氨碱法蒸馏塔热量平衡分析

顾元鹏，刘鸿浩，潘学彬，刘东鸿

(山东海化股份有限公司，山东 潍坊 262737)

蒸馏塔是氨碱法纯碱生产工序中母液蒸馏塔的总称，一般由蒸氨塔冷凝器、预热段、预灰桶、蒸馏段四部分组成，主要作用是回收系统的氨。蒸氨塔冷凝器是一个箱式热交换器，主要用来降低出气温度和水蒸汽含量，同时可以预热母液；
预热段主要用于预热母液，驱出液相中绝大部分的二氧化碳和硫化物以及一部分氨；
预灰桶是预热母液和石灰乳的反应桶，用来分解预热母液中的固定铵；
蒸馏段用于蒸馏混合液中的全部氨。

研究蒸馏塔的热量平衡有助于我们掌握热量损失方向，从而可以精准管控热量损失，提高热量利用率，降低能量损失，减少生产过程中的碳排放。借助热成像仪及DCS生产检测系统，我们对老线蒸馏塔系统进行了详细的检测和热量平衡分析。为进一步提高热量的利用率，增加换热器回收部分废液热量。

1.1 监测的主要内容

以老线2#蒸馏塔生产工况为监测主体，监测其蒸馏塔的热量分布及其热效率。测试参数包括：母液的温度、流量、物料组分、相对密度，石灰乳的温度、流量、物料组分、相对密度，凝缩液的温度、流量、物料组分、相对密度，消耗蒸汽的温度、压力、流量，废液的温度、流量、物料组分、相对密度，馏出气的温度、流量、物料组分。

1.2 监测要求

1)在进行监测、评价和编制能效测试及评价报告的过程中，要遵循国家有关蒸馏塔的运行能效监测及评估的相关标准；

2)对测试设备， 在设备热工况稳定或周期性设备达到用汽高峰时进行测试，时间应不少于1 h；

3)对热效率，连续生产的设备在热工况稳定后测试2 h；
周期性生产的设备测试一个生产周期；

4)蒸馏塔监测所用仪表仪器规格要求见表1。

表1 监测仪表及其精准度

1.3 测评依据

《蒸汽加热设备节能监测方法》(GB/T 15914-1995)

《用能设备能量平衡通则》(GB/T 2587-2009)

《评价企业合理用热技术导则》(GB/T 3486-1993)

《企业能耗计算与测试导则》(GB/T 6422-2009)

《节能监测技术通则》(GB/T 15316-2009)

图1 母液蒸馏塔的基本流程

把老线2#蒸馏系统看成一个热量交换的系统，在这个能量交换系统内，老线2#蒸馏塔收入的热量有煅烧来热母液、石灰来灰乳、淡液、蒸汽的热量及化学反应放出的热量。支出的热量包括出气带走热量、废液带走热量、化学反应吸收热、管道及设备损失的热量。

1)输入热量按下式计算：

Qr=GMρMCMΔtM+GLρLCLΔtL+GNρNCNΔtN+Dγw+Q1+Q2

式中：Qr——总输入热量，MJ/h；

GM——母液的流量，m3/h；

ρM——母液的相对密度；

CM——母液的比热容，kJ/(kg·℃)；

ΔtM——母液温差，℃；

GL——石灰乳的流量，m3/h；

ρL——石灰乳的相对密度；

CL——石灰乳的比热容，kJ/(kg·℃ )；

ΔtL——石灰乳温差，℃；

GN——淡液的流量，m3/h；

ρN——淡液的相对密度；

CN——淡液的比热容，kJ/(kg·℃ )；

ΔtN——淡液温差，℃；

D——蒸汽的消耗量，t/h；

γw——所耗蒸汽的焓值，kJ/kg。

Q1——NH4Cl和Ca(OH)2的反应热，kJ/h；

Q2——预灰桶中CO2和Ca(OH)2的反应热，kJ/h。

2)蒸馏的有效热量按下式计算：

Qyx=GyρyCyΔty+GNCNΔta+GCCCΔta+GWMWγ′W+Q3+Q4+QN+QC

式中：Qyx——蒸馏的有效热量，kJ/h；

Gy——废液的流量，m3/h；

ρy——废液的相对密度；

Cy——废液的比热容，kJ/( kg·℃)；

Δty——废液温差，℃；

Δta——馏出气温差，℃；

GN——馏出气NH3的流量，kmol/h；

CN——NH3的比热容，kJ/ (kmol·℃ )；

GC——馏出气CO2的流量，kmol/h；

CC——CO2的比热容，kJ/(kmol·℃ )；

GW——馏出气H2O的流量，kmol/h；

MW——H2O的摩尔质量，g/mol；

γ′W——水在馏出温度下的潜热，kJ/kg；

Q3——NH4HCO3的分解吸热，kJ/h；

Q4——(NH4)2CO3的分解吸热，kJ/h；

QN——NH3的挥发吸热量，kJ/h；

QC——CO2的挥发吸热量，kJ/h。

3)蒸馏设备的热效率按下式计算：

式中：qyx——蒸馏设备的热效率，%。

老线2#蒸馏塔，φ3200×37285，沈阳铸造厂，容积297 m3；
工作温度82～115 ℃，工作压力7～60 kPa，填料高度4×2 m，腐蚀裕量3 mm，保温材料：硅酸盐复合板，保温层厚度100 mm。

表2 老线2#蒸馏塔监测数据

表3 老线2#蒸馏塔收入、支出热量

通过人工现场监测，及DCS生产系统监测数据，可测算出蒸馏塔收、支热量及其热量分布，详细热量分布数据见表3。

其中系统收入总热量6 673.71 MJ/t碱，系统损失热量656.33 MJ/t碱，qyx蒸馏设备的热效率90.17%。

另外，系统支出热量中，废液带走热量占比较大，占总支出热量的41.30%。

我厂蒸馏塔的蒸汽总消耗在1.5 t/t碱左右，一次蒸汽在1.2 t/t碱左右，占纯碱原料总成本的22%左右。蒸馏汽耗的高低对纯碱企业的竞争力，有很大影响。从分析数据看降低汽耗主要有以下几个措施：

1)提高氨盐水盐分，减少系统循环量，降低母液当量和灰乳当量；

2)通过闪发等手段，回收更多的废蒸汽；

3)提高蒸馏塔一闪和二闪的效率，回收更多蒸汽；

4)提高蒸馏塔真空，提高化学反应的速度；

5)提高灰乳的温度和浓度，增加灰乳带入的热量；

6)利用废热提高母液温度，增加母液带入的热量；

7)做好设备保温减少热损失。

8)降低废液温度，减少热量损失。

母液蒸馏是纯碱厂三大热能消耗工序之一，塔底废液带出的热量是蒸氨系统耗能占比最大的一项，主要是显热带出。通过检测可知，该部分热量占总支出热量的53.99%，回收利用蒸馏废液的热量是降低生产能源消耗的可行途径。蒸馏废液热量回收的方法如下：

将高温蒸馏废液热量回收利用，通过废液热交换器来制取热水，用于生产工艺，也可以用作冬季采暖，或用于海水淡化。

基于现场情况和测试结果，发现蒸馏塔废液经过两次闪蒸后，还有大量的热量可供回收利用。老线废液流量30 000 m3/d，新线废液流量40 000 m3/d，废液温度均在85 ℃左右。若把现有废液温度降低到50 ℃排放，则老线热回收潜力达51 MW，新线热回收潜力达68 MW，总回收潜力达119 MW，年折合标准煤12.8万t；
若把现有废液温度降低到30 ℃排放，则老线热回收潜力达80 MW；
新线热回收潜力达107 MW，总回收潜力达187 MW，年折合标准煤20.1万 t。

目前我厂做过多次测试，从废液泵出口接一测试管线，通过天津某设备公司生产的“废液换热器样机”换热后返回废液池，给淡水间接换热提温。一开始运行正常，后来因设备结疤严重停用。近期天津又一企业拟采用特殊材料的换热设备进行测试，从现场看模拟测试看，效果不错，期待下一步的连续性测试。

当前，我厂已对所有的蒸馏塔进行了详细的热量检测和热量平衡分析，其中蒸馏塔的热效率控制在84.6%～92%,热量利用率较高。在对废液管线增加换热器后废液温度可降低到50 ℃排放，则总热量回收潜力可达119 MW，年折合标准煤12.8万 t。

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