氨碱法纯碱蒸馏工序的节能措施

石油和化工节能2006 年第4 期·3·
专题论坛
氨碱法纯碱蒸馏工序的节能措施
胡书亚
（中国天辰化学工程公司天津北辰300400）
摘要蒸馏工序是氨碱法生产的重要环节之一，合理的设计对节能降耗、降低成本至关重要。本文分
析了蒸馏工序设计中应考虑的节能措施：减缓蒸馏设备结疤速度，延长其使用周期；合理选择氨冷却器；
注重回收蒸氨废液的热量，降低能耗。
关键词纯碱氨碱法蒸氨塔节能
蒸馏工序是氨碱法纯碱生产的重要环节之一，
蒸馏工序的生产好坏，很大程度上影响全厂的能
源、氨、石灰乳等消耗和纯碱生产成本。因此，蒸
馏工序的技术进步，受到我国纯碱工业科技工作者
的重视，对其工艺、设备、管理等方面进行了大量
改进和技术开发，都在各自寻求合理的工艺装置，
以期尽可能地实现节能、高效、低耗和安全的途径。
氨碱法纯碱生产中，NH3 是作为中间介质存在
的，在工艺生产过程中它周而复始不断循环，而这
一循环是借助于蒸馏过程来实现的。欲从溶液中将
NH3 驱出，是一个复杂的处理过程，并需要庞大的
设备，它往往关系到工艺设备设计的成败。
蒸馏工序设计应考虑的因素包括：①减缓蒸馏
设备的结疤速度，延长其使用周期，降低扫塔频率；
②合理选择氨气冷却器形式；③选择合理工艺流
程，回收废液热量，降低能耗。
设计工作中考虑上述影响因素，做出合理的工
程设计，是蒸馏工段设计的关键。现就设计中采取
的相关措施分析如下：
1 减轻结疤、延长作业周期
蒸馏塔结疤问题是制碱行业的一个技术难题，
迄今为止，尚无满意的解决方法。蒸氨塔连续作业
时间，国内除干法加灰蒸氨塔作业周期较长外，其
余塔一般在30 天左右，作业时间短的仅20 天，最
长的为90 天左右。而国外一般为6～18 个月，最
长的可达24 个月。为此，蒸吸工段设计工作中，
将减轻结疤、延长作业周期作为重点之一。
关于蒸馏塔结疤的机理、防疤除疤的手段与方
法等方面，国内外无数制碱工作者做了大量的研究
工作，但有效实用而经济合理的方法不多。对蒸馏
塔结疤问题，基本相同的观点是：认为结疤是在预
灰桶内硫酸钙过饱和度未消除而造成。随着反应时
间延长，温度升高，硫酸钙沉淀在蒸馏塔蒸馏段从
上而下逐渐形成，并发生晶形转变，从二水硫酸钙
（ CaSO4·2H2O ） 转变成半水硫酸钙
（CaSO4·1/2H2O）、无水硫酸钙（CaSO4），结疤厚
度从上到下增厚，疤层的牢固性从上到下增强（这
些现象都与实际现象相符）。而结疤成分主要是硫
酸钙及其它固形物如碳酸钙和灰乳带入的砂粒，它
们互相凝聚及包裹，结疤加淤积相互促进，导致蒸
馏塔、预灰桶及液体通道结疤堵塞，从而迫使蒸馏
塔停塔清理。
根据生产厂家的经验，能在一定范围内减轻蒸
馏塔结疤的方法有：
（1）选用筛板蒸氨塔；
（2）增加预灰桶搅拌强度，加大预灰桶体积，
即增加调和液内的停留时间。
降低精盐水硫酸根含量是解决结疤堵塔的根
本办法，但硫酸根的进一步降低亦非易事，而灰乳
除砂目前尚无更有效的方法。提高预热母液CO2 含
量或在预灰桶中加冷凝液虽经实践证明效果比较
显著，但它是以增加石灰石、蒸汽的消耗，及废渣
排放量的增加为代价的，只能是权宜之计。降低蒸
馏塔及预灰桶的操作温度是与生产操作有关的指
标，设计阶段能够做到的是在预灰桶搅拌强度和预
灰桶体积的选择上做工作，以改变预灰桶内硫酸钙
过饱和度，起到改变结疤和转移结疤的效果，达到
·4· 2006 年第4 期石油和化工节能
减轻塔内结疤、延长作业周期的效果。设计中采取
了以下措施：
1.1 筛板蒸氨塔的选用
蒸氨塔是母液蒸馏的主要设备，由预热段和蒸
馏段组成，蒸氨塔的设计必须遵循效率高、操作弹
性大、工艺指标良好和便于清理结疤的原则。
上个世纪70 年代，国外研究开发出筛板蒸氨
塔，该装置设计的出发点是建立在最简单的筛板塔
器的基础上。国内生产中广泛采用的主要是泡罩
塔，近年来国内也有采用筛板塔的，该塔生产能力
较大，一台直径3 m 的筛板蒸氨塔生产能力高达
850～900 t/d，使用周期也可延长到3～4 个月。
从结构上，筛板塔是将泡罩塔板全部改为筛板
塔板，不设内外溢流管，设备简化了许多，制作比
泡罩塔容易得多，质量轻、安装方便。清理时虽然
仍依靠人工和风镐，但因塔圈内有效空间大、无死角
和弯道，使得清理工作比较方便，清理工时费用低。
1.2 增大预灰桶体积并改变预灰桶进出液路径
以往，我国大型氨碱厂预灰桶设计中，通常采
用普通的带有门框式搅拌的预灰桶，如海化老60
万t/a 装置，预灰桶直径4 m，桶高11m，容积90 m3，
配套蒸氨塔直径3.2 m，调和液停留时间30 min，
最大生产能力时停留时间24 min，蒸氨塔作业周期
30 天。
根据蒸氨塔的操作情况，总结各厂家蒸氨操作
经验，认为加大预灰桶体积，增加调和液在预灰桶
内的停留时间对延长作业周期有利，于是在海化Ⅱ
期扩建时，改变了预灰桶设计，新的预灰桶直径为
4.5 m，桶高17 m，容积270 m3，最大生产能力时
停留时间43 min。
预灰桶进、出液路径在过去的设计中，灰乳和
预热母液是从预灰桶下部进入，调和液上部排出进
蒸氨塔。新建厂设计中，改变了液体路径：即灰乳
和预热母液从预灰桶上部进入，调和液从下部排
出，再向上返进蒸氨塔。这样设计，调和液路径加
长，相应地改变了停留时间。
整个预灰桶的反应过程为：灰乳和预热母液从
预灰桶上部自上而下流动，反应逐步完善，温度逐
渐升高，硫酸钙沉淀在预灰桶内自上而下逐渐形
成，并发生晶形转变；由于加大了反应时间，在预
灰桶内有足够的反应时间使调和液中的二水硫酸
钙（ CaSO4·2H2O ） 转变成半水硫酸钙
（CaSO4·1/2H2O）、无水硫酸钙（CaSO4）；又由于
灰乳中砂粒的存在，为硫酸钙的附着提供了晶种，
自上而下逐渐长大，并附着在预灰桶桶壁上，当调
和液进入蒸氨塔时，硫酸钙过饱和度已消除，所以
蒸氨塔内不易形成致密的钙疤，使得蒸氨塔的清理
工作容易进行。因此，改变预灰桶设计结构的同时
也改变了结疤过程。
从投产情况看，效果是显著的，蒸氨塔作业周
期可达90 天。清塔时，塔内结疤疏松，易于清理；
而预灰桶内形成的结疤层，因预灰桶结构简单，空
间大，使清理工作变得比较简单。
综合上述分析，认为由于停留时间的改变，预
灰桶内的硫酸钙有足够的反应时间发生晶形转变；
由于路径的改变，灰乳中砂粒的存在为硫酸钙的附
着供了晶种，与实际操作情况相吻合，这种设计对
蒸氨塔的操作是有利的。
2 合理选择氨冷凝器
氨冷凝器的作用是：第一，将蒸氨出气冷却到
规定的温度范围，同时使气体中H2O 汽大量冷凝，
NH3 及CO2 得到浓缩；第二，通过对母液及各段冷
却水的预热或加热，使出气的热量得到回收利用，
降低蒸汽热能。
2.1 蒸氨冷凝器的结构形式
目前国内的蒸氨冷凝器有：冷却方箱式（传统
式）、平板式、螺旋板式、波纹管式（新式）。
2.1.1 冷却箱式蒸氨冷凝器
传统的冷却箱式蒸氨冷凝器由多个铸铁冷却
箱组成，国内冷却箱的形式基本上是一致的。冷却
箱式冷凝器的优点是气路净截面积大，流体阻力较
小，对蒸吸氨操作都是有利的，由此而来操作较平
稳，温度调节的灵敏度适中，不过敏，所以运行安
全可靠。但冷却箱重量很大，传热性能差，为了强
化传热，加大间壁温差，缩小水的进出温差，所以
冷却水耗量大，投资亦较大。
2.1.2 平板式蒸氨冷凝器
平板式蒸氨冷凝器传热效率高，但流体压降
大、弹性小，操作易过敏，使用周期短、清洗频繁。
尤其是在卤侧，在盐水不好的情况下，10 天左右就
要清洗1 次。主要原因是板片间隙小、只有4 mm，
很容易被结疤和杂物堵塞。
2.1.3 螺旋板式蒸氨冷凝器
螺旋板式蒸氨冷凝器有很高的传热速率，流体
压降则比平板式低，传热板可分为2～3 个梯级，
与不同流体进行换热。但是仍然有平板换热器的弊
病，一旦损坏难以修复。
石油和化工节能2006 年第4 期·5·
2.1.4 波纹管换热器
波纹管换热器是在传统管壳式换热器结构的
基础上，用薄壁不锈钢波纹管取代管壳式换热器的
厚壁光滑换热管而发展起来的换热新产品，它继承
了管壳式换热器坚固耐用、安全可靠、使用场合广
等优点，同时又克服了其换热能力差，易结垢堵塞
等缺点，与其它形式的换热器相比，其综合经济性
能指标处于领先水平。换热管采用波纹形状，管内
外流道截面连续不断地突变，造成流体流动，即使
在流速很低的情况下也能始终处于高度湍流状态，
难以形成层流底层，使得对流传热的主要热阻被有
效地克服，管内外传热被同时强化，因而传热系数
很高。同时，使得流体中的微粒难以沉积结垢而具
有自然防垢和自然除垢的能力。
2.2 波纹管换热器与水箱式氨冷器的比较
综上所述，认为波纹管换热器更有选择优势，
现以单台蒸氨塔配置为例作如下分析：
（1）设备造价采用水箱式氨冷器，每台蒸
氨系统配带12 个水箱。用钛换热管，每个水箱价
格平均45 万元，共需540 万元；若采用波纹管式
氨冷器，换热面积800 m2，设备造价370 万元。两
者相差170 万元。
（2）土建费用采用水箱式氨冷器厂房高度
为52 m，若改选为波纹管换热器，厂房高度为42 m，
两者相差10m，由此而节省的单塔土建费用大约为
10 万元。
（3）安装费、人工费和机械费采用水箱式
氨冷器水箱总重240 t，采用波纹管式氨冷器设备总
重量约47 t。仅安装费一项，差异在30 万元。
由此可以看出，单塔配置两种方案投资相差
210 万元。如果对于生产能力较大的纯碱厂，需要
配置3 套或5 套塔，投资将相差600 万～1000 万元。
国内近几年有采用波纹管氨冷器的厂家，效果
比较满意，换热效率高，自然防垢能力强，使用2
年不用酸洗，是一种性价比较高的设备选型。
3 选择合理工艺回收废液热量
氨耗、汽耗和石灰乳消耗是氨碱生产的主要能
耗，这三项均在蒸吸工段得到体现。采取合理的工
艺流程，有效利用热量交换，尽可能地将NH3 和
CO2 从溶液中驱出，以最大限度减少废液中的氨和
石灰含量是蒸吸流程选择的基本点。
3.1 蒸馏路线的确定
氨碱厂里蒸馏过程分为压力蒸馏和真空蒸馏。
压力蒸馏工艺截至目前仍为世界各国氨碱厂最广
泛采用的典型流程，整个系统处于压力下操作，有
利于提高设备能力。由于压力的存在，对碳酸盐的
分解较为强烈，压力越高，预热母液中残留的CO2
越低，可以减少石灰乳的用量。缺点是能耗较高。
真空蒸馏的特点是降低能耗，延长设备运转周
期，对劳动保护和环境卫生有利；由于系统温度低，
有利于降低残液的含氨，减小氨的损失。但真空蒸
馏的缺点是：①装置生产强度受允许气速的限制，
若超越允许气速时，操作指标遭到严重破坏，会出
现气顶、冒沫等失真后果；②气相中带出水分多，
增加后系统的操作负荷；③二氧化碳驱净率低，石
灰损失大。
权衡压力蒸馏和真空蒸馏的利弊，设计中结合
国内外现状，提出了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，即母液蒸馏采用
压力蒸馏，淡液蒸馏采用真空蒸馏。母液蒸馏塔出
来的氨、二氧化碳和水蒸气的气体进入吸氨塔，制
成氨盐水。淡液蒸馏塔冷凝器出来的含氨、二氧化
碳和水蒸气的气体进入真空吸氨塔，在真空吸氨塔
内由碳化工序送来的淡氨盐水在高真空条件下吸
收氨、二氧化碳成为粗氨盐水。
3.2 闪发回收废液中的热能
蒸馏能耗庞大，为整个制碱过程能耗量的三分
之一；然而蒸馏残液带出的显热又占工序热能的
70%，其热能损耗程度不言而喻，所以该热量理应
设法回收。蒸氨过程中理论上需要加热蒸汽1200
kg/t 碱，实际生产中，我国氨碱厂蒸汽耗量根据生
产方法不同蒸汽耗量不同，对湿法蒸馏，汽耗大约
在1700～1800 kg/t 碱，是氨碱厂纯碱生产中能耗最
大、余热回收较困难的一个工序。闪发废液并回收
利用闪发汽是降低蒸氨能耗的一项有效途径，国外
碱厂多采用二级闪发回收热量。
索尔维公司的几个氨碱厂蒸氨塔汽耗较低，可
以代表国外先进水平。其中法国顿巴斯碱厂φ3.5m
塔和比利时古耶碱厂φ2.75 m 塔汽耗分别为1300
和1450 kg/t 碱；意大利罗西略诺厂φ2.75 m和φ3.5
m 塔略低些，达到1250 kg/t 碱，见表1。
表1 国外氨碱厂蒸氨塔汽耗比较
项目
法国顿
巴斯厂
比利时
古耶厂
意罗利
罗西略诺厂
塔内径，m 2.75 2.75 2.75 3.5
生产能力，t/d 500 275 275 600~700
汽耗，kg/t 碱1300 1450 1250 1250
作业时间，月6~18 8~24 12 24
·6· 2006 年第4 期石油和化工节能
武汉石化热电联产的火用分析
胡坤后
（武汉石油化工厂湖北武汉430082）
摘要本文简要介绍了热电联产及火用的概念，应用火用分析法对热力系统进行评价，真实地反映出系统
及热力设备的热能利用水平，并指出热能利用和热电联产的原则和系统经济运行方式，真正实现热电经济
运行。
关键词石化热电联产火用热能利用节能
热能广泛应用于工业企业，在能源利用和消耗
中占有主导地位，它的利用合理与否直接影响企业
的经济效益，而热电联产是热能利用的一种经济运
行方式。一般热能的使用可概括为动力用热、工艺
用热和生活用热等三种形式。热能不仅有数量上的
多少，而且还有品位高低之分，即质量概念。如果
没有这种概念和意识，则会影响热力系统的合理设
计和生产组织，造成极大的能源浪费。所以，我们
在评价热力系统或热力设备时，应采用正确的方
法，从以上两方面分析，找出造成能源利用不合理
的主要原因，并采用相应措施，达到节能增效的目
的。在能源利用分析方面，火用分析则是较为科学的
评价方法。
1 热电联产技术和火用分析
1.1 热电联产技术及要求
锅炉产生的蒸汽驱动汽轮发电机组发电以后，
排出的蒸汽仍含有大部分热量被冷却水带走，因而
火电厂的热效率不高。如果蒸汽驱动汽轮机的过程
或之后的抽汽或排汽的热量能加以利用，可以既发
电又供热，这种生产方式称为热电联产，它的英文
名称叫Combined Heat and Power（简称CHP）。这
个过程既有电能生产又有热能生产，是一种热、电
同时生产、高效的能源利用形式。其热效率可达
80%～90%，能源利用效率比单纯发电约提高一倍
以上。它将不同品位的热能分级利用（即高品位的
热能用于发电，低品位的热能用于供热），提高了
能源的利用效率，同时减少环境污染，因此，热电
联产具有节约能源、改善环境、提高供热质量、增
加电力供应等综合效益。热电联产要比热电分产节
能，大型火力发电厂热效率为30%～40%，而热电
联产项目的热效率可达到50%左右。实际上，热电
联产不是一项新技术，而是一种提高能效的热电联
合生产的管理方式或生产组合。
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闪发废液的温度和压力与闪发回收蒸汽量有
一定关系，闪发液压力越低闪发废液的温度也越
低，回收的蒸汽量越大。但工作蒸汽的消耗量将随
着闪发压力的降低而显著地增加。闪发废液压力的
选择应以工作蒸汽和回收蒸汽的总合不大于蒸馏
系统所需要的蒸汽量为原则，否则不仅排出的混合
蒸汽量过大无法处理，而且废液压力太低，也给废
液排放造成一定的困难。
根据蒸馏流程特点，将蒸氨废液采用两级闪发
技术，一级闪发汽通人蒸氨塔预热段，二级闪发汽
通入淡液蒸氨塔。
一级闪发器闪发出蒸汽约92 kg/t 碱，闪蒸汽压
力（表压）约0.0414 MPa 进入母液蒸氨塔中部加热
段作为蒸氨塔的补充热源。二级闪蒸器闪出蒸汽量
约183 kg/t 碱，蒸汽压力成负压进淡液蒸馏塔作为
淡液蒸馏塔的部分热源。
采用该流程，每吨碱可节省蒸汽耗量大约在
275 kg，按每吨蒸汽40 元计，对于60 万t/a 的纯碱
厂，可节约蒸汽16.5 万t，年节省蒸汽费用660
万元。因此，该工艺技术是较先进的而且是节能
型的。
作者简介：胡书亚（1961～），1982 年毕业于
郑州工学院，高级工程师。