三效蒸發(fā)器操作溫度60℃升高到90℃，操作壓力10 kPa升高到30 kPa），需重新復(fù)核原蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)溫度壓力能否滿足要求?？傮w來說，兩種技改方案各有優(yōu)劣，技改項(xiàng)目需要綜合考慮生蒸汽壓力、已有各效蒸發(fā)器設(shè)計(jì)參數(shù)、預(yù)留用地情況、材料價(jià)格和施工周期等因素，因地制宜地確定改造方案。

2.4 經(jīng)濟(jì)效果

以成達(dá)公司設(shè)計(jì)的某30萬t/a燒堿蒸發(fā)單元為例，對(duì)三效蒸發(fā)、新增稀效技改、新增濃效技改3個(gè)方案的經(jīng)濟(jì)可行性進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比情況見表2。

表2 增效技改方案經(jīng)濟(jì)可行性對(duì)比表

由表2可知，30萬t/a燒堿蒸發(fā)單元增效技改投資約900～1300萬元，增效技改后蒸汽及循環(huán)水消耗大幅降低，每年可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用約550萬元，投資回收期為兩三年，對(duì)企業(yè)來講，經(jīng)濟(jì)效益顯著，且燒堿蒸發(fā)單元規(guī)模越大，帶來的經(jīng)濟(jì)效益越明顯。

2.5 降碳效果

以成達(dá)公司設(shè)計(jì)的某30萬t/a燒堿蒸發(fā)單元為例，對(duì)三效蒸發(fā)、四效蒸發(fā)兩種技術(shù)方案的碳排放進(jìn)行了核算，對(duì)比情況見表3。

表3 三效、四效蒸發(fā)技術(shù)碳排放對(duì)比表

由表3可知，30萬t/a燒堿蒸發(fā)單元增效技改為四效后，可實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排8875 t/a。如該堿液增

效技改方案在全行業(yè)得到廣泛推廣，按全行業(yè)燒堿總產(chǎn)能4633萬t/a的30%配備有堿液蒸發(fā)系統(tǒng)計(jì)算，可實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排約40萬t/a，社會(huì)效益顯著。

3 生蒸汽壓力對(duì)增效技改方案的影響

3.1 燒堿蒸發(fā)的總溫差和有效溫差

蒸發(fā)過程傳熱的推動(dòng)力是溫度差，在多效蒸發(fā)中，第一效生蒸汽溫度與末效二次蒸汽溫度之差稱為總溫差Δt總，各效有效溫差Δti之和稱為有效溫差和∑Δti，在無溫差損失時(shí)，總溫差同有效溫差和相等。但在燒堿溶液蒸發(fā)中，有效溫差和∑Δti小于總溫差Δt總，兩者的差值稱之為溫差損失，各效溫差損失和為∑Δi[5]?？倻夭睢⒂行夭詈蜏夭顡p失的關(guān)系如下。

式中：Δt總為總溫差，℃；T為第一效生蒸汽進(jìn)口溫度，℃；tn為末效二次蒸汽出口溫度，℃；∑Δti為有效溫差和，℃；Δti為第i效有效溫差，℃；∑Δi為總溫差損失，℃；Δi為第i效溫差損失，℃。

3.2 增效對(duì)溫差損失的影響

第i效溫差損失Δi由3部分組成：

式中：Δi′為燒堿溶液沸點(diǎn)升高引起的溫差損失，℃；Δi″為靜壓頭引起的溫差損失，℃；Δi?為二次蒸汽管道阻力降引起的溫差損失，℃；

在降膜蒸發(fā)過程中，降膜管內(nèi)不存在連續(xù)液相形成的靜液柱，故靜壓頭引起的溫差損失Δi″為0；二次蒸汽管道阻力降引起的溫差損失為很小，每?jī)尚чg的Δi?通常取1℃[3]；各效溫差損失Δi主要取決于Δi′，即堿液的沸點(diǎn)升高引起的溫差損失，故公式（5）可以簡(jiǎn)化為：

查NaOH水溶液的沸點(diǎn)圖可得30%～50%燒堿溶液沸點(diǎn)升高值Δi′，將該值代入公式（6）可得各效溫差損失值Δi，將各效溫差損失值代入公式（3），可得總溫差損失∑Δi。經(jīng)查圖及計(jì)算，燒堿三效蒸發(fā)總溫差損失∑Δi約為80℃，燒堿四效蒸發(fā)總溫差損失∑Δi約105℃，三效蒸發(fā)增效技改為四效后，總溫差損失多了約25℃。

3.3 增效技改對(duì)生蒸汽品質(zhì)的要求

根據(jù)公式（4）可知，在生蒸汽溫度與末效二次蒸汽溫度一定（即總溫差Δt總不變）的情況下，蒸發(fā)效數(shù)越多，總溫差損失∑Δi越大，有效溫差和∑Δti會(huì)越小，分配給各效蒸發(fā)管殼程的有效溫差Δti也會(huì)越小。在多效蒸發(fā)中，為了保證傳熱的正常進(jìn)行，每效溫差不能小于5～7℃，當(dāng)各效有效溫差Δti小到該值時(shí)，會(huì)出現(xiàn)蒸發(fā)量不足、產(chǎn)品濃度不達(dá)標(biāo)等生產(chǎn)不穩(wěn)定問題[4]；為了保證各效有較大的溫度差，相較于三效逆流蒸發(fā)，四效逆流蒸發(fā)需要更高品位的生蒸汽熱源，以彌補(bǔ)效數(shù)增多引起的溫差損失。

生蒸汽壓力升高則各效蒸發(fā)器溫差增大，同等生產(chǎn)能力下蒸發(fā)器所需換熱面積會(huì)更小，增效技改項(xiàng)目的投資會(huì)更少。故生蒸汽壓力不宜過低，否則各效溫差偏低，蒸發(fā)器面積變大，投資隨之增加；生蒸汽壓力也不宜過高，過高則蒸發(fā)器設(shè)計(jì)壓力提高，換熱管壁厚增加，投資隨之增加。

針對(duì)四效逆流降膜蒸發(fā)工藝，生蒸汽壓力合理的取值范圍為1.5～1.8 MPa，最低不得低于1.2 MPa。如生蒸汽壓力低于1.2 MPa，各效蒸發(fā)器能夠分配到的有效溫差平均值＜7℃，新增效換熱面積變大，會(huì)造成投資劇增和裝置運(yùn)行不穩(wěn)定等后果。技改時(shí)需根據(jù)生蒸汽壓力，在復(fù)核過已有各效蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)和換熱面積后，針對(duì)性地設(shè)計(jì)新增效蒸發(fā)器，并合理地在各效間分配有效溫差，方可達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

燒堿三效蒸發(fā)增效技改后，蒸汽消耗會(huì)大幅降低，碳排放也相應(yīng)減少，投資回收期為兩三年，有很好的經(jīng)濟(jì)效益；如在全行業(yè)得到廣泛推廣，可實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排約40萬t/a，有很好的社會(huì)效益。

燒堿四效蒸發(fā)需更高壓力的生蒸汽，以彌補(bǔ)效數(shù)增多引起的溫差損失。四效蒸發(fā)生蒸汽壓力合理的取值范圍為1.5～1.8 MPa，最低不低于1.2 MPa。增效技改有多種方案，方案選擇與投資及運(yùn)行效果密切相關(guān)，工程設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)局限某個(gè)特定的方案，要綜合考慮生蒸汽壓力、已有各效蒸發(fā)器情況、生產(chǎn)規(guī)模、預(yù)留用地情況、材料價(jià)格、施工周期和氣候條件等因素，因地制宜、因時(shí)制宜地開展增效技改設(shè)計(jì)。