减少碱锅煤耗降低环境污染的问题和措施研究
摘要：氯碱厂在电解食盐并经多效蒸发后的液体烧碱，由于运输、储存等方面的诸多不便，通常是将一部分液碱售给小的液碱厂再加工，最终浓缩为片碱或固碱。由于小碱厂的生产工艺、技术、设备比较落后，在用碱锅加热液碱过程中排放的高温烟气，没有得到合理利用，造成煤炭资源的浪费，同时也造成了环境污染。如果适当改进一下生产工艺及设备，通过合理设置一个换热器，并处理好腐蚀问题，就能充分利用这部分烟气余热，减少煤耗，降低环境污染，做到节能减排。
关键词：余热利用;节能减排;环境污染
中图分类号：X706 文献标识码：A 文章编号1007-0370(2013)07-0061-02
The Discussion of reducing the coal consumption of the boiler and the environmental pollution
Sun Daihua， Yan Ying， Hu Baojun
(Zibo Linzi Environmental Monitoring Station， Shandong 255400)Abstract： The liquid alkali，which is obtained through the electrolysis of brine and evaporated， usually is sold to small factories for reprocessing into a sheet-like base or a solid base，due to the inconvenience of the transportation， storage and other.Because of the production processes， technology， equipment of small factory is relatively backward， the high temperature flue gas emissions when heated liquid lye did not get the rational use of.These cause the waste of coal resources， and also causes environmental pollution.If we appropriate improved production technology and equipment， for example， by setting a heat exchanger， and corrosion problems， you can take full advantage of this part of the flue gas waste heat， reduce coal consumption， reduce environmental pollution， to achieve energy saving and emission reduction.Key words： Waste heat utilization; Energy conservation; Environmental pollution
我国的固碱、片碱产品，最终是通过高温火焰加热碱锅，经蒸发、浓缩液碱来完成的。目前我国已有烧碱生产企业有210家左右，产能约2480万吨，产量已居世界首位[1]，但长期积累的一些问题也逐渐显露出来，如在液碱加工环节，吨产品仅在小碱厂再加工浓缩环节的实物煤耗(其热值约为2.4×104 kJ/kg)，因液碱浓度不同(32-48%)，就在0.4-0.6吨之间，其有效热利用率很低，约在30%左右。如何合理利用能源，减少环境污染，越来越引起人们的关注，但这一问题在国内探讨的人不多。从山东省淄博市临淄区的小液碱加工企业来看，经20余年的发展、淘汰，境内还有几十家的小碱厂，期间经历了多次的环保治理，现已由原煤散烧全部改为煤气发生炉产生煤气，经燃烧后加热碱锅，冒黑烟的问题基本上得到了解决，但热利用率低、能耗高的问题依然存在。临淄区的现状基本可以代表我国目前部分小规模液碱加工企业的现状，走节能减排，节能降耗之路，势在必行。
1 碱锅热利用率低的原因
碱厂通常采取用火直接加热碱锅的间歇式生产，主要分为三个大的阶段，即蒸发、熔融、澄清。这三个阶段都是在铸铁锅内进行的，燃烧的火焰直接与铸铁锅接触加热，为了有效利用高温烟道气的热量，现在一般在碱锅后设置3-4个预热锅，烟气经预热锅后由烟囱排出。熬碱至锅内温度约500℃时，此时水份已全部蒸发，这时加入少量硝酸钠，冷却至约400℃时，再加入适量的硫磺粉，使之与能使碱产生颜色的铁锰等化合物发生化学反应而除去，以保证碱的质量[2]。由于碱锅与炉火的有效接触面积很小，一个锅通常为几平方米，特别是到熬制的后期，随着液碱温度的升高，其传热温差逐步减少，造成传热推动力减小，导致排烟温度升高，从日常的环境监测情况看，烟气温度高时可达500℃以上，造成了极大的能源浪费。
2 怎样提高热效率
熬碱的过程就是让碱锅尽可能多的吸收热量，让水分蒸发掉，蒸发量符合传热速率方程。
传热速率方程公式为：Q = KΔtm A[3]
式中：K-表示总平均传热系数，简称总传热系数，W/(m2·℃);
A-表示换热器的总传热面积;
Δtm-表示冷热流体的平均传热温差，℃。
从传热速率方程可以看出，增大总传热系数K，总传热面积A和平均传热温差Δtm，都可以提高传热速率Q。一般来说，总传热系数K取决于传热系数和污垢热阻，对碱厂而言，所做的只能是及时清除锅底垢层以减少污垢热阻，应该说K值变化很小，也可以近似认为不变;而平均传热温度差Δtm主要取决于烟气温度与液碱温度之差，差值越大，传热推动力越大，但造成排烟温度升高，由此造成的热损失也就越大，能耗越多，因此生产中不能增加传热温差，只能设法减小;另一个方法就是增加有效总传热面积，根据现有生产工艺，每增加一个预热锅只能增加传热面积几个平方米，且锅壁很厚，传热效果不好，且会增加生产的复杂程度。如果在2个预热锅后增加一个管壁相对较薄、有效面积较大、底部高于预热锅的换热器，先对冷的液碱进行预加热、蒸发，这样就可最大限度的利用烟气余热，也因为该换热器位置较高，加热后的液碱可以方便的回流到预热锅。
3 增加换热器必须要解决的腐蚀问题
要合理利用余热，一个必须考虑的问题是液碱的腐蚀问题。浓而高温的碱液具有强烈的腐蚀作用，特别是熔融状态的碱。一般的钢铁在碱液浓度小于30%时，它会在金属表面产生不容性的腐蚀产物，从而保护金属不再腐蚀;而当碱液浓度大于30%时，则保护膜会溶解，腐蚀速度加快，温度高时尤为显著;另一个问题是应力腐蚀，即所谓的“碱脆”[4]，原因就是在焊接时会产生内应力，因而在焊缝处更易产生腐蚀。因此可适当增加换热器换热管、壁的厚度抵抗腐蚀，并对换热器进行热处理，减少焊缝处的内应力[5]，可能的情况下也可选用低合金钢。这样在正常情况下，每年的腐蚀量不会超过3mm，完全可以满足工业生产的要求。目前在用铸铁熬碱锅的使用时间只有1个月左右，预热锅的使用寿命相对较长，其原因就是铸造时产生内应力而造成应力腐蚀，若对碱锅先进行热处理而消除应力，可延长碱锅的使用寿命。
4 利用烟气余热的两种有效方法
4.1 利用高温烟气余热生产蒸汽，再用于加热液碱
可以在预热锅之后增加一组受热管，组成一个简易的自然循环的小锅炉，利用烟气余热产生低压蒸汽，例如生产6kg/cm2(温度为158℃)的蒸汽，产生的蒸汽再引入设在高位预热槽内的加热盘管，对冷的液碱进行加热、蒸发、浓缩，这样就可以降低煤耗。临淄天成化工在采用此法后，加工浓度为48%的液碱，吨产品的实物煤耗由多于400kg，降至300kg左右，熬制每锅碱的时间也减少了约5小时，其效益是非常明显的。
4.2 在预热锅后增加换热器
在第二个预热锅后增加一个列管式换热器，管间存放液碱，在管壳的上部开几个孔，用于蒸汽排出和添加物料，烟气直接从管内由下而上排出，用于加热管间的液碱，液碱浓缩到一定程度后，就可以从管壳下部的出口自流到预热锅。由于碱厂已全部改为煤气发生炉，从监测数据看，其烟气中的含尘量基本上在30mg/m3以下，即使烟气中的烟尘较高，它也会在重力的作用下可以沉降下来，不会堵塞换热器。增加的烟气阻力，可采用提高烟囱高度的方法解决。假设加工浓度为48%的液碱，若缩至65%，其对应的沸点温度只不过170℃，造成的腐蚀也不会太大。而换热器面积的大小，在计划利用烟气总热量的基础上，设定好进烟、排烟温度和液碱温度后，就可以根据进口温差和出口温差，计算出平均传热温差，再选取一合适的总传热系数，就可方便的计算出换热器的有效面积[6]，其节能效果可达25%以上。应该说此法与前一种方法具有同样的节能效果，在某些方面甚至优于前一种，特别是加工低浓度的液碱，其效果更好。
5 结论
通过增加烟气与液碱之间的有效传热面积，减少传热温差，来合理利用烟气余热，将生产中白白浪费掉的余热有效的利用起来，在生产中是完全可行的、有效的，方法简便，只是增加一个换热器，就可以降低煤耗，减轻环境污染，实现清洁生产，这将会产生巨大的经济效益和环境效益，因此该方法很有必要推广。需要注意的是，在制造换热器时必须保证焊缝的厚度和质量，并进行热处理以减少内应力，这样才可以延长设备的使用时间，满足工业生产的要求。
参考文献
[1]中商情报网，2009-2012年烧碱行业发展前景分析及投资风险预测报告[EB/OL]， www.askci.com，2009.
[2] 姚梓均主编.无机物工艺学下册[M].北京：化学工业出版社，1991年.
[3] 史美中，王中铮. 热交换器原理与设计第二版[M]，南京：东南大学出版社，1996.
[4] 余国琮，吴修慈，吴文林等.化工容器及设备[M].天津：天津大学出版社，1988.
[5] 雷宪玲.固碱锅损坏的原因分析[J]，中国氯碱，2000，03.
[6] 姚玉英，黄风廉，陈常贵等.化工原理上册 [M].天津：天津科学技术出版社，1993.
收稿日期：2013-1-20
作者简介：孙代华(1963-)，男，山东淄博人，工程师，从事环境监测分析工作.
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