一体化两段初蒸发器在加压硝铵工艺中的应用

王志鸿;邹永明;叶天伦;罗庆

【摘 要】In the typical pressurization process of ammonium nitrate,the ammonium nitrate solution evaporation concentration and ammonia nitrogen wastewater production process was introduced.For the problem that a part of the reaction heat steam and fresh steam were mixed,that was condensed into ammonia nitrogen wastewater,the falling-film integrated two-stage evaporator was developed and applied in the ammonium nitrate pressurization process of Yunnan Jiehua Clean Energy Development Co.,Ltd.It could achieve the clean and waste stream separation from the beginning,with good energy saving and emission reduction effect.As a result,50 kt/a LP steam was saved and 6.4×104 m3/a ammonia nitrogen wastewater was decreased.%介绍了加压硝铵工艺中,硝铵溶液的蒸发浓缩和氨氮污水的产生过程,针对反应热蒸汽不能完全回收利用,补充新鲜蒸汽冷凝为氨氮废水的问题,云南解化清洁能源开发有限公司主持开发了降膜式一体化两段初蒸发器,并应用到加压硝铵生产工艺中,可从源头实现清污分离,获得了较好的节能减排效果,每年节约低压蒸汽5万t,减排氨氮污水6.4×104 m3. 【期刊名称】《煤化工》 【年(卷),期】2017(045)004 【总页数】4页(P18-20,29)

【关键词】一体化蒸发器;硝铵;反应热蒸汽;降膜蒸发器;氨氮废水

【作 者】王志鸿;邹永明;叶天伦;罗庆

【作者单位】云南煤化工集团有限公司,云南昆明650231;云南解化清洁能源开发有限公司,云南开远661006;云南解化清洁能源开发有限公司,云南开远661006;云南解化清洁能源开发有限公司,云南开远661006 【正文语种】中 文 【中图分类】TQ113

以氨和稀硝酸为原料的硝铵生产，因生产系统内的水是富余的，蒸发浓缩过程需要消耗蒸汽，同时产生氨氮废水，硝铵生产工艺伴随着典型的耗能、排污过程。随着企业节能减排压力增加，需要从源头挖掘节能减排的潜力。

云南解化清洁能源开发有限公司（简称解化公司）于2009年建成20万t/a的加压硝铵装置，装置投运后，暴露出反应热蒸汽不能完全回收利用、补充新鲜蒸汽冷凝为氨氮废水的问题。为此，解化公司主持开发了降膜式一体化两段初蒸发器，并应用到硝铵生产装置中，从源头实施清污分离，节约了新鲜蒸汽，减少废水排放量，取得了较好的节能减排成效。 1.1 反应热蒸汽回收工艺

工业生产硝铵的方法，多采用气氨与稀硝酸中和反应制得，此中和反应是快速中和、强放热反应，在加压硝铵工艺中，送入装置的气氨原料纯度98%以上，稀硝酸质量分数约60%，中和反应产生的硝铵溶液经闪蒸分离后，得到质量分数约78%的硝铵溶液和蒸汽压力约0.3 MPa的反应热饱和蒸汽。反应热饱和蒸汽中仍夹带少量硝铵液滴，为减少氮损失，减少冷凝液中的氨氮含量，通过洗涤方法回收硝铵，尽可能降低反应热蒸汽中硝铵的含量。反应热蒸汽经洗涤后，温度降至140℃左右，与新鲜蒸汽混合后，作为初蒸发器的热源，最终形成氨氮废水送出界区。经分

离器后质量分数约78%的稀硝铵溶液，与洗涤塔来的回收液混合后，硝铵溶液质量分数降至约65%，送至初蒸发器，经初蒸发器浓缩后，硝铵溶液质量分数约96%，再经终蒸发器加热蒸发得到质量分数约99.5%的硝铵溶液，送造粒塔生产最终产品。 1.2 存在问题

硝铵生产装置中，闪蒸罐的压力是重要的安全生产指标。生产负荷变化和新鲜蒸汽总管压力波动，均会导致闪蒸罐的压力波动，直接影响硝铵的安全生产。为确保安全生产指标，反应热蒸汽经洗涤后，一部分与新鲜蒸汽混合，作为初蒸发器的热源，另一部分经工艺气冷凝器冷却后，送出界区外处理，这是稳定分离罐压力的重要措施。

技改前的生产过程中，反应热蒸汽与新鲜蒸汽混合，作为初蒸发器的热源，虽确保了初蒸发器后硝铵溶液浓度，但补加的新鲜蒸汽最终形成氨氮废水，增加了污水量，同时，部分反应热蒸汽经工艺气冷凝器冷却后外排，热量未能得到回收利用。随着节能减排压力的增大，安全生产和节能减排之间的矛盾越显突出。

硝铵生产的重要节能措施是充分利用反应热饱和蒸汽，在确保各级蒸发浓度工艺指标的前提下，尽可能减少新鲜蒸汽的消耗。将反应热蒸汽与新鲜蒸汽分开利用，相互间不受影响，既可实现安全生产，又实现反应热蒸汽完全利用，减少新鲜蒸汽消耗，这是较理想的思路。 2.1 增加一级初蒸发器

增加一级初蒸发器，第一级初蒸发器利用反应热蒸汽为热源，第二级初蒸发器用新鲜蒸汽为热源，从而实现清污分离。硝铵结晶温度较低，在硝铵生产装置界区内，存在质量分数为0～99.5%的硝铵溶液，在实际生产中，闪蒸罐后的硝铵管线均配有保温管线、冲洗管线、防堵塞回收设施。若新增一级初蒸发器，需要配套增加硝铵溶液泵、工艺管线和保温管线、冲洗管线、防堵塞设施等，现场施工难度大，若

实施后，相应加大了现场管理的难度。硝铵浓缩蒸发的特点是流程简单、工艺附属管线复杂，增加一级初蒸发器是一个可选方案，但实施困难。 2.2 反应蒸汽移出界区

经洗涤后反应热蒸汽（140℃、0.35 MPa）中含少量硝铵液滴，属低品位的热能蒸汽，若将此部分热能移出界区利用，采用新鲜蒸汽作为硝铵初蒸发器的热源，对于硝铵生产而言，这种想法是较好的[1]。

反应热蒸汽品质不稳定，蒸汽量随生产负荷的波动而改变，蒸汽中含有少量的硝铵，将反应热蒸汽移出界区，污染物将随之扩散。将反应热蒸汽移出界区的方案，违背了反应热能就地利用，就地转换的原则，也违背污染物不扩散的原则，鲜有将反应热蒸汽引出界区应用的案例，将反应热蒸汽移出界区的方案也是不可行的。 2.3 开发一体化两段初蒸发器

综合上述，寻找一种解决方案，新设计一体化两段初蒸发器，一段为热利用段，以反应热蒸汽为热源，完全回收反应热蒸汽，另一段为加热段，以新鲜蒸汽为热源，实现新鲜蒸汽与反应热蒸汽有效隔离。这一方案，不新增硝铵溶液工艺管线及配套管线，也不增加硝铵溶液机泵，工艺操作及工艺指标几乎无变化，从设备角度看，硝铵蒸发器总蒸发量没有改变，设备外形不发生改变也是可能的，综合而言，开发一体化两段初蒸发器是可行方案。

薄膜蒸发器作为一种高效蒸发设备，近些年得到广泛的推广应用，特别是计算机辅助动态模拟技术在薄膜蒸发器设计开发上的应用，助力薄膜蒸发器的推广[2]。薄膜蒸发器主要有降膜和升膜两种形式，降薄膜蒸发器已经成功应用到硝铵溶液的蒸发中，为开发降膜式一体化两段初蒸发器奠定了技术基础。降膜蒸发器是垂直蒸发设备，从结构看，降膜式一体化两段初蒸发器由两个降膜蒸发器垂直叠加而成，要确保硝铵溶液在两段上均匀成膜，技术上需要解决一些难题。 3.1 降膜式一体化两段初蒸发器的开发

解化公司主持开发了降膜式一体化两段初蒸发器，降膜蒸发是将硝铵溶液从加热器上管箱加入，经过液体分布器及成膜装置，均匀分配到各换热管内，并沿换热管内壁呈均匀膜状流下。在硝铵溶液下流的过程中，被壳程加热蒸汽加热气化，产生的蒸汽与硝铵溶液共同进入初蒸发器分离器，经汽液分离，蒸汽经冷凝后移出界区，硝铵溶液浓度得到提高。液体分布器及成膜装置是降膜初蒸发器的设计关键，蒸发的蒸汽会沿分布盘横向流动，对成膜的细流溶液产生影响，造成偏流，为减少蒸发蒸汽对成膜的影响，采用真空操作工艺，克服偏流问题[3]。

降膜式一体化两段初蒸发器的设计分两部分，第一段可采用成熟的设计成果，关键在第二段蒸发器的设计。第二段蒸发器的热源是新鲜蒸汽(0.6 MPa、170℃)，温度比反应热蒸汽高约30℃，第二段内硝铵蒸发蒸汽对成膜的影响增大，通过合理设计第二段分布器和成膜装置，从而保证硝铵溶液在第二段换热管内成膜，以满足设计要求。经过计算模拟，确定第一、二段的换热面积及分布器形式，两种蒸发器主要设计参数列于表1。

由表1可知，操作工艺条件不变，一体化两段初蒸发器总换热面积减少，主要得益于反应热蒸汽热能得到完全回收利用。 3.2 降膜式一体化两段初蒸发器实施后的工艺

气氨和硝酸在管式反应器中混合并发生反应，同时放出热量产生蒸汽，在闪蒸罐顶部，反应热蒸汽从硝铵溶液中分离出来，送至洗涤塔除去夹带的大部分硝铵液滴，经洗涤的反应热蒸汽送至一体化两段初蒸发器的热利用段，冷凝后的工艺冷凝液流至工艺冷凝液罐，经输送泵加压后，一部分作为洗涤液送至洗涤塔，富余部分送出界区。来至管网的新鲜蒸汽经调节阀调压后，送至一体化两段初蒸发器的加热段，蒸汽冷凝液流至蒸汽冷凝液罐，经冷凝液泵送至软水站回收利用。在闪蒸罐底部，78%稀硝铵溶液送至一体化两段初蒸发器，经过热利用段和加热段的加热蒸发后，96%硝铵溶液流至再溶槽，经硝铵溶液泵加压后，送至终蒸发器。

降膜式一体化两段初蒸发器方案的实施，主要更换原初蒸发器，对新鲜蒸汽管作少量配管改造，硝铵溶液管线部分无需改造，主工艺流程和工艺指标也无需修改。新增了蒸汽冷凝液储罐及泵，停用一台冷凝器以及相应的管线。通过设备更换，实现了清污分流，改造后的加压硝铵工艺流程示意图见图1。

通过采用降膜式一体化两段初蒸发器，使反应热蒸汽与新鲜蒸汽实现有效的隔离应用，闪蒸罐压力不受新鲜蒸汽管网波动的影响，硝铵中和反应的安全性得到提高，反应热蒸汽可完全回收利用，还可停用一台工艺冷凝器。加热段的蒸汽冷凝液，因未污染，可送出界区回收利用。以年产20万t的加压硝铵装置为例，仅以初蒸发器为统计边界，对改造前后节能及减排量情况进行比较，吨硝铵节能及减排量列于表2。

由表2可知，按年产20万t硝铵计，年可节约新鲜蒸汽约5万t，少排氨氮废水6.4×104m3,可回收蒸汽冷凝液2.9万m3。通过采用降膜式一体化两段初蒸发器，从源头实现清污分离，减少了氨氮废水排放量，反应热蒸汽得到有效回收利用，节能效果明显。实践表明，在加压硝铵工艺中，初蒸发器采用降膜式一体化两段初蒸发器是可行的，可在加压硝铵工艺中推广应用。

【相关文献】

[1]李开选.硝铵装置降膜蒸发存在问题及改进措施[J].煤化工，2002，30（3）：73-75. [2]杨守诚.降膜蒸发器的设计[J].石油化工设计，1995，12（1）：46-52.

[3]朱玉峰.大型降膜蒸发器液体分布器的设计[J].机械与设计，2007，23（1）：104-105.