1、 碳化塔选型技术探讨来源:中国化工信息网 2007 年 8 月 13 日碳化工序是纯碱生产的心脏，而碳化塔又是碳化工序的关键设备。碳化塔选型一旦确定，直接影响到将来纯碱生产的各项指标的完成、消耗的高低、质量的优劣，甚至是投资的高低。对于一个纯碱厂来说，无论是新建还是扩产，碳化塔的选型是一个非常重要的决策。对碳化塔的性能认识，传统上往往重视的是碳化转化率的高低、碳酸氢钠结晶质量的好坏以及生产能力的大小。但实际上碳化塔的性能指标不仅是转化率，结晶质量和能力，还有更多的指标决定着碳化塔的性能，而这些指标又往往决定着转化率和结晶质量，决定着生产能力的大小。因此，如何正确地评价碳化塔的性能，笔者从技术方
2、面进行综合分析并提出了建议，以供制碱同仁参考。1 碳化塔能力、转化率、结晶质量1.1 碳化塔能力碳化塔的能力是碳化塔选型的第一要素。任何一个企业在进行新建或扩建时都希望用最少的碳化塔的台数、最少的碳化塔投资额达到产量的设计能力。随着碳化塔的大型化，其生产能力也相应提高，如 3000/3400 异径菌帽碳化塔 2800/3000 筛板碳化塔，这些大型碳化塔的能力都达到了 300t/d 产量，是近几年来新建和扩建纯碱厂首选的碳化塔。实践证明，同样塔径的筛板塔和菌帽塔相比，筛板塔生产能力大 10%-15%，塔板效率高于 15%。尽管这两种塔型的能力都能达到 300t/d，但是由于其塔的内部结构和塔径
3、有着较大的差异，因此也导致在投资上有很大的差异。显然，由于筛板塔的塔板数量在吸收反应段比菌帽塔减少 1 倍，同时在塔径上的差异，筛板塔的投资要远远小于菌帽塔，有资料表明筛板塔的造价与菌帽塔相比可降低 40%左右。从这个意义上讲，笔者认为单纯从能力的指标比较，应该是能力/单位投资额比较，而不是单纯的生产能力的比较，这是投资者往往容易忽略的问题。1.2 碳化转化率转化率是纯碱工作者非常重视的指标，在评价碳化塔及操作时，经常是把转化率当成最主要的工艺指标来评价。因为转化率是影响纯碱盐耗的重要工艺指标，转化率每降低 1%，将造成 15kg/t 碱 原盐消耗的升高。一个性能好的碳化塔，在其它工艺条件满足
4、的情况下，转化率应该大于 75%，甚至可达到 76%。但是转化率并不是越高越好。对于碳化塔还有一项更重要的、近年来倍受制碱专家重视的指标，那就是结晶质量。1.3 结晶质量结晶质量关系到后续工序的工艺指标及消耗指标的控制。如对滤过水分的影响、对滤过盐分的控制、对滤过洗水用量的影响、对滤过损失的影响、对母液当量的影响、对蒸馏塔负荷的影响、对蒸馏用蒸汽消耗的影响、对煅烧炉能力的影响，对煅烧蒸汽消耗的影响，对纯碱的 8 项消耗中 7 项如盐耗、水耗、石灰石耗、煤耗、中压蒸汽消耗、低压蒸汽消耗、电耗都有着直接的影响，这就是为什么制碱专家更加重视碳化结晶质量的原因。碳化塔的结晶质量不是一个独立的工艺参数，
5、是操作和其它外界工艺条件的综合反映。因此在比较各种不同结构的碳化塔时，应该是在相同的操作参数下比较。比如，相同的负荷能力、相同的控制温度和压力等操作参数、以及碳化率与结晶指标控制所造成的相互影响等等。在实际操作控制中，碳化结晶与碳化转化率往往是相互矛盾与冲突的。比如在过于追求转化率时，为了满足高能力和高转化率，往往是以降低出碱温度，强化碳化塔冷却段的反应，以达到碳化转化率的提高，这是一个很大的误区，因为这容易造成碳化结晶质量的下降。碳化反应是一个放热反应，碳化反应应该最大限度地在冷却段以上的吸收反应段完成，而在冷却段仅仅是一个结晶成长过程，要杜绝二次晶核的析出是提高结晶质量的关键，如果在冷却段
6、强化反应，势必造成结晶的析出速度大于结晶的增长速度，致使二次晶核析出。因此，出现结晶中粗、细颗粒不均，会给滤过工序造成极差的影响。从上述观点分析，碳化塔的结构应该更注重满足碳化结晶质量的改善，其次是碳化转化率的提高。如吸收反应段的传质吸收效率、轴向返混问题，这是一个性能好的碳化塔应该解决的问题。筛板碳化塔在内部结构上比菌帽碳化塔更具有优势。2 操作弹性碳化塔的操作弹性是一个重要的技术指标。由于碳化工序是纯碱制造过程中一个“心脏”工序，前后都有相关的工序与之关联，整个生产过程连续且相互影响，因此在纯碱生产的过程中难免会遇到生产的波动，这就要求碳化塔具备比较宽泛的操作弹性，以适用生产波动中的操作状
7、态。2.1 菌帽塔的操作弹性在传统的碳化塔的设计中，为了保证比较宽泛的操作弹性，选用了菌帽塔板结构，不设溢流管，气液同道，称之为索尔维碳化塔。这种碳化塔在生产作业中，其中的塔内液面高度与塔的负荷和进气量有很大的关系，在每一圈的塔板上都会有气液分区，形成每块塔板的塔板效率。随着气体负荷的增加，塔板上的气相区会随之增高，而板上液面降低，这也反映了整个碳化塔的负荷状况，因为制碱塔的能力取决于进气量的大小。因此传统的索尔维碳化塔有比较大的操作弹性。2.2 筛板塔的操作弹性传统的筛板塔其操作弹性比较小，主要是因为筛板的开孔率、孔径以及筛孔的孔速受到限制，因此传统的筛板塔不适合应用于纯碱制造中的碳化工序。
8、但是上个世纪 80 年代，由德国首先开发的大型筛板碳化塔取得成功，这种碳化塔打破常规的传统的筛板塔的原理，形成独特的筛板塔结构，这就是称之为深液层大孔径筛板塔。这种塔与传统的筛板塔相同的是有筛板、有溢流管、气液分道、有较高的传质效率。但与传统的筛板塔作业形式不同的是：设置的溢流管不决定各圈塔板上的液面高度，决定各圈液面高度的仍然是气体负荷的大小，溢流管仅仅是液体通道。筛板的孔径较大，开孔率很低，因此孔速很高。气体在通过筛孔时，呈喷射状与液体进行气液混合，形成分散度极高的微小气泡，甚至达到液体呈乳化状态。这种碳化塔塔板上的液面不受溢流管高度的影响，但是也有分界清晰的气液相区，板上的液面高度也是受
9、气体负荷的影响，当气体负荷较大时，气相区亦称“气垫相对减薄”，而气体负荷较小时，气垫增大，这与索尔维碳化塔极为相似，因此，这种筛板碳化塔也有较为宽泛的操作弹性，甚至更优于传统的索尔维碳化塔。菌帽塔由于气液同道，当气体负荷增加时，占据了液体通道，影响了液体负荷的能力，因此操作弹性也相应受到限制，尤其是上限。而筛板碳化塔是气液分道，只要溢流管液体负荷没有超过液泛点，则操作弹性的上限就没有超越。而由于筛板上的开孔率较低，正常负荷时孔速极高，而当减低负荷时，只要不产生漏液，则可满足筛板塔的操作弹性下限要求。这就是筛板碳化塔与菌帽碳化塔的优势差异。因此，在碳化塔选型时，要重视碳化塔的操作弹性。但是要充分
10、认识这种深液层大孔径筛板塔的特性，不可简单地用传统的筛板塔的特性来定性这种筛板碳化塔。3 碳化塔抗波动能力碳化塔的抗波动能力与操作弹性是不同的概念。碳化塔的抗波动能力实际上是塔板效率的反映。也就是说塔板效率的强化能否抵御或弥补碳化塔外部条件发生波动变化时对碳化吸收反应的影响。前面所述，碳化岗位是制碱过程的“心脏”，前后工序的生产波动和指标都会影响碳化的操作，尤其是煅烧工序的波动对碳化工序影响最大。在实际生产过程中这种波动影响是难免的，而且是经常的、随机的。对碳化塔来说，必须要适应上下工序的生产波动，在这种波动状况下碳化塔最大限度地减少本身的波动影响，因此，碳化塔抗波动能力也是一项重要的指标。抗
11、波动能力好的碳化塔，在遇到生产波动时，对碳化指标的影响小，且恢复快，结晶质量和转化率能够相对保持一个平稳的状态。碳化塔的抗波动能力主要取决与碳化塔塔板的吸收效率。碳化吸收反应过程任何一种因素造成反应推动力降低而影响传质效率时，是否会通过其它反应推动力的提高而弥补塔板传质效率，这是考验碳化塔塔板效率优劣的验证。对于碳化反应，会受到各种因素的影响，其中反应物的浓度、反应温度、液体的流动状态以及塔板效率都会造成反应速度的变化。比如，在气体浓度波动时，下段气量增加而产生的液体的湍动，使得气泡分散度增加，从而提高传质效率。如果能做到这一点，那么这种塔型的抗波动能力是好的。因此在选型过程中要重视碳化塔的抗
12、波动能力，实际上也是需注重碳化塔的塔板效率问题。4 对反应物浓度的要求碳化塔对参加碳化反应的反应浓度要求，实际上也是塔板效率的问题。对于碳化反应，液体的浓度受到溶解度的限制，为防止系统尤其是管道析出结晶结疤，因此，氨碱法碳化液的浓度几乎是一个不变量，而决定反应速度的通常是气体浓度，即中、下段气 CO2浓度。氨碱法制碱是窑气制碱，窑气的浓度变化对碳化的影响极大，但是由于石灰窑的操作稳定性较好，一般不会在较短时间内产生较大的波动而影响窑气浓度。碳化塔的下段气是决定碳化转化率和结晶质量的主要反应推动力，下段气中的主要气体来源于煅烧炉气，而煅烧炉气却经常因为系统的波动而造成浓度波动。通常能够遇到的下段
13、气浓度低时会到65%，在开工恢复时甚至更低。对于要取得较好的碳化转化率和结晶的下段气浓度要求，最好应该大于 80%，甚至大于 85%。但是对于一个老的氨碱厂来说，这样高的下段气浓度非常难得。因此这就要求碳化塔对下段气的要求成为一个重要的参数，也就是说碳化塔的塔板效率应该满足下段气浓度的反应条件，在较低的下段气浓度工况下，仍然能够达到较好的吸收效率并达到较高的碳化度。性能优越的碳化塔，当煅烧炉气发生波动时，不会因此而造成碳化塔的中部温度甚至上部温度的波动，这利于碳化反应的稳定和结晶质量的控制。或者说当煅烧炉气发生波动时，下段气浓度产生波动，但是对碳化的反应表现滞后，而一旦下段气浓度恢复时，又能及
14、时快速地恢复正常塔温，这样就不会对结晶造成较大的影响。从上述观点来看，筛板碳化塔的优越性非常明显，这不仅表现在下段气的波动上，还表现在碳化改塔后的恢复时间上。筛板塔的改塔恢复时间一般在40-50min 左右，而菌帽塔改塔恢复却需要 2h 的时间。这就是塔板效率以及碳化塔整体性能的差别。5 预碳化效果预碳化是碳化工序非常重要的环节。在碳化操作中，碳化塔编组作业是必须的，碳化反应的特点是气、固、液三相共存的反应，而且容易造成因碳化塔的结疤而影响碳化反应的效率。因此，在碳化编组中必须设有清洗塔，也就是预碳化塔。预碳化有两个作用，一是达到清洗的作用；二是达到深度预碳化的作用。而清洗和预碳化却又是相互矛
15、盾的，在一个碳化塔编组作业中，所有的制碱液必须经过清洗塔的预碳化，因此对于一个 4 塔或 5 塔编组的清洗塔，其液体负荷是制碱塔的 4 倍或 5 倍。在清洗塔操作时，预碳化度来源于预碳化液对碱疤的溶解和加入 CO2气体的吸收，因此在清洗的初期和末期加入的 CO2量是不同的，在清洗的末期要求加入更多的 CO2以满足预碳化度的要求。但是，过多的气量搅动会加速碱疤的溶解，尤其是在临近清洗结束时，很容易造成清洗过度而造成含铁升高，而如果减少加气量，则会影响预碳化度。因此，清洗塔的能力和塔板效率往往决定整个碳化塔编组的作业效率。在设计碳化塔时，一般都是考虑碳化塔制碱过程的负荷，并依据制碱负荷进行计算设计
16、，包括操作弹性和塔板效率的计算。但是在实际生产应用中，清洗塔和制碱塔的液体负荷和气体负荷差异很大，而设计和制造又是以制碱塔操作参数为准，因此在碳化塔编组中都有数量的限制，一般为 3-5 塔为宜，而超过这个数量的编组，主要也是因为清洗塔的能力不足而影响整个编组的碳化操作。所谓能力不足主要表现在清洗过度或预碳化不足。从这个意义上讲，在选择碳化塔时，必须要考虑碳化塔的预碳化能力，也就是说，在碳化塔处于清洗过程时，当液体和气体负荷增加 4 倍或 5 倍时，其塔板效率能否达到 CO2被充分吸收达到深度碳化度的要求。因此，碳化塔的塔板效率对于预碳化显得尤为重要。而塔板效率又取决于板型结构。筛板碳化塔与传统
17、的菌帽碳化塔相比，其板型的结构所决定的高塔板效率，表现出较大的优越性。在同样的碳化工况下，同样的清洗负荷和操作条件，筛板碳化塔的预碳化度要比菌帽塔提高 150-200mL/20mL。6 对产品质量的影响碳化塔对产品的质量影响很大，主要是对纯碱含铁量的影响。纯碱含铁量是纯碱内在质量的一个重要指标，无论是工业纯碱和食用纯碱对铁含量都有严格的要求。在碳化过程中，由于氨盐水对碳化塔的腐蚀和冲刷，往往会导致制碱液中含有较高的 Fe3+，尤其是在下段或中段气含有较高的 O2时，更容易造成出碱液含铁量升高。制碱过程氨盐水对碳化塔的腐蚀和冲刷是必然的，这是制碱液的物化性质所决定的，因此在碳化塔的设计和制造中，
18、需要考虑耐腐蚀、耐冲刷的问题。例如，采用耐腐蚀和耐冲刷的材质、减少制碱液与塔板的接触面积以及工艺条件的改进等等。而对于材质的改进和塔型的改进都是碳化塔结构问题。改变碳化塔材质的技术改进，目前主要是采用在铸铁中加入适量的稀有金属，以改变铸铁的硬度、耐腐蚀性和耐冲刷性，如加入适量的镍、铬、钛等。而加入的量是一个关键技术点，加入太多或太少都不会达到理想的效果。另外，加入适量的稀有金属后对铸造增加了较大的难度，甚至会影响铸造的成品率。因此就铸造加工而言，更需要塔板的结构简单而易于铸造加工，如筛板塔板与菌帽塔板，如果采用合金铸铁，筛板塔板更容易铸造及加工。减少碳化塔内气液接触面积也是减少碳化液对塔器腐蚀
19、的措施之一，由于碳化液 pH 值呈碱性，尤其是在碳化度较低时，对塔器的腐蚀是较重的，特别是在大量 CO2气体的强力搅动下，冲刷腐蚀加剧了碳化塔的腐蚀，传统的菌帽碳化塔的菌帽在运行几年后，甚至会出现整个菌帽全部冲刷腐蚀脱落，这不仅造成传质效率的降低，而且还造成了碳化液含铁量升高。如何能够减少碳化塔内的气液接触面积，一个有效的方法就是减少塔板数量。2.5m 菌帽碳化塔水箱以上部分的吸收段塔板数量是 X 块，而且是 1 块塔板附带 1 个菌帽，在碳化作业中，塔板和菌帽都是浸润在碳化液中。而同样直径的筛板碳化塔，吸收段的筛板是 11 块，而且只有筛板，其气液接触面积只相当于菌帽塔的 1/4。在正常作业
20、过程中，由于筛板塔的筛孔处被高速喷射的气体所包围，形成一个与液体隔绝的气相区，在这种状况下，筛孔部位只是接触 CO2气体，而非碳化液，因此没有液体的冲刷腐蚀。实践证明，在同一个碳化塔内到大修期时，塔板的腐蚀状况大不一样。筛板塔塔板耐冲刷腐蚀能力远大于菌帽塔板。图 1、图 2(略)中塔板是 1992 年投用的同一个筛板碳化塔中的菌帽和筛板。从图 1、图 2 也可比较出普通铸铁塔板与合金铸铁塔板的耐腐蚀效果。因此在碳化塔选型时，要重视碳化塔的材质和内部塔板结构问题，以减少对产品质量的影响。7 碳化塔冷却强度问题碳化塔冷却是碳化塔操作非常关键的问题。由于碳化反应是一个放热反应，通过必要的反应过程的冷
21、却，有利于碳化反应的进行，有利于结晶质量的提高。但是如果碳化冷却强度不能很好地控制，或者说碳化塔的冷却位置设置不合理，会导致碳化反应负面效果，如结晶质量很差、碳化塔结疤、作业周期缩短、结疤导致碳化转化率降低、生产能力下降等，因此，碳化塔的冷却多年来一直是制碱工程师不断研究的问题。目前，碳化塔冷却系统的配置大体有两种塔型，一种是所谓的矮水箱，冷却位置下移，冷却段缩短；一种是高水箱，冷却段相对较大，约占整个碳化塔的 1/2。在碳化塔水箱个数的设置上也有 8 个水箱与 10 个水箱不同的结构。在传统的索尔维碳化塔的冷却水箱还设置了上层出水、中层出水和下层出水。在不同的操作环境时，开用不同的出水口，也
22、是为了减少冷却面积、增大高温反应区、增加高温反应停留时间，以求获得较好的结晶质量。在冷却水箱的设置上和冷却强度的分配问题上，制碱工程师都有不同的见解，但是从碳化结晶反应机理上分析，冷却强度最重要的是反应温度梯度的控制。从高温区的吸收反应到冷却强化吸收反应区，应该遵循温度梯度差尽量减小的原则，这有利于吸收反应和结晶反应速度的均衡，避免因反应速度的突变导致发生过饱和度的增大而产生二次晶核的析出。这就是为什么在冷却水箱的最上段水箱的冷却小管数量要低于冷却段中部的小管数量，也就是说从高温区进入冷却段时要减缓冷却强度，使得温度变化尽量不产生大的差异。根据实践经验，碳化塔的冷却强度不应该过于集中，而应该是
23、从开始冷却到冷却结束是一个逐渐增强再逐渐减弱的过程。这个过程应该在碳化吸收反应减弱后就开始，以促进强化吸收反应的进行。越早移出热量就增加了吸收反应的推动力，有利于结晶的生长。而过于晚的冷却会导致因高温区吸收反应的抑制而影响碳化反应的进行，而进入冷却段后产生较快的反应速度，产生过饱和度，这不利于结晶质量的提高。因此在碳化塔选型时，应注意冷却区域占全塔高度的比例，太少的水箱冷却面积通过强化冷却效率以达到最终冷却效果的结构，不是理想的碳化塔。碳化塔冷却小管的材质也是值得关注的问题，这既是投资问题，也是使用寿命问题，更是直接影响碳化工艺指标的问题。近几年碳化冷却小管多采用钛材，尽管投资费用较大，但是从
24、长远效益来看，钛管更有其竞争力。从国内最早期使用的钛冷却管，有已经使用 2 个大修周期的经验，24 年仍在使用的范例。不仅在使用寿命上，更重要的是对碳化工艺指标的改善是非常明显的。碳化冷却小管的冷却效率是一个非常重要的参数，与铸铁冷却小管相比，钛管的传热效率远远大于铸铁管，这不仅达到了强化碳化吸收反应的目的，重要的是冷却介质的温差能够大大提高，减少了与被冷却介质的温差，这有利于塔内碳化反应温度梯度的控制，可有效减缓冷却小管外壁的结疤，延长碳化塔的作业周期。在冷却段的中部，由于传热效率的提高，利于反应的进行，提高碳化转化率，也有利于改善结晶。8 碳化塔的高度对塔压的影响碳化塔的高度决定着碳化塔的
25、压力，从碳化反应机理要求，碳化反应的压力更趋于向高碳化压力的操作条件变化。传统碳化塔受制于 CO2压缩机的影响，碳化塔的高度一般都在 27m 左右，但是经过实践证明，碳化塔操作压力在0.30-0.31MPa 工况时，其碳化各项指标都有较大的提高。周此，随着大型碳化塔应用，碳化塔的高度也相应增高，可高于 30m，而且随着大型螺杆压缩机替代透平压缩机应用于纯碱制造，碳化塔实现高碳化压力操作已经不是技术问题。因此如果条件允许，在碳化塔大修或者更新时，应该考虑提高碳化塔的高度，为改善碳化反应创造更好的条件。增加碳化塔高度的方式可采用增加塔板数或增加板间距的方式，筛板碳化塔更容易实现这种改造。这种改造是非常必要的，尽管需要兼顾碳化塔的编组及碳化塔的并联作业，以及碳化尾气总管位置的影响，但这种改造的必要性带来的是转化率、结晶质量以及生产能力的提高。需要提醒的是碳化塔大修和更新往往容易忽略碳化塔高度的改造。综上所述，碳化塔的选型必须从综合的技术方面进行研究和论证，前面所讨论的问题是笔者在多年的实践所得出的经验，不同的纯碱制造厂的工况不尽相同，因此，应该根据其纯碱生产工况条件参考以上分析结果，并做出相应的选择。碳化塔一经选型定型，将决定一个纯碱制造厂几十年的生产周期以及这个周期中纯碱制造的技术水平和能耗水平。希望本文对中国的纯碱工业发展有所帮助。
