烧碱三效蒸发装置运行影响因素及优化控制

王陆军，戴 建

（新浦化学（泰兴）有限公司，江苏 泰兴 225400）

新浦化学（泰兴）有限公司（以下简称“新浦化学”）是新加坡新浦化学私人有限公司全资子公司，成立于1995年12月30日。经过七次扩建，新浦化学离子膜烧碱装置产能达到75万t/a。为响应低碳号召，实施能源消耗替换，淘汰能耗高的一期单极槽和二三期强制循环复极槽烧碱装置，七期新建15万t/a烧碱装置于2021年5月顺利投产。从四期扩建至六期扩建，同步淘汰一二三期二效蒸发装置和固碱装置，分别新建了1套木村化机20万t/a蒸发装置、1套瑞士博特20万t/a蒸发装置、1套瑞士博特40万t/a蒸发装置，共计80万t/a碱蒸发装置。烧碱蒸发工序中，蒸发器、换热器和碱管线在高温、高腐蚀工况下运行，装置运行5年后极易出现腐蚀泄漏，导致蒸发装置出现碱外泄漏污染、设备内泄漏导致蒸汽冷凝水显碱性、蒸汽消耗升高、蒸发成品浓度不合格、不能达到设计产能等一系列问题。如何保证蒸发装置稳定、低能耗运行，成为重点攻关的课题。

1 蒸发运行影响因素

1.1 蒸发温度

外界送来的蒸汽是碱液蒸发的主要热源，其温度高低直接影响到蒸发负荷及产品的浓度。在其他条件不变的情况下，较高的蒸汽温度会使系统获得较大的温差，单位时间内传递的热量也相应增加，装置有较大的生产能力。正常生产中，需保持适宜的蒸汽温度及蒸汽压力。蒸汽温度过高容易使加热管内碱液温度上升过快，形成气膜，降低传热系数[1]。温度过低，碱液不能达到所需温度，蒸发量降低，产品浓度降低，导致产品不合格。

从一效蒸发器塔釜出来碱液的浓度与温度及二次蒸汽压力有密切关系，温度越高碱液浓度越高，而碱液温度和二次蒸汽压力与外界送来的蒸汽和系统的真空度有关。当外界送来的蒸汽温度和压力不足或者系统真空度不足时碱液浓缩产生的二次蒸汽量越少，即蒸出碱液中的水量少，生产出的碱浓度便会降低。

随着负荷的增加，需要加大蒸汽调节阀开度来增加蒸汽压力和蒸汽温度（见表1），关小真空系统的补气阀，来保证系统的真空度，反之亦然。

表1 不同投料的蒸汽阀门开度与蒸发温度

1.2 蒸发压力

真空度是蒸发过程中提高蒸发能力的重要途径，也是降低汽耗的重要方法。适当提高真空度，将二次蒸汽的饱和温度降低从而提高有效的温度差，充分利用了热源，使蒸汽消耗降低。真空度的高低与大气冷凝器的下水温度有关（该温度下的饱和蒸气压），也与二次蒸汽中的不凝气含量有关。不凝性气体的沸点较低，不易液化。如果在三效逆流降膜蒸发装置中存在不凝性气体，则会增加真空泵的负荷、影响系统真空度。蒸汽（包括二次蒸汽）中的不凝性气体对系统的传热效率影响很大。蒸气冷凝是相变过程，其对流传热（膜）系数很大，含有1%的不凝气，蒸汽冷凝给热系数降低50%左右，因此应尽可能地减少带入系统的不凝性气体的量，并及时排除系统内的不凝气，见表2。

表2 蒸汽中不凝气体对给热系数的影响

1.3 蒸发器液位

在蒸发过程中液位过高时蒸发量下降，会引起溶液沸点升高，有效温差减小，蒸发能力减弱；相反，蒸发器的液位过低，蒸发过于剧烈，会使二次汽夹带的碱液量几何式变大。因此，保证蒸发过程中每个蒸发器的塔釜液位稳定，保持液位的平衡状态[2]，才能保证蒸发器的压力和蒸发速率。

1.4 冷凝水温度

蒸发系统二次蒸汽的冷却效率取决于冷却器的传热系数、换热面积和冷却水温度。理想状况下，冷凝水温度等于循环水的回水温度，实际情况下冷凝水温度要比循环水的回水温度高6～15℃。水的饱和蒸气压是随着水温升高而增大的，所以排出的冷凝水的温度越低，水的饱和蒸气压越低，可能达到的真空度就越大，见表3。

表3 冷凝水温度与可能达到的最大真空度的关系

循环水系统冷却上水的温度一般控制在20～35℃，循环回水的温度一般在25～45℃，蒸发系统的冷凝水温度一般在35～50℃，夏季一般情况下蒸发系统的真空相对会差些，对装置满负荷生产是个挑战。有条件或有必要的企业，可以在夏季使用冷冻机组的冷水作为蒸发的循环冷却水，保证表面冷凝器的冷却效果。由于循环水凉水塔是敞开式系统，循环水系统中会夹带泥沙，垢层或泥沙都会导致表面冷却器传热系数降低、流通面积减小，降低表面冷却器的冷却效率；另外，氯碱蒸发因使用氯碱的公共循环水系统，可能会有局部的烧碱换热器内漏导致碱进入循环水系统，循环水质变差，换热器结垢严重，影响换热效果。

2 优化控制

2.1 提高传热温差

提高传热温差有两种方法，一种是提高加热蒸汽的温度，即用较高压力的饱和蒸气；另一种是降低一效冷凝器的饱和蒸气温度，即尽可能降低真空。

实际生产中，蒸汽压力受到企业或园区供汽的限制，供应的蒸汽压力一般不会超过1.15 MPa，通过试验证明（见表4），在较高供汽压力下，蒸发效率最高，没有产生因蒸汽温度过高、蒸发过量产生气膜导致传热效果变差；蒸汽压力低于0.80 MPa，蒸发系统会因蒸发量不足，明显出现碱浓度降低不达标的情况，同时会出现塔釜液位上升的现象。

表4 蒸汽压力对负荷、浓度的影响

另外，如果改变一效蒸发器操作压力，其对蒸汽消耗会有显著变化。在低压力、低蒸发器出口碱温的情况下，冷凝液及49%烧碱的热量能够得到更为充分的回收利用，能够降低蒸汽消耗。如果一效的碱温降低，那么总温差将会变大。换热推动力增大，装置的产能得到提高。系统运行温度降低，延长了设备使用寿命[3]。

根据瑞士博特提供的碱液温度-压力曲线能够看出，一效压力达到0.007 MPa时，一效蒸发器内碱浓度即可达到37.0%。

2.1.1 保证蒸汽的压力和温度

为保证蒸汽压力和温度稳定供应，在电厂到公司1.0 MPa蒸汽管网处使用减温减压装置，保证蒸汽管网压力在0.90～1.15 MPa，温度控制在160～180℃。进入蒸发装置的蒸汽采用自动调节阀与三效温度设定自动控制，三效出口的碱浓度波动范围＜0.8%。为减少波动，提高碱浓度控制的稳定性，降低蒸汽消耗，在进入氯碱厂的蒸汽主管网上增加蒸汽稳压调节阀，进入蒸发装置前的蒸汽压力可以控制在0.95～1.12 MPa（进入蒸发器的阀后压力在0.85～1.05 MPa），进入蒸发装置的蒸汽采用自动调节阀与三效出口碱浓度设定自动控制[4]，三效出口的碱浓度波动范围缩小到＜0.5%。

另外，充分利用碱预热器将高温碱与蒸汽冷凝液的能量回收，通过调节进入二效蒸发器碱水换热器和碱碱换热器的预热碱流量，调节进入三效蒸发器碱水换热器和碱碱换热器的预热碱流量，保证出2台碱预热器的碱温基本一致，可以最大化利用高温碱和蒸汽冷凝水的热量，减少蒸汽消耗。

2.1.2 保证循环冷却水质量

为提高真空度，须选用传热系数高且换热面积足够的换热器，实际工业运行中，为了装置建设成本考虑，换热器的面积按标准产能设计，在长时间运行时存在换热效果下降，达不到高负荷运行的要求。一般20万t/a的烧碱蒸发装置表面冷凝器的换热面积为700～850 m2。运行中通过控制循环水的低温度（夏季＜34℃，冬季＜26℃），提高循环水的压力（0.38 MPa以上）和循环水流量（600 m3/h以上），确保蒸汽冷凝效果。冷却水温度对负荷的影响见表5。

表5 冷却水温度对负荷的影响

通过表5可知，循环水温度＞34℃时，会明显影响蒸发浓度和负荷。表面冷凝器在运行一段时间后列管结垢或循环水内杂质沉积，换热器的传热系数减小，导致冷凝水温度升高，真空变差。保证循环水的品质才可以保证换热器冷却效果。（1）有效排污控制循环水的杂质；（2）游离氯检测与杀菌剂加量调整，防止菌藻生长；（3）循环水pH值检测，及时发现换热器内漏，防止物料进入循环水系统；（4）利用大修机会彻底清理循环水池内污泥；（5）定期清理循环水过滤网，减少杂质进入换热器列管；（6）每2年左右拆下换热器封头，使用高压水清洗表面冷凝器的列管，去除循环水沉积杂质和少量结垢，保证换热系数。

2.2 提高真空度

三效逆流降膜蒸发系统的真空度是通过冷却二次蒸汽，并用真空设备抽除不凝性气体得到的。理论上蒸发系统所能达到的最大真空度是大气压与冷凝水在此温度下的饱和蒸气压之差。因此，确保二次蒸汽的冷却效率和真空设备的运转效率是保证蒸发系统真空度的先决条件。具体措施如下。

（1）选择合适真空泵

采用真空泵抽吸，保证较高的真空度及其稳定性。真空度的高低除与二次蒸汽的冷却效果有关，还与二次蒸汽中的不凝气含量有关。所以，提高真空度的另一途径就是最大限度地排除不凝性气体。排除不凝性气体通常采用机械真空泵、蒸汽喷射泵、水喷射泵等。水喷射泵是烧碱蒸发获取真空较常用的设备，但该真空设施受供水压力的影响大，很难获得较高且稳定的真空度；蒸汽喷射泵能耗高，且稳定性受外网蒸汽压力波动的影响较大；机械真空泵处理量易于选择、控制方便、独立性好，不受蒸汽或供水压力的影响。因此新浦化学选择机械真空泵排出不凝性气体。

（2）保证系统密封性

保证系统密封性，才能保证好的真空。为保证系统的密封性，蒸发装置在装配过程中或检修后都要做气密性试验，但在运行中，空气不可避免地会少量漏入真空系统。这种泄漏将直接影响装置运行的经济性。因此，定期做气密性试验（气密性试验应按照正压和负压各做一次），发现漏点及时消除。确保系统的密封性是日常工作中应注意的问题，一般利用大修期间进行查漏，做好预防性维修。

（3）保证表面冷凝器冷却效果

保证表面冷凝器具有良好的传热效果，将二次蒸汽快速冷却下来，从而获得较大且稳定的真空度。保证良好换热器传热效果一般有扩展传热面积、加大传热温差及提高传热系数等方法。传热面积和传热温差在设备和工艺确定后可以视为常数，只有传热系数与运行管理相关性最大。表面冷凝器通常采用列管式换热器，影响其传热系数的因素主要有冷却水的流量、流速、压力、水质等。为了确保冷却水的流量、流速、压力达到要求，设置了流量、压力检测。实际生产中，由于冷却器传热系数降低、流通面积减小，表面冷凝器的冷却效率降低导致蒸发系统达不到所要求的真空度。因此保证循环水流量、压力、水质，并对表面冷凝器定期高压清洗，可确保表面冷凝器的冷却效果，保证系统具有较高的真空度。

（4）其他措施

每年在初夏季节清理机械真空泵机组的冷却器，保证其冷却效果，提高真空泵的抽气能力，提高蒸发系统真空度。机械真空泵的换热器冷却可以由敞开式循环水冷却改为闭路冷冻水冷却，通过冷冻水冷却可以改善机械真空泵换热器的冷却效果，将机械真空泵腔内的水气进一步冷凝下来，提高真空泵的运行效率。

最后，蒸发器运行5年后需要利用大修机会检查蒸发器塔釜二次汽出口除沫器的镍丝网，清洗镍丝网内的碎屑或者更换破损镍丝网，减少因镍丝网腐蚀破损对碱沫拦截的效果变差后带碱对真空的影响。

2.3 控制合适的蒸发器液位

蒸发器内液位高度的变化会使静压头的变化，导致蒸发系统的不稳定，在蒸发过程中，通过自动调节阀控制进料压力稳定在0.5 MPa，自动控制蒸发器液位和出料量，通过调试（见表6）证明蒸发器液位控制在45%左右时，蒸发装置运行最佳。

表6 蒸发器液位对冷凝水电导率的影响

3 结语

通过实践，将循环冷却水的上水压力控制在0.38～0.42 MPa，循环水温度控制在20～32℃，一效真空控制在-92 kPa，蒸汽压力控制在0.95～1.12 MPa，蒸发器液位控制在45%，装置运行负荷在60%～85%时，蒸汽单耗可以控制在470 kg/t以内。

三效逆流降膜蒸发是较为先进、成熟的碱浓缩工艺。在工程建设中做好质量跟踪，严格审查施工质量与安装尺寸，做好机械、仪表、电气调试和相应的准备工作，并在运行中通过优化控制指标范围、精心操作，使蒸发装置稳定、长周期运行。从节能降耗角度出发，可以将蒸汽冷凝液回收用于一次盐水化盐、盐酸合成炉和燃氢锅炉的锅炉补水，或者增加电导率控制后送去纯水站作为纯水使用，通过充分利用回收热能的方法达到节能降耗目的。