新建22.5万t/a固碱项目工艺优化设计

任晓佳，陈天宇，佘鸿俊

(1.新疆中泰化学托克逊能化有限公司，新疆 托克逊 831500;2.武汉立为工程技术有限公司，湖北 武汉 430000)

新疆中泰化学托克逊能化有限公司高性能树脂项目在原项目基础上新建22.5万t/a的固碱装置，即3套7.5万t/a熔盐法固碱浓缩装置工艺的生产线。

因当地气源限制，本项目使用燃煤加热熔盐的工艺方式，配套设有烟气脱硝、除尘、脱硫处理装置。

1 项目概况及建设意义

项目前期已经建成如下装置:20万t/a本体法专用料树脂装置、9万t/a特种糊状树脂装置、22.5万t/a离子膜法烧碱装置、30万t/a氯乙烯单体装置、配套整体基础设施工程。目前已建成装置生产50%碱液，无固碱产品，为了丰富产品结构，提高市场竞争力，新增设计固碱装置。本项目由片碱及浓缩系统、熔盐炉系统、烟气处理系统3部分组成，配套建设辅助装置包括固碱循环水站、固碱机柜间、固碱变电所、固碱仓库。

2 工艺方案

2.1 工艺流程

2.1.1 片碱生产工艺流程

由蒸发工段送入的50%碱液进入降膜蒸发器，碱液一次流过该蒸发器，在真空状态下质量分数从50%提升至约62%;产生的二次蒸汽在表面冷凝器中凝结，收集于工艺冷凝液罐中，由泵送出界区。62%的碱液一次流过特种设计的最终降膜浓缩器，质量分数提升至98.3%;最终浓缩器处于负压状态，产生的蒸汽用于加热降膜蒸发器。在闪蒸器中，系统压力变为常压，通过闪蒸效应，烧碱质量分数被最终提至98.5%。

为避免最终浓缩器受到高浓度烧碱的重度腐蚀，须向碱液中加入适量糖水。在糖液制备罐内准备质量分数5%～10%的糖水，用计量泵将糖水定量投入工艺装置中。

熔融碱从闪蒸器通过排料管流入特殊设计的分配器。之后，熔融碱靠重力经熔盐伴热的管线流向片碱机，在片碱机内，熔融碱被制成低温片碱。片碱生产工艺流程如图1所示。

图1 片碱生产工艺流程图Fig.1 Process flow of flakey caustic soda production

2.1.2 熔盐系统

熔盐系统由熔盐槽、熔盐泵、熔盐炉、除氧器、余热锅炉、空气预热器、鼓风机、引风机组成。固体粉末状熔盐装填在熔盐槽由电加热器将熔盐加热成熔融状态，由熔盐泵将熔盐打至熔盐炉加热至约430℃，高温熔盐将质量分数62%烧碱蒸发至无水状态，传热后的熔盐在重力作用下流回熔盐槽。同时，高温熔盐也作为闪蒸器、分配器及高浓度碱液的伴热介质，伴热后回流到熔盐槽中。熔盐系统流程图如图2所示。

图2 熔盐系统流程图Fig.2 Process flow of molten salt system

由熔盐炉出来的高温烟气通过两级余热锅炉副产蒸汽，蒸汽回收至蒸发装置回收利用，烟气经脱硝、除尘、脱硫后通过烟囱达标排放。烟气流动的主要动力为引风机，并保证整个烟气系统微负压的工况。

燃料煤是通过上煤输送系统送入炉前煤斗内，再通过炉排的运转进入炉膛内燃烧;助燃空气由鼓风机送入。

2.1.3 烟气处理系统

新建3套熔盐炉烟气脱硝、除尘、脱硫处理装置，配套3条片碱生产线，单条线处理能力30 000 m3/h。脱硝采用选择性催化还原技术(SCR)，还原剂为尿素;除尘采用布袋除尘工艺;脱硫采用电石渣－石膏法湿法脱硫工艺，电石渣浆液的主要成分为5%～25%的Ca(OH)2、0.03%硫化物和磷化物。处理后的烟气通过脱硫吸收塔顶部烟囱排入大气，塔体及烟囱高度约34.5 m。

(1)脱硝工艺流程简述。

脱硝采用选择性催化还原技术，还原剂为外购的尿素颗粒。由人工将尿素颗粒投入尿素溶解罐中，搅拌，并经蒸汽加热制成质量分数15%～20%尿素溶液，然后转移输送到尿素溶液储罐，储罐内的尿素溶液经输送泵输送至计量分配模块，再与压缩空气混合经喷枪雾化后，喷入热解器内热解，产生氨气。氨气与高温烟气混合后送至入口烟道，在催化剂的作用下与烟气中的NOx反应生成N2和H2O，从而达到烟气脱硝的目的。

(2)除尘工艺流程简述。

从空气预热器出来的烟气进入布袋除尘器，从侧面经箱体下部进入灰斗后，大颗粒在重力作用下在灰斗内沉降下来，小颗粒跟随烟气一同进入袋滤室，通过滤袋表面的惯性、碰撞等综合效应，粉尘沉降在滤袋表面上并形成粉尘层;净化后的烟气进入净气室经引风机送至脱硫吸收塔。滤袋上的粉尘经压缩空气定期喷吹，掉落在灰斗内，再经卸料阀及螺旋输送机输送至灰仓存储。

(3)脱硫工艺流程简述。

本装置脱硫采用电石渣－石膏法湿法脱硫工艺，脱硫剂为来自厂区的电石渣浆液。吸收塔内烟气中的SO2与电石渣(主要成分氢氧化钙)反应后生成亚硫酸钙，经氧化空气强制氧化为石膏，再由石膏排出泵输送至石膏脱水系统脱水后外运。吸收塔采用单回路喷淋塔设计，设置氧化空气管网，塔内吸收段设置合金增效板和标准喷淋层，每层喷淋层配1台浆液循环泵，塔上部设置高效除雾器。该工艺技术经广泛应用证明是十分成熟可靠的。烟气从引风机出口烟道引出进入吸收塔，经过合金增效板对烟气进行均布，与来自上部的喷淋层的浆液逆流接触，进行脱硫吸收反应，脱硫后的净烟气经吸收塔顶部除雾器除去携带的液滴，此时温度约54℃。脱硫后的净烟气通过塔顶烟囱排放至大气。

烟气处理工艺流程如图3所示。

图3 烟气处理系统流程图Fig.3 Process flow of flue gas treatment system

2.1.4 循环水系统

本系统由循环水泵房、闭式冷却塔(带喷淋集水盘)、膨胀罐、循环给水泵、全自动过滤器、过滤器出水提升泵、加药装置及系统管线等组成。经过工艺换热升温后的循环回水，依靠余压送至冷却塔，经闭式冷却塔冷却后由设置在泵房内的循环给水泵加压，分别送至各用户。冷却塔利用集水盘中水喷淋冷却。采用全自动过滤器对循环水进行旁滤处理。采用全自动水质稳定加药装置为闭式系统和喷淋系统投加缓蚀阻垢药剂。为防止喷淋系统中菌藻的滋生，采用冲击式投加次氯酸钠的方式加以控制。循环水补充水由生产水直接供给，排污水送至原有厂区中水回用工段处理。

2.2 设计数据

2.2.1 主要原料供应及来源

主要原料供应及来源如下:50%碱液，年用量45万t，来自现有装置;固体蔗糖，年使用量56.25 t，外购;98%尿素(固态)，年使用量144 t，外购;15%电石浆液，年使用量11 456 t，来自现有装置;熔盐(KNO3+NaNO3+NaNO2)，年使用量252 t，一次性填充，外购;块煤，年使用量4.92万t，外购。

2.2.2 产品品种及规模

产品品种及规模:片碱，22.5万t/a，外售;煤灰，3 586 t/a，制水泥;石膏，4 800 t/a，制水泥。

2.2.3 工程综合技术经济指标

生产水:正常用水量，58 m3/h;最大用水量，65 m3/h。生活水:正常用水量，0 m3/h;最大用水量，2 m3/h。纯水:正常用水量，8 m3/h;最大用水量，13 m3/h。供电:动力电，4 118.4 kW。

2.2.3 烟气排放指标控制

烟囱出口污染物排放浓度满足SO2质量浓度＜68 mg/m3(标态、干基、9%O2)、NOx质量浓度＜138 mg/m3(标态、干基、9%O2)、颗粒物质量浓度＜20 mg/m3(标态、干基、9%O2)。

3 优化设计

3.1 碱系统

本项目设计增加了废碱回收系统，该系统由废碱罐、废碱泵、废碱冷却器、管道阀门等组成，用于收集装置停车排放的废碱，主要来自U形弯排碱、清洗片碱机废碱水、分配器溢流碱、50%和62%烧碱管道停车排放碱等。用纯水或二次蒸汽冷凝液对收集的废碱进行溶解，质量分数达到30%～50%的碱液由废碱泵送至蒸发工序32%碱缓冲罐进行回收。减少了人工收集搬运废碱工作，提高了生产效率，降低了员工劳动强度，改善了现场作业环境。

3.2 熔盐系统

采用电加热装置将熔盐槽内的熔盐加热熔融，使其处于能流动的熔融状态。以往蒸汽化盐往往需要很长的时间，且产生极大的噪声，使用电加热方式不仅缩短了化盐时间，满足不同的生产状态，也能改善作业环境。

因燃煤熔盐炉的特殊性，本项目熔盐炉设计两条熔盐回流主管线，当浓缩装置停车时，熔盐循环系统持续运行，使生产工况更加灵活。

烟气系统设计两级余热锅炉，即每小时产生10 t 1.0 MPa(表压)的蒸汽，回用至蒸发装置代替生蒸汽加热浓缩32%碱液，以降低50%碱的生产成本。

3.3 烟气处理系统

3.3.1 脱硝系统

脱硝系统采用目前最先进和可靠的SCR脱硝技术，工艺系统成熟可靠并有较高的脱硝效率，脱硝催化剂采用目前最可靠的高温催化剂，选择合适的流速，保证脱硝效率的同时，延长催化剂的使用寿命。在选择性催化剂还原脱硝工艺技术中，目前行业根据还原剂的来源分为:液氨脱硝、氨水脱硝、尿素脱硝3类。

受到一些液氨泄漏灾难事故的影响，液氨在脱硝中的应用越来越受到限制，不被采用。

在新疆地区，因气候、环境、安全的要求，氨水储罐需要放置在通暖的封闭厂棚内。根据GB 12268《危险化学物品名录》规定，氨水也是一种危险品。氨水在封闭空间内存储的安全要求也相对较高，且氨水在运输过程中的危险性远高于液氨，运输和存储成本较高。

尿素是农用肥料，在运输和存储中无需考虑安全及危险性，尿素的供氨系统也不需要特殊的安全防护。尿素没有溢出危险，对周围环境要求低。在催化剂效率相同的情况下，用尿素要比氨水好，因为即便是尿素喷多了，对设备的腐蚀性也可以控制;如果直接喷氨水，喷多了会污染设备(氨有一定的吸附性和腐蚀性，附着在烟道上很难消除)。

尿素被认为是安全、环保的脱硝还原剂。因此，在环境和安全要求比较高的地区和企业，以尿素作为还原剂的脱硝工艺是一种适当的选择。

本项目脱硝利用锅炉高温烟气热解尿素，为脱硝提供反应所需氨气，节省了尿素热解、水解所需的蒸汽和电消耗，极大地降低了脱硝系统的运行成本。

3.3.2 脱硫系统

湿法脱硫技术效率高、操作简单。常用的电石渣浆液－石膏法的湿法烟气脱硫技术原理是利用电石渣浆液吸收烟气中的SO2，生成亚硫酸钙，经空气氧化后生成含结晶水的石膏。根据中泰化学循环经济发展理念，生成的石膏可以送到绿色建材厂制水泥。该方法操作简单，二次污染少，无结垢和堵塞问题。该反应为气液反应，反应速度快，脱硫效率高，生产运行安全可靠，是目前世界上技术成熟、运行稳定的脱硫工艺，脱硫效率达到90%以上。湿法脱硫与干法脱硫相比，设备磨损及结垢大大减轻，且能较好地适应系统负荷正常波动，对运行人员水平要求一般，有利于系统的长期安全稳定运行。脱硫系统采用成熟可靠的电石渣－石膏法脱硫工艺，使得难以处理的电石渣得到了合理利用。

脱硫系统采用塔顶烟囱方案，不单独设烟囱，节约用地的同时节省了项目投资费用。脱硫吸收塔设计采用增效板塔方案，选取合适的液气比及浆液停留时间，保证脱硫效率的同时节省项目投资费用。

3.4 冷凝液的综合利用

碱液由50%浓缩至62%生成的二次冷凝液，理论上水质接近于纯水水质，设计去上游离子膜装置以及纯水站的蒸汽冷凝液罐回收利用。在装置内，这部分水也用于化糖水、溶解回收的废碱。

3.5 吹灰系统

由于使用烧煤熔盐炉系统，在燃烧过程中系统会积灰，从而影响燃烧效率，因此须定时吹灰。本装置使用激波吹灰器和声波吹灰器两种相结合的设计工艺，熔盐炉、余热锅炉、空气预热器分别设置7个激波吹灰点，烟气处理系统SCR反应器设置1个声波吹灰点，及时清理系统积灰，保证系统正常有效运行。

3.6 锅炉补水系统

锅炉补水来自外网纯水和蒸发机封水罐，当外网纯水无法供应时，这部分水也能及时给余热锅炉补给，以缓解锅炉故障缺水的情况。由外网供给的纯水，经除氧器加热沸腾除去纯水中可能含有的空气后，经给水泵打入两级余热锅炉。

3.7 上煤系统

本项目燃料煤储运工段设置燃料煤库一座，占地约600 m2(40 m×15 m)，最大储量约600 t。煤库内设置卸煤地坑，铲车将燃料煤送至地坑内。地坑下设振动给煤机，最大给料能力15 t/h。之后通过带式输送机运送至锅炉煤仓。煤仓系统内设有电磁除铁器、电皮带秤、除尘、水冲洗等辅助设施。

汽车直接进入煤库卸煤。本系统由封闭式煤库、振动篦子板、振动给煤机、带式输送机、电子皮带秤组成。经振动篦子板筛选合格的块煤由振动给煤机输送至上煤皮带上，随着带式输送机的转动，燃料煤经电子皮带秤称量后分配到熔盐炉前煤仓中，再落入炉排上，随着炉排转动至炉膛进行燃烧。

本项目改变以往铲车上煤的作业模式，既满足环保要求，又最大程度减少作业人员劳动强度，也是本项目最大程度采用自动化设计理念的体现。

3.8 输灰系统

除尘系统采用成熟可靠的布袋除尘工艺，除尘器输灰系统采用“灰仓+吸灰车”的方式。本项目共有3台除尘器配套的输灰系统，为机械输灰，采用两级螺旋输送的方式，能够满足除尘器在正常工作时的输灰要求，保证不出现因输灰不及时造成的除尘器故障。螺旋输送机及灰仓系统主要包括手动隔离插板阀、管式螺旋输送机、灰仓系统及相应的电气热控辅助系统。经过两级输灰，将除尘器收集下来的煤灰由吸灰车拉至水泥厂，改变以往人工收集输送煤灰的作业模式，极大程度改善作业环境并缓解作业人员劳动强度。

4 结语

本项目采用世界上先进的片碱生产工艺技术、燃煤熔盐炉技术以及烟气处理技术，在此基础上，以提升装置本质化安全设计，提高智能化水平，降低作业人员劳动强度以及改善固碱生产现场环境的设计理念为出发点，对装置全系统工艺进行深入设计优化，并得以实施。装置即将投入运行，设计中未考虑到或设计不足的方面将继续完善改进。

该项目建成投产后将丰富产品结构，有利于公司整体产业链的平衡和生产的运行安全，同时降低碱液产品的销售与存储压力，提高氯碱板块运营效益，进一步提高企业抗市场风险能力。