五效蒸发制硝装置进行MVR改造的可行性分析

廉 颖，王 磊，龚 琦，宫 维，张为之

(江苏新源矿业有限责任公司，江苏扬州 225002)

1 前言

江苏淮安是华东地区井矿盐的主要产区，同时也是无水芒硝的生产基地。由于占据地理和市场的优势成为全国元明粉供应的主要产区。淮安地区无水芒硝的生产工艺多采用五效真空蒸发工艺，尚未有MVR技术应用先例。但随着2017年江苏省“两减六治三提升”专项行动实施方案的出台，传统制硝企业面对能源接替的紧迫难题。在35 t/h及以下燃煤锅炉淘汰的前提下，如何利用真空制硝装置进行生产成为待解之题。

近年来MVR技术在国内制盐行业已经得到普遍的推广与应用[1-3]，尤其在制盐工业新建工程中已经占有相当大比例，同时也有制盐企业将ME进行MVR改造的成熟案例[4-6]。制盐企业在引进和消化吸收MVR制盐技术上做了大量研究和探索，为机械热压工艺的应用[7-10]提供了宝贵的经验。文章将以江苏新源矿业有限责任公司现有21 万t/a ME制硝装置为例，借鉴制盐行业成熟经验，探讨将传统制硝装置进行MVR改造的可行性。

2 概况

江苏新源矿业有限责任公司现有一套硝盐联产装置，采用五效真空蒸发制硝+母液回收制盐。硝盐联产工艺主要是制硝为主，副产工业盐。原料硝水中NaCl含量在35 g/L～100 g/L之间。整套装置2012年竣工投产，已稳定运行5 a，产品综合能耗128 kg标煤/t，主要配套工程为35 t/h循环流化床锅炉+3 MW背压式汽轮机。所以，文章中仅对真空制硝装置的MVR节能改造进行探讨。

2.1 制硝工序工艺流程简介

硝工序有五组蒸发罐，原料硝水从末效(EV205)循环腿进料口进入，依次向前逆流转料，利用各效真空度的不同，逐效依次升温蒸发，料液中的Na2SO4分别在各组罐中蒸发析出结晶，一效、二效蒸发罐分别将硝浆排入硝浆桶，经过增稠、干燥，通过气力输送装置送至包装车间。同时随着蒸发的进行，罐内料液中NaCl浓度则逐效升高当首效(EV201)中料液成分接近饱和时，母液外排，见图1。

图1 五效真空制硝工序工艺流程简图 Fig.1 Process flow chart of five effect evaporation of sodium sulfate

设备数据及原料组成见表1、表2。

表1各效加热室换热面积

Tab.1 Heat exchange areas of five effect m2

各效HE201HE202HE203HE204HE205换热面积500500500500500

表2 硝水组分质量分数Tab.2 The composite of glauber salt brine

2.2 主要设备情况

2.2.1 蒸发罐

采用外热式强制循环蒸发罐，该设备具有管内流速高，强化传热，减缓加热管内和蒸发室罐壁结垢，生产强度大，减轻热短路现象，提高有效传热温差，循环泵涡漩损失小、循环阻力低等优点[2]。前两效加热管选用钛合金管，后三效为普通钛材，蒸发室壳体材料采用316 L不锈钢复合板。

2.2.2 真空系统

真空系统，末效选用一级蒸喷及一级水环真空泵，以达到末效较高的真空度，首效采用低压蒸汽强制传热，增加蒸发系统有效温差，以提高整个系统的热效率。该系统具有设备持续运行时间长，维修方便，真空度高等优点。

2.2.3 其他设备

循环泵：选用悬挂式循环泵，该泵具有流量大扬程适宜、密封效果好；耗电少，寿命长和适用性好等优点。离心机：选用国产双级推料式离心机，该机具有生产能力大，残余水分低，耗电省，寿命长和适应性好等优点。干燥设备：选用内热式干燥床，该产品具有生产能力大，运行平稳可靠，操作简便，节省蒸汽和电力消耗，热效率较高等优点。

3 工艺改造方案

3.1 MVR工作原理

MVR是蒸汽机械再压缩技术的简称,是通过机械压缩把低品位的二次蒸汽温位提高利用的一种蒸汽热量提升装置。其实质是根椐波义尔定律原理，外加压缩机作功压缩功瞬时转化为蒸汽的内能，使二次蒸汽的体积减小，压力、热焓、温度升高，作为热源代替新鲜蒸汽，反复循环使用，使液体沸腾蒸发浓缩结晶的一种蒸发过程。即用少量的电能获得较多的热能，从而减少系统对外界能源的需求的一项高效节能技术。

根据MVR热泵系统的工作原理可知，其效率取决于回收利用的潜热值与输入的机械功之间的比较。表3以常压下基本循环的状态变化为例，通过模拟计算表明其在能源利用效率方面的优势。

表3 常压下基本循环的状态变化参数 Tab.3 Stream thermal state parameters under atmospheric pressure

从表3可以看出，系统消耗90.5 kJ/kg的压缩功，就可以回收利用2 257.6 kJ/kg的潜热，热功比达到了24.9。工质的热焓仅增加0.8%，但其温度提高13 ℃，相当于输入少量的高品位机械能，却把大量的低品位热能转化成为可资利用的高品位热能，从而提高了能源利用效率。

MVR蒸发系统工艺流程可以设计成单效蒸发和多效蒸发。单效蒸发系统流程简单，操作方便，适合水分蒸发量大、热敏物性较弱，允许大温差传热，只需蒸发一次就可以达到浓缩要求的物料。MVR多效蒸发方式适合处理热敏较敏感，不宜进行大温差传热的溶液，同时，其也可用于蒸发量较大的场合串并联。单效多效次蒸汽经过蒸汽压缩机后可以提高8 ℃左右的温升，对于沸点升较大的溶液，需要两级串联以克服沸点升。

3.2 MVR改造工艺流程

应用MVR技术对原多效制硝系统进行改造，生产工艺上仍然是利用蒸发结晶工艺生产芒硝，唯一的区别是不使用生蒸汽，而是利用机械压缩将二次汽循环使用。为充分利用现有设备，拟计划采用两效MVR蒸发方式。将原制硝5效分成两个独立MVR装置运转。具体做法为将EV201与EV203串联为系统一，共用一台压缩机；EV202与EV204串联为系统二，共用一台压缩机。单个系统内部为两效机械热压缩蒸发制硝，排硝后两个系统共用一套排硝离心干燥等后续流程。MVR技术改造后整套装置生产能力为2×10 万t/a。

两效机械热压缩工艺流程：由原料硝水桶(T-201)泵送来的硝水经板式换热器(HE-206)预热之后送至蒸发罐205进行初级浓缩，蒸发罐205的浆料转入蒸发罐204和蒸发罐203进行蒸发浓缩，蒸发罐204和蒸发罐203的浆料分别转入蒸发罐201和蒸发罐202继续蒸发浓缩，蒸发罐201和202结晶析出的硝浆淘洗后平流排入硝浆桶(T-401)。

图2 两效MVR工艺流程简图Fig.2 Process flow chart of two effect MVR

蒸发室EV-201的二次蒸汽进入加热室HE-203，蒸发室EV-203的二次蒸汽经过洗汽、压缩后再进入加热室HE-201；加热器201流出的冷凝在VP-203闪发后送至VP-205进行闪发；蒸发室EV-202的二次蒸汽进入加热室HE-204，蒸发室EV-204 的二次蒸汽经过洗汽、压缩后再进入加热室HE-202；加热器202流出的冷凝在VP-204闪发后送至VP-205进行闪发；VP-205流出的冷凝水在板式换热器HE-206与原料硝水进行热交换，最后去冷凝水桶T-601。蒸发室EV-205的二次蒸汽进入大气冷凝器HD-201由冷却水直接冷凝，残存的蒸汽和不凝气体则由串联的一级蒸汽喷射器进一步冷凝并最后由二级的水环真空泵排出蒸发系统。

3.3 设备改造方案

由于原五效蒸发结晶系统换热温差大、蒸发强度大，改为MVR系统后，需要增加额外的换热器，以增加换热面积满足蒸发强度的需求。在原有加热室平行的位置另增加的一组钛合金换热器，增加的换热面积按照传热方程计算得出。同时需对循环腿进行扩容改造以克服增加的管道阻力损失。压缩机拟采用消化吸收国外技术的离心式蒸汽压缩机，优势为对蒸汽负荷的波动有较大的适应范围。同时新增蒸汽洗涤塔2台套。项目需同步配置一台8 t/h、1.1 MPa的天燃气锅炉，用于供整个项目启动蒸汽及干燥产品用汽。

3.4 经济评价及对比

改造后，蒸发系统单位产品电耗为140 kW·h,产品综合能耗为68 kg标煤。蒸发系统进行MVR改造后，单位产品动力成本主要取决于电力成本。电力的供应可以有自备热电站供电、网电(汽电外购)两种方式。

利用网电运行MVR蒸发工艺制硝，电价相对较贵，虽然能耗下降但生产成本相对增加，相比热电联产+ME蒸发工艺，吨产品动力成本增加约19%。虽然MVR技术综合能耗方面优于真空制硝，但从整个一次能源利用率角度来看，热电联产作为有效的节能技术，很好的弥补了ME工艺的劣势[3]，所以才会出现MVR改造后节能不降本的现象。但对于能保留自备电站同时拥有多套生产装置的制硝企业，可以将热电联产、ME和MVR结合起来，将原有的真空制硝装置进行MVR改造，可以显著降低生产成本。

4 结论

通过分析比较可以看出，利用网电运行MVR蒸发工艺制硝对生产企业来讲，在目前的煤电行情下，由于成本的增加在经济上不是最优方案。但对于受“两减政策”影响的制硝生产企业，在目前元明粉市场价格处于高位运行的情况下，将传统真空蒸发装置进行MVR改造是保持产能的唯一应对措施，是企业作为能源替代和产能接替的有效手段。对于能保留自备电站同时拥有多套生产装置的制硝企业，可以将热电联产、ME和MVR结合起来，将原有的真空制硝装置进行MVR改造，可以显著降低生产成本。借鉴制盐行业的发展历程，可以预见多效真空蒸发制硝与热压制硝并用方式也必将成为国内制硝行业新的发展方向。