液-堿分離工藝的優化

目前，整個堿行業，尤其是聯合堿行業，在質量質量方面存在著共同問題。目前，公司的主要業務之一是純堿鹽。雖然國家II類標準純堿優等品鹽分指標為0.7%,大部分生產廠家也可以達到這一標準,但是當純堿產品出現供大于求時,用戶對純堿鹽分的要求不僅僅局限于優等品的指標,而是高于這一標準。就玻璃廠家而言,純堿鹽分越低,對玻璃生產越有利,據資料介紹,純堿鹽分的高低,對玻璃生產廠家熔爐的使用壽命影響很大:純堿鹽分越高,對熔爐的腐蝕性越大,其壽命越短;反之純堿鹽分越低,則對熔爐的腐蝕性越小,其壽命則越長。當純堿鹽分小于0.1%時,熔爐的壽命可達15年,純堿鹽分小于0.3%時,熔爐的壽命只有7～8年,若純堿鹽分為0.5%時,則熔爐的壽命僅為3～4年。同時,隨著特種玻璃裝置能力的增大,對較低鹽分純堿尤其是較低鹽分重質純堿的需求量愈來愈大。在市場日益競爭的今天,如何降低純堿鹽分,提高純堿產品的內在質量,是廣大制堿工作者所關注的研究課題。1降低純堿鹽的方法綜合來看,目前國內純堿生產廠家無論是氨堿廠還是聯堿廠,降低純堿鹽分的途徑不外乎以下幾種方法。1.1適當降低堿堿堿鹽洗水用量,盡量這種方法在于一方面優化碳化工藝指標,加強碳化操作,盡量使重堿結晶顆粒大而且均勻,為重堿過濾、洗滌創造優良的條件;另一方面對濾堿機洗水裝置、錯氣盤等局部結構作一些適當的改造。采用該種方法,對于聯堿廠而言,如果純堿鹽分降到≤0.7%,洗水當量普遍只能控制在0.70～0.75m3/t堿,若聯堿母液系統水平衡控制不好,勢必造成聯堿母液系統輕微的膨脹。而對于氨堿廠來說,要降低鹽分,務必加大濾過洗水,雖然不像聯堿廠那樣造成系統母液膨脹,但由于洗水用量增大,引起濾液當量偏大,導致蒸氨塔的蒸汽消耗偏高,使得噸堿綜合能耗上升。不到萬不得已,一般生產廠家是不會這么做的。1.2固相水合法回用經堿生產輕灰鹽改良固相水合法的出發點,既要求提高純堿的堆密度,又要降低純堿的鹽分,因此該工藝在固相水合法的基礎上增加了一水堿離心機對水合機出口的一水堿再次脫水,從而達到降低純堿鹽分的目的。因一水堿結晶顆粒較大,該種離心機可以實現國產化,裝置投資較低并能達到降低純堿產品鹽分的目的。液相水合法大家都比較熟悉,在此不做介紹。以改良固相水合法生產重灰來說,如果進水合機輕灰鹽分為0.7%,一水堿游離水9%,離心后游離水按5%控制。根據計算:輕灰中含鹽7kg/t,需要的化合水量為274.9kg/t,離心后排出的母液量81.72kg/t,殘余在一水堿中的母液量為88.74kg/t,排出鹽分81.72/(81.72+88.74)×7=3.35kg/t,則經煅燒后重灰鹽分在0.38%左右。就是說如果用II類優等品鹽分0.7%的輕灰采用改良固相水合法生產優質重灰,重灰鹽分可以達到<0.4%。1.3堿土金桶式分離除了加強碳化操作以及對濾堿機進行改造外,與第一種方法的不同之處主要是在煅燒爐之前增加了1臺離心機對重堿進行二次脫水,脫水后的濾餅含水率可降低4～5個百分點,能節省煅燒3.2MPa中壓蒸汽消耗約120kg/t堿。離心機分離出的濾液進入一個帶攪拌的分離液桶澄清,分離液桶上部溢流清液進入另一離心濾液桶,用泵送至濾過作洗水。分離液桶底部的細晶漿用泵打至MI桶(MI桶帶攪拌,同時當作堿液桶用)進一步澄清,MI桶底部晶漿送至濾堿機內分離結晶和母液,具體工藝流程參見圖1。采用此種方法,重堿水分可降低4%～5%,重堿鹽分可降低0.06%～0.10%,相應的純堿鹽分能降低0.15%～0.20%。以上是目前純堿行業降低純堿鹽分通常采用的3種方法;比較而言,第一種方法既不能生產鹽分較低的純堿,也難以保證聯堿母液平衡,是不得已為之而又普遍采用的一種方法。第二種方法僅僅局限于生產低鹽重質純堿,但堿的消耗較高,對于輕質純堿則不能降低鹽分,此種方法對于全產重灰生產比較適宜。而大部分純堿生產廠家以生產輕質純堿為主,加以生產少量的重質純堿,因此僅降低重質純堿的鹽分是不夠的,故該種方法有它的局限性;相比之下第三種方法是目前國內純堿生產廠降低純堿鹽分一種積極的、行之有效的生產方法。對于氨堿廠來說,可以生產小于0.3%的低鹽純堿;而對于聯堿廠來說,可以生產0.5%甚至能夠達到0.3%的低鹽純堿,而又能保證聯堿的母液平衡。2降低堿純度的有效通道2.1重堿二次脫水系統的設計由于重堿離心機不能實現國產化,只能依賴于進口,而進口離心機價格又十分昂貴,因此,采用離心機對重堿二次脫水工藝在國內還不十分普及。近些年來,國內幾大純堿廠陸續上了幾套離心機二次脫水工藝,同時新增的幾套200kt/a、300kt/a的聯堿裝置,也都采用了重堿離心機二次脫水,目的只有一個,就是降低純堿鹽分。但由于各種原因,效果并不理想。我公司于2003年由國內一著名設計院設計了1套200kt/a聯堿裝置,重灰和輕灰產量各占一半。在流程的設計上,選用了離心機對重堿二次脫水工藝。該套裝置于2004年10月中旬試開車。剛開車時,因各種原因沒有啟動重堿離心機,純堿成品鹽分僅能控制在0.75%左右,如果按優等品指標控制,則聯堿母液輕微的膨脹,同時各種含氨濃度低的容器洗水難以進入系統。我們采用的2臺重堿離心機是從德國某公司進口的,該離心機最大轉速1150r/min,操作轉速1000r/min,正常處理重堿量27868kg/h,最大處理重堿量30454.66kg/h,離心機重量(含配重)15t,最大允許振蕩速度18mm/s。試車時,離心機存在以下問題:1振動大聯鎖停車原因分析為了保證離心機的使用壽命,該離心機設置了振幅聯鎖停車。振動控制裝置安裝在物料室與底座分離的法蘭上,其測量裝置上設有一集成開關,在集成開關上有2個設定值,一個是預報警,另一個為停機報警,當離心機因振動大使振幅超過允許值時,報警開關發出信號,隨即停車。經分析,造成離心機振動大聯鎖停車的原因一是下料不均;二是配重過輕。對此,我們采取針對性措施,一方面在離心機底盤上增加配重塊,加大配重,增強離心機自身的穩定性;另一方面,調整重堿皮帶上的擋板結構,擋板由手動控制改為電動控制,并與離心機的振幅實行聯鎖,這樣既可以根據皮帶來料變化隨時調節離心機的進料量,保證離心機進堿螺旋進料均衡、穩定,又可以保證離心機的使用壽命不受影響。2主電機皮帶輪直徑對故障離心的影響在實際生產中,離心機的運行還存在另外一個問題,即當篩籃內形成正常的堿餅后,推料盤推不動料,是什么原因引起的呢?我們會同德國公司工程技術人員分析,可能是離心機轉速過高,篩籃內重堿顆粒與顆粒之間間隙過小,重堿水分過低所致,因此我們及時調整主電機皮帶輪的直徑,把皮帶輪的直徑減小,降低離心機的轉速。通過以上兩點改造,終于保證了離心機的平穩運行,表1列出了離心機進、出口重堿全分析數據。由表1數據可以看出,經離心機二次脫水后,重堿水分下降4.09個百分點,重堿鹽分下降0.11個百分點,由于水分的變化,NaHCO3的主含量上升了4.36個百分點,燒成率上升了2.42個百分點,按此計算,純堿成品鹽分下降了0.247%。2.2表面局部重堿鹽分穩定性眾所周知,純堿行業濾堿機洗水裝置一直采用傳統的洗水槽結構,洗水從灑水板流下來,在洗滌濾鼓表面的重堿時分布不均,引起濾鼓表面局部重堿鹽分變化很大,對成品純堿鹽分的穩定性產生非常大的影響,難以滿足市場的需要。為達到用戶對低鹽分的需求,務必犧牲生產的連續穩定性,加大濾堿機的洗水。對于聯堿生產來說,由于聯堿母液系統封閉循環,加大洗水勢必引起聯堿母液膨脹,無法維持正常生產。能否找到一個兩全其美的辦法,既解決成品純堿鹽分的問題,又解決母液膨脹的問題,這就是我們對濾堿機洗水裝置改造的目的。2.2.1濾堿機洗水裝置我公司原有2臺過濾面積為13.5m2(后加了1臺過濾面積為20m2的濾堿機)的濾堿機,其洗水裝置雖然較以往的濾堿機洗水結構有所突破,在灑水板的基礎上增加了1道扇形噴嘴,但洗滌效果仍不明顯,因為扇形噴嘴與灑水板一樣,洗水是以線狀形式對重堿進行洗滌,洗水消耗量較大。因此從開車以來,純堿鹽分都居高不下,平均在0.75%左右(再加大洗水量堿母液不能平衡),表2列出了濾堿機洗水裝置改造前各相關指標。從表2可以看出,改造之前的純堿鹽分平均值為0.747%,最高的達到了0.780%,最低的也有0.722%。母液總存量從4月1日的1073m3上漲到4月7日的1240m3,可見要想在如此條件下提高產品質量,進一步降低純堿鹽分,聯堿的正常生產將無法維持。2.2.2噴霧的安裝和純堿鹽分的控制在參考同行業洗水裝置改造的基礎上,決定把濾堿機現有灑水板結構改為洗水噴淋裝置。結合濾堿機的生產能力及洗水用量,我們在每臺濾堿機上用5道洗水噴淋裝置(2臺共10道噴淋裝置)取代了原灑水板與扇形噴嘴。其中3道洗水裝置上每道安裝25個噴頭,余下2道洗水裝置上每道安裝24個噴頭。每2個噴頭之間的間距為80mm,每道洗水裝置相距190mm,噴嘴的安裝高度(即噴頭與濾鼓表面重堿之間間距)為120mm。從2005年4月16日開始安裝,為期4天。在最初的1個星期內,摸索、調試,效果較為明顯,純堿鹽分雖然沒有明顯的改觀,但母液收縮較快,從15日到21日,總存量從1413m3下降到1184m3。通過摸索規律和操作方法后,從22日開始降純堿鹽分,純堿鹽分按小于0.60%控制(見表3)。由表3可看出,濾堿機洗水裝置改用噴淋洗滌后,效果較好。成品純堿鹽分平均在0.56%,最低的達到了0.51%,純堿產品能滿足不同層次用戶的需求。最關鍵的一點是聯堿母液總存量下降較多,在統計數據的7天中,總存量下降了230m3,確保了生產的穩定運行,同時還有利于環保排放和節能降耗。2.2.3噴嘴螺栓的選擇和清洗單臺濾堿機上的5道噴淋裝置在使用過程中有以下優點:第一,5道洗水能任意調節,洗滌區域較大,調節靈活;第二,與扇形噴嘴相比,扇形噴嘴洗滌時,洗水在重堿表面形成的是一條線,而此次使用的圓錐形噴嘴在重堿表面形成的是成霧狀的一個面,在這個面上,單個噴嘴洗滌重堿均勻,洗滌時噴嘴與噴嘴之間的洗水成15%左右的交叉,這樣可保證整個轉鼓上重堿鹽分洗滌均勻;第三,圓錐形噴嘴噴霧洗滌時,由于噴灑均勻,對濾鼓表面的重堿沖擊力小,不易形成溝流,重堿穿透損失及溶解損失小。當然此次使用的流量為2L/min、口徑為4.4mm的噴嘴也存在一些缺點:其一,由于噴嘴口徑大,洗水量最大時平均單個噴嘴流量可達到3.4L/min,在我公司濾堿機能力沒有發揮到最大時(濾堿機現有生產能力在300～350t/d·臺),只能開2根洗水管。為了確保洗水當量,開3根洗水管時,洗水在噴嘴內分布不均,不能形成霧狀;其二,當洗水流量不能滿足開3根管而只能開2根管時,噴嘴出口壓力較高,對重堿表面仍然有一定的沖擊,造成重堿表面局部位置可能形成溝流;其三,對洗水質量要求較高,洗水中不能含Ca2+、Mg2+垢,否則,容易造成噴嘴堵塞。在摸索出2L/min、口徑4.4mm噴嘴的優缺點后,我們又在3#濾堿機上試用了3排共74個、口徑4mm、流量為1.6L/min的噴嘴,后者使用效果明顯優于前者。因此,在新增20m2濾堿機上我們也改用了口徑4mm、流量1.6L/min的噴嘴。2.3濾餅洗水流程的改進設計院在作設計時,聯堿(濾過)洗水采用圖1流程。淡液蒸餾塔底廢淡液依次作為綜合回收塔濾過凈氨段和碳化尾氣清水凈氨段的洗水,然后送往爐氣洗滌塔凈化爐氣中的氨和堿塵后,再送至濾過高位槽。高位槽的另一部分洗水來自重堿離心機出口經澄清后的濾液,這部分濾液含FNH31.88mol/L、TCl-0.41mol/L,流量約70kg/t堿。進入高位槽的兩部分水一起自流到濾堿機灑水板和扇形噴嘴上作為濾堿機的洗水。圖1工藝流程應該為聯堿濾過洗水的經典流程。但還存在一些不足。重堿經離心機脫水后濾液Cl-的濃度較高,按濾液量和濃度與凈氨洗水混合后,濾過洗水中Cl-的濃度達到了0.04mol/L(即0.8tt)。由于濾餅在洗滌過程中,是以活塞流形式置換取代、對流混合及分子擴散的方式來除去濾餅中所夾帶的母液。對于活塞流置換取代方式來說,濾餅脫水的動力學可用達西定律描述:dVw/dt=KsA/Lμ(△P-Pc)S(1)式中:Vw——置換的濾液體積;t——時間;μ——洗水粘度。對流混合和分子擴散可用分子擴散系數來描述:D=7.4×10-8(αMs)1/2T/μV0.6AA0.6(2)式中:D——分子擴散系數;μ——洗水粘度。從(1)和(2)式中可知,濾餅在單位時間內的脫水量及分子擴散系數都與洗水的粘度成反比。在38℃下,純水的粘度為0.68mPa·s,含0.8ttCl-的洗水粘度為1.05mPa·s,因此,與不含Cl-的洗水相比,用含Cl-的洗水洗滌濾餅時消耗的洗水量勢必大得多。一般的當洗水中Cl-濃度超過0.02mol/L時,要保證純堿鹽分受控,則洗水用量勢必增加10%～15%。為了彌補上述不足,我們對濾過洗水流程作了如圖2的改進。原不含Cl-的凈氨水仍進入濾過高位槽,但同時增加了1個洗水桶,重堿離心機后Cl-濃度較高的濾液不再進入濾過高位槽,而是直接進入新增加的洗水桶內,再自流到濾堿機5道洗水噴淋裝置的第1道直接洗滌重堿。由于洗水在洗滌濾餅初期時,以活塞流的形式通過濾餅孔隙通道置換取代重堿夾帶的母液從而達到洗滌重堿鹽分的目的,并置換取代濾餅中的一部分母液。然后再用濾過高位槽不含Cl-的洗水分幾次洗滌濾餅,進一步置換取代、對流混合及分子擴散的方式除去濾餅中剩余夾帶的母液。這樣既能保證生產較低鹽分的純堿產品,又能降低濾過洗水當量,確保聯堿母液處于濃縮狀態。實際上對于多道洗滌或者把含Cl-不同濃度(粘度不同)的洗水分開并分別洗滌重堿表面,根據(1)式可知,(△P-Pc)即置換壓強降與毛細管壓強降差值大,亦即洗水洗滌重堿表面的推動力大,同時濾餅中洗水的飽和度S也大,濾餅中夾帶的母液脫除加快,洗水用量減少。表4列出了濾過洗水工藝流程改進后的1個星期的三項經濟技術指標。由表4看出,從15日到21日7天內,純堿鹽分最低的為0.35%,最高的也只有0.5%,并且在此期間陸續向母液系統中補加了180m3各種含氨雜水,聯堿母液系統仍然保持平衡。運行效果良好,達到了改進之目的。3用聯堿母液合成重質純堿僅僅靠采用離心機對重堿二次脫水工藝與對濾堿機洗水裝置以及洗水流程等進行改造相結合的辦法,只能生產0.4%左右較低鹽分的純堿。如果要長期生產小于0.3%的低鹽純堿,可以采用重堿離心機二次脫水與改良固相水合法相結合的生產工藝。重堿離心機二次脫水后純堿鹽分按0.45%控制,經改良固相水合法一水堿離心機再次脫除一水堿結晶中的游離水,一水堿游離水9%,離心后游離水按5%控制。根據計算,水合機前輕灰中含鹽4.5kg/t,需要化合水量274.9kg/t,離心后排出的母液量81.72kg/t,殘余在一水堿中的母液量為88.74kg/t,排出鹽分81.72/(81.72+88.74)×4.5=2.16kg/t,則經煅燒后重灰鹽分在0