论氨碱厂节能设计

李相福

（中国天辰工程有限公司，天津 300400）

节能、环保、安全是现在国家对于新建项目严格控制的内容，节能对于国家可持续发展，企业增加经济效益至关重要。本文就以天辰公司多年和多个纯碱项目的设计经验并以某百万吨级纯碱项目的设计为例对节能设计进行综合论述。

1 采用新技术、新工艺

氨减法工艺经过百余年的发展，虽然主体路径没变，但很多地方有了长足的改进。规模节能不言而喻，纯碱生产规模的大型化是纯碱节省投资、节约能耗、提高效益的基本措施。我国过去的氨碱厂，起初的建设规模有年产2万t至40万t等，到了80年代，我国建设了三个年产60万t的纯碱厂，到了21世纪，国家产业政策规定，一次性建设氨碱厂的规模不小于100万t／a，设备大型化及DCS控制在生产管理、单位产品投资、单位产品能耗等方面均显示出极大优势。

工艺技术节能是节能工作的核心，在近期的纯碱项目中，主要有下述几方面的节能措施：

1.1 蒸馏工段的节能降耗设计

蒸馏工序是氨碱厂主要耗能工序之一，生产好坏，很大程度上影响全厂的能耗、氨耗和石灰消耗。在蒸馏工段设计中，主要采取了以下措施：

1）采用筛板塔及新型预灰桶，减缓蒸馏设备的结疤速度，延长蒸馏操作周期，减少停塔清理次数，避免因开停塔造成的能量及氨损失。同时，该塔与传统的菌帽塔相比，生产强度提高两倍，劳动强度大大降低；

2）采用母液与淡液分开蒸馏，压力蒸馏与真空蒸馏相结合的工艺路线，节省了能源并降低了氨耗、水耗；

3）蒸馏废液的二级闪蒸回收余热。以往蒸氨废液直接排放或经过一级闪蒸，不回收热量或仅回收一次废液热量，排出的废液温度较高，厂区烟雾腾腾。在近年来做的设计中，对该工段的节能减排问题进行了优化革新，采用两级闪蒸回收热量工艺技术路线，即从蒸氨塔底圈排出的蒸馏废液的温度大约为103～106℃，为回收该热量，系统设置了两级闪蒸系统，经一级闪发器闪出的蒸汽与加灰蒸馏段出来的汽气混合气一起进入加热分解段，经二级闪发器闪发的蒸汽进淡液蒸馏塔作为淡液蒸馏的热源。由于经二级闪发后废液的温度降低，为废液排放泵的选择提供了有利条件。采用这种工艺路线，可降低蒸汽的耗量，大约每吨纯碱节约蒸汽150～200kg。

1.2 重灰生产节水技术

重灰生产是目前纯碱行业发展的趋势，其生产方法有水合法和挤压法，其中水合法较为普遍。采用水合法每吨碱要加入大约375kg的水合水，该部分水经过脱水干燥后随干燥尾气排出，大多厂家排入大气。对于年产100万t纯碱厂，每天将会排入大气近900t水，这是个不可忽略的量，根据此特点，在重灰的脱水干燥工艺部分做了特别设计，首先采用了回转式干燥炉，排出的尾气90%以上为干燥的水蒸汽，然后进入炉气冷凝塔，经过冷凝后，大部分水蒸汽成为冷凝水被回收，同时，由于对排出尾气的管道及冷凝设备材质做了特别选择，所以得到的冷凝液色度较好，该冷凝液作为水合水返回水合系统重复利用。

1.3 蒸汽冷凝水液位控制技术

纯碱生产的煅烧工段采用蒸汽作为热源进行重碱的分解反应，为保证系统蒸汽热能的充分利用，避免蒸汽随冷凝水排出而贬为低能级使用，需要阻气排水装置对冷凝液进行控制，煅烧工段冷凝液控制系统曾采用疏水阀、冷凝水罐液位调节系统等，这些装置在运行一个时期后会出现故障而导致控制失调，造成汽耗增大或影响正常生产。为此，选用了近年来开发运用的汽液两相流自调节液位控制器，有较好的阻气排水功能，能保持冷凝水罐的液位稳定，保证设备长周期运行，节省了检修费用，降低了劳动强度，同时也降低了蒸汽耗量，与原有工况相比，大约可节省蒸汽150～200kg／t纯碱。

1.4 粉体流凉碱机技术

粉体流凉碱是借助板式换热器的高传热性能，结合密相输送原理，用于固体换热的间壁冷却器，换热板组垂直放置，板组间待冷却的纯碱自上而下依靠重力缓慢下降，与传热板内的冷却介质进行换热。该技术在工艺流程、设备结构以及运行能耗方面具有创新性，首次在国内纯碱项目中采用，该设备无需进气及排气处理单元，并没有空气与待冷却的纯碱进行接触，消除了传统流化床冷却所带出的粉尘对环境的污染，使得纯碱冷却更柔缓，特别是能耗低，对于100万t／a重质纯碱的冷却，每小时可降低1 000kW的用电负荷，使年操作费用大大降低。

2 主要设备的能效指标和节能措施

设计中选用能效高的设备；对于高功率的用电设备采取软启动，对有能力调节要求的用电设备采取变频的方式，均为非常有效的节能措施。

2.1 具有能效指标的电机和动力设备

表1 电机和动力设备的能效指标

2.2 设备采取的节能措施

1）对于功率较大的电动机，采用变频器或软起动器控制。

表2 电动机的启动控制与功率

2）提高设备的自然功率因数，对电气设备采用集中补偿，减少配电线路截面，既节省了材料，又减少了线路损耗。

2.3 主要耗能设备和换热设备

1）主要能耗设备

表3 主要能耗设备的热效率

2）主要换热设备

在换热设备的选择中，采用了波纹管换热器，如压缩工段的后冷器和重灰工段的炉气冷凝塔等，大幅度改革了传统的铸铁水箱冷却器，传热系数高，换热效果好，体积小、重量轻，而且汽液分离效果好，投资省，有利于降低能耗。在纯碱行业中，位居先进水平。

2.4 机电设备选型

在设计中生产装置、辅助生产装置和公用设施选用技术先进、性能可靠、材料优良、结构合理、运行稳定、机械强度高、使用寿命长的节能型机电设备。

3 热能的综合利用

在纯碱装置中，对于有热源的介质和需要热源的介质作到互相利用。

1）蒸吸工段蒸氨气体的热量，一部分由一次水直接冷却，该冷却水可被预热至45℃，送入化灰、化盐工段，提高化灰、化盐的速度，剩余热水可被送至脱盐水工段，作为原水升温兑和用。

2）脱盐水站的软水，在送至锅炉房之前，可利用工艺装置中废淡液的热量，使之加热。

3）冷母液的预热利用了蒸氨气体的热量。

4 供、变电系统的节电措施

1）所有装置的变电所均设置在负荷中心，以减少电能传输中的线路损耗。

2）合理地设计主接线方案，少用或不用限流电抗器。在限流电抗器上并联大容量快速高分断开关，正常运行时，供电电流通过大容量快速高分断开关传输，避免了电抗器的损耗；发生短路故障时，大容量快速高分断开关瞬间断开，由电抗器限制短路电流。既保证了供电的安全，又最大限度地减低了损耗。

3）发电机的10kV引出线、主变压器的10kV引出线，工作电流很大。常规的设计是采用铜芯电缆，改为采用绝缘铜管母线。利用电流的集肤效应，在使用的铜材重量相同的情况下，大大降低了引出线上的电能损耗。

4）变电所内部布置，在满足国家规范的情况下，尽量缩短低压侧母线的距离，以减少母线损耗。

5）所有电力变压器，均采用最新的、也是节能效果最好的低损耗高效率节能型电力变压器。

6）运行中功率变化较大的用电设备，如热电站引风机、一、二次风机、给水泵，均采用液力偶合器调速控制。在工艺负荷降低时，降低无谓的电能消耗。

7）在各装置变电所的10kV及0.4kV母线上，就地设置电力电容器补偿装置，以提高全厂的功率因数。将无功消耗控制在最小。

8）照明电源采用智能照明控制器，根据需要自动控制所有灯具。照明灯具采用损耗低、发光效率高的光源和灯具。

9）以经济电流密度来选择电缆，合理选择电缆路径以降低线路的损耗。

10）采用智能化数字式控制的电动机软起动器。比串联自耦变压或电抗器的启动方式，明显降低了电动机的启动损耗。

5 建筑物节能措施

综合楼和门卫等建筑按民用公共建筑考虑，所属地区为属寒冷（ⅦD）气候地带的建筑，根据《民用建筑热工设计规范》要求和《公共建筑节能设计标准》GB50189－2005进行节能设计。具体节能措施如下：

1）控制建筑体形系数不大于0.40。

2）建筑物北向窗墙比0.20；西向窗墙比0.18；南向窗墙比0.55；东向窗墙比0.30。当窗（包括透明幕墙）墙面积比小于0.40时，玻璃（或其他透明材料）的可见光透射比大于0.4。外窗的可开启面积不小于窗面积的30%。

3）采取墙体外保温措施，选用50厚挤塑聚苯板保温。墙体材料采用200厚混凝土小型空心砌块墙，外墙饰面为干挂花岗岩饰面。

4）屋面采用架空隔热通风屋面，70厚挤塑聚苯板保温层。

5）外窗选用隔热铝合金窗，玻璃为15mm厚中空镀膜玻璃（5mm厚镀膜玻璃＋6mm空气层＋4 mm钢化玻璃），外窗的气密性不应低于《建筑外窗气密性能分级及其检测方法》GB 7107规定的4级。窗上口设有铝合金水平和垂直式遮阳板组合成的综合遮阳系统。

6）混凝土梁、柱部位采用防热桥构造措施。

7）空调系统在设计时采用符合国家要求的节能设备及材料。室内设温控器，以利于节能。

以上措施均能达到良好的保温隔热效果，使建筑的冷热负荷均可在较小范围内调节。

6 给排水系统节能措施

1）采取分压供水方案：循环水补水利用管网余压，直接进入循环水系统，蒸吸用高压生产水单设一套水泵供给，高低压生产水分开设置，生活水泵采用变频电机，减少剩余能量浪费。

2）蒸吸工段的高压生产水用后利用其余压余温用于盐水工段化盐、脱盐水工段作为生产原水，节省了换热设备，节能节水。

3）输水管线选用经济流速，尽量减少能量损失。

4）冷却塔风机采用三速电机。循环水系统浓缩倍数为5，达到国内先进水平，以实现节水节能。加药采用在线监测全自动加药系统，循环水泵设置调峰泵，减少能量浪费。循环水泵采用空冷，节约循环冷却水。

5）根据地区气象条件，提高循环水系统供回水温差（12℃），节水节能。

6）循环水站用电负荷大，靠近总变电所及配电间，节约电缆长度，降低阻耗，节约电力。

7 热电系统

对于氨碱法纯碱生产工厂，要消耗各种形式的能量，通常情况下，使用的能源是作为一次能源的燃料和二次能源的蒸汽、电等。氨碱厂使用蒸汽主要作用有两方面，一是作动力用，驱动二氧化碳压缩机及真空机的汽轮机，二是作为热源用于轻灰煅烧炉、重灰煅烧炉、母液蒸馏、淡液蒸馏；其压力等级分别为3.6MPa、3.1MPa、1.4MPa、0.4MPa。

锅炉选用热效率达91%的高温高压循环流化床锅炉，各参数蒸汽分级提供，充分利用高温高压蒸汽的热能，通过汽机做功发电后产生的不同参数等级的蒸汽，来满足不同用汽部门用汽需要。汽轮机设计为抽背型，不设置冷凝，避免了由冷凝而导致的大量热损失。如从发电机背压汽排汽管道3.82 MPa蒸汽母管引出一条管线直供装置区压缩机，压缩机作功后产生0.35MPa蒸汽除供蒸馏用汽，不足部分由抽背汽轮机背压汽补充。另引出一条管线经减温减压降至3.3MPa，310℃送至轻灰煅烧工段，轻灰工段作功后，产生的1.4MPa余汽供重灰煅烧炉，产生的0.4MPa余汽供蒸馏用汽。重灰煅烧炉用汽由轻灰煅烧炉余汽供给，不足部分由1.6 MPa蒸汽母管补充，重灰煅烧炉产生的0.4MPa蒸汽供蒸馏用汽。电站回热系统中低压0.35MPa用汽由抽背汽轮机的背压蒸汽供给，回热系统中高压除氧器及高压加热器用汽由抽背机汽轮机抽汽及3.82MPa蒸汽经减温减压提供。轻灰煅烧炉及重灰煅烧炉产生的152℃凝结水返回电站经凝结水回收器进入除氧器。

工艺用汽装置间接加热的蒸汽冷凝水全部返回热电站作为锅炉给水，最大限度的节约脱盐水。热电站设置低位疏水箱及疏水箱，全面回收热电站内部各等级及各标高蒸汽管道的疏水，既节约了热能，又减少了排放。利用锅炉排污的废水，作为采暖补充水的一部分，排污二次汽回收利用，以节约能源。用冷渣器加热脱盐水，使锅炉渣的废热得以回收利用。

循环水排污水用于干灰搅拌及输煤系统冲洗，在主要用户安装流量表，合理分配和调节各用户的水量。除氧器采用低压和高压两级旋膜热力除氧器，减少蒸汽损失，节约能源。

8 单位产品行业可比能耗指标分析

表4 全厂能源的品种及年消耗量

表5 单位产品行业可比能耗指标分析

表6 产品可比能耗水平对比（轻质碱）

依据能源消耗核算结果，建成达产后，单位产品（每吨）的综合能耗为11 708MJ，折标煤0.3995t。

工厂节能设计要从工艺、设备、电气、热电、建筑、管理等诸方面考虑，才能实现工厂从根本上有效节能的目的。按照设计方案，百万吨级纯碱装置建成达产后，年消耗能源折合标准煤456 017t，可比单位产品能耗（轻质碱）为11 708MJ／t，在国内纯碱行业中处于领先水平，达到世界先进水平。