離子膜燒堿淡鹽水回收利用技術(shù)

氯堿工業(yè)作為生產(chǎn)燒堿、氯氣和氫氣的基礎(chǔ)化學(xué)工業(yè)，發(fā)展至今已有100 多年的歷史，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于棉紡、化纖、醫(yī)藥、造紙、印染、冶煉和食品等工業(yè)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位。燒堿制造的生產(chǎn)技術(shù)大致經(jīng)歷了苛化法、水銀電解法、隔膜電解法和離子膜電解法等四種技術(shù)歷程。其中，苛化法的生產(chǎn)所需原材料為純堿，價(jià)格昂貴，供應(yīng)緊張，目前國(guó)內(nèi)已基本淘汰。水銀法由于環(huán)保問(wèn)題國(guó)內(nèi)也完全淘汰，歐洲等國(guó)尚有部分裝置在運(yùn)行。目前，國(guó)內(nèi)燒堿企業(yè)大多采用隔膜法和離子膜法。隔膜法亦存在能耗高，燒堿質(zhì)量差，石棉絨環(huán)保處理難等缺點(diǎn)，此類方法的應(yīng)用大幅度萎縮。離子膜電解制堿是20 世紀(jì)70 年代中期出現(xiàn)的具有劃時(shí)代意義的電解制堿技術(shù)，已被世界公認(rèn)為技術(shù)最先進(jìn)和經(jīng)濟(jì)上最合理的氫氧化鈉生產(chǎn)方法。與傳統(tǒng)的隔膜法制堿法相比，離子膜電解制堿具有能耗低、出槽液堿純度高、氯氣純度高、氫氣純度高、安全系數(shù)高、生產(chǎn)工藝環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，離子膜具有較穩(wěn)定的化學(xué)性能，幾乎無(wú)污染和毒害。

離子膜制堿法在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)副產(chǎn)大量的淡鹽水，其中NaCl 的質(zhì)量濃度達(dá)到200 g /L 左右。由于氯堿行業(yè)是資源和資本密集型的基礎(chǔ)原材料產(chǎn)業(yè)，隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力度的加大，原材料價(jià)格上升，因此提高資源利用率、降低生產(chǎn)成本是提高氯堿企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵措施。顯而易見(jiàn)，對(duì)淡鹽水進(jìn)行回收利用，具有重大的意義。

1 淡鹽水的產(chǎn)生及特征

淡鹽水是鹽水電解后的產(chǎn)物，由于淡鹽水中NaCl 濃度較低，電解效率低，電耗升高，而且電解出的產(chǎn)品濃度低，嚴(yán)重?fù)p害離子膜。因此，在離子膜法制堿工藝中，淡鹽水必須定期外排。如果對(duì)于氯堿行業(yè)淡鹽水不進(jìn)行回收處理，將造成資源的浪費(fèi)和環(huán)境的污染。

離子膜淡鹽水具有以下幾個(gè)特征:

(1) 溫度較高，脫氯淡鹽水約75 ℃，經(jīng)膜法除硝處理的部分淡鹽水與未處理的淡鹽水混合后約60 ℃;

(2) 氯化鈉濃度在180 ～ 200 g /L 范圍內(nèi)，常壓條件下沸點(diǎn)約為103. 5 ℃;

(3) 較為純凈，Ca2 +、Mg2 + 等雜質(zhì)含量小于4×10-5 mg /L;

(4) 腐蝕性強(qiáng)。

2 淡鹽水的回收利用技術(shù)

對(duì)于離子膜制堿工藝，淡鹽水回收利用是技術(shù)關(guān)鍵。對(duì)淡鹽水的回收利用，就是進(jìn)行濃縮處理，使淡鹽水接近飽和。處理淡鹽水接近飽和主要有兩種方法，一種是去掉水分，另外一種是加鹽。去掉水分的方式有膜過(guò)濾技術(shù)、多效蒸發(fā)技術(shù)以及機(jī)械蒸汽再壓縮(MVR) 技術(shù)。

(1) 膜過(guò)濾。膜過(guò)濾的原理是利用一種只允許水分子通過(guò)的膜，過(guò)濾去掉一部分水，從而得到飽和的氯化鈉溶液。這種方法雖然能耗低，但廣泛應(yīng)用在氯堿行業(yè)之前還有許多技術(shù)難題需要突破，其研究進(jìn)展值得關(guān)注。

(2) 多效蒸發(fā)。這種方法需要以蒸汽為能源，通過(guò)消耗蒸汽來(lái)達(dá)到濃縮的目的，最后一效的二次汽需要用循環(huán)水進(jìn)行冷卻。多效蒸發(fā)已經(jīng)是制鹽行業(yè)普遍采用的一種方法。

多效蒸發(fā)技術(shù)是將幾個(gè)蒸發(fā)器串聯(lián)運(yùn)行的蒸發(fā)操作，使蒸汽熱能得到多次利用，從而提高熱能的利用率，多用于水溶液的處理。在三效蒸發(fā)操作的流程中，第一個(gè)蒸發(fā)器(稱為第一效) 以生蒸汽作為加熱蒸汽，其余兩個(gè)(稱為第二效、第三效)均以其前一效的二次蒸汽作為加熱蒸汽，從而可大幅度減少生蒸汽的用量。每一效的二次蒸汽溫度總是低于其加熱蒸汽，故多效蒸發(fā)時(shí)各效的操作壓力及溶液沸騰溫度沿蒸汽流動(dòng)方向依次降低。依據(jù)二次蒸汽和溶液的流向，多效蒸發(fā)的流程可分為:①并流流程。溶液和二次蒸汽同向依次通過(guò)各效。由于前效壓力高于后效，料液可借壓差流動(dòng)。但末效溶液濃度高而溫度低，溶液粘度大，因此傳熱系數(shù)低。②逆流流程。溶液與二次蒸汽流動(dòng)方向相反。需用泵將溶液送至壓力較高的前一效，各效溶液的濃度和溫度對(duì)粘度的影響大致抵消，各效傳熱條件基本相同。③錯(cuò)流流程。二次蒸汽依次通過(guò)各效，但料液則每效單獨(dú)進(jìn)出，這種流程適用于有晶體析出的料液。

在生蒸汽溫度與末效冷凝器溫度相同(即總溫度差相同)條件下，將單效蒸發(fā)改為多效蒸發(fā)時(shí)，蒸發(fā)器效數(shù)增加，生蒸汽用量減少，但總蒸發(fā)量不僅不增加，反而因溫度差損失增加而有所下降。多效蒸發(fā)節(jié)省能耗，但降低設(shè)備的生產(chǎn)強(qiáng)度，因而增加設(shè)備投資。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)綜合考慮能耗和設(shè)備投資，選定最佳的效數(shù)。燒堿等電解質(zhì)溶液的蒸發(fā)，因其溫度差損失大，通常只采用2 ～ 3 效; 食糖等非電解質(zhì)溶液，溫度差損失小，可用到4 ～ 6 效; 海水淡化所蒸發(fā)的水量大，在采取了各種減少溫度差損失的措施后，可采用20 ～ 30 效。但是，對(duì)于氯堿行業(yè)淡鹽水的蒸發(fā)濃縮上，目前工業(yè)上普遍采用的是3 ～ 5 效，而且蒸發(fā)器效數(shù)越多，投資越大。

(3) MVR技術(shù)。MVR是國(guó)際上一種先進(jìn)的熱泵技術(shù)，將淡鹽水濃縮至飽和，達(dá)到進(jìn)離子膜電解槽的要求。

MVR(mechanical Vapor recompression) 是重新利用蒸發(fā)濃縮過(guò)程產(chǎn)生的二次蒸汽的冷凝潛熱，從而減少蒸發(fā)濃縮過(guò)程對(duì)外界能源需求的一項(xiàng)先進(jìn)節(jié)能技術(shù)。早在20 世紀(jì)60 年代，德國(guó)和法國(guó)已成功的將該技術(shù)用于化工、食品、造紙、醫(yī)藥、海水淡化及污水處理等領(lǐng)域。MVR的工作原理是將低溫位的二次蒸汽經(jīng)蒸汽再壓縮機(jī)壓縮，以提高溫度、壓力和熱焓，然后再進(jìn)入蒸發(fā)器冷凝供熱，以充分利用蒸汽的潛熱。這樣，原來(lái)要排放的廢蒸汽就得到了充分利用，既回收了其潛熱，提高了熱效率，又可回收蒸汽冷凝液。MVR系統(tǒng)除開(kāi)車(chē)啟動(dòng)外，正常運(yùn)行后整個(gè)蒸發(fā)過(guò)程無(wú)需生蒸汽。

由于膜過(guò)濾技術(shù)仍處于開(kāi)發(fā)階段，還未見(jiàn)到相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道，因此在后文的比較中暫不考慮。多效蒸發(fā)、機(jī)械蒸汽再壓縮(MVR) 蒸發(fā)工藝比較見(jiàn)表1 (按配套15 萬(wàn)t /a 離子膜燒堿裝置) 。

3 生產(chǎn)成本比較

假定體積不變，按15 萬(wàn)t /a(8000 h /a) 離子膜燒堿規(guī)模進(jìn)行計(jì)算比較。具體參見(jiàn)http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

(1) 三效蒸發(fā)濃縮技術(shù)

15 萬(wàn)t 氯堿生產(chǎn)線每小時(shí)約需從淡鹽水中蒸發(fā)60 t 水才能滿足工藝要求。

采用三效蒸發(fā)設(shè)備所需的綜合能耗為:按每蒸發(fā)1 t 水約消耗0. 4 t 蒸汽、1 t 煤產(chǎn)生約4 t 蒸汽，按照煤的折標(biāo)系數(shù)為0. 7143 計(jì)算，則年消耗標(biāo)準(zhǔn)煤為:

60×0. 1×0. 7143×8000 = 4. 29 t 標(biāo)煤/h

按照每t 標(biāo)煤的價(jià)格500 元來(lái)計(jì)算，合計(jì)成本為:

4. 29×500 = 2145 元/h

(2) MVR技術(shù)

采用MVR技術(shù)所需的綜合能耗為:按每蒸發(fā)1 t 水約消耗36 度電，按照1 t 煤產(chǎn)生3000 度計(jì)算，則需要能耗為:

60×36 ÷ 3000 = 0. 72 t 標(biāo)煤/h

按照每t 標(biāo)煤的價(jià)格500 元來(lái)計(jì)算，合計(jì)成本為:

0. 72×500 = 360 元/h

通過(guò)比較得出結(jié)論，采用MVR技術(shù)濃縮淡鹽水的成本低于三效蒸發(fā)濃縮技術(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

由于氯堿工業(yè)的發(fā)展仍然是依靠資源的高投入、高消耗來(lái)推動(dòng)，使得我國(guó)資源瓶頸和環(huán)境問(wèn)題日益突出，因此淡鹽水的回收利用是一項(xiàng)具有非常重大意義的舉措。MVR技術(shù)是目前最低成本的淡鹽水濃縮技術(shù)，該技術(shù)的發(fā)展將會(huì)為國(guó)內(nèi)氯堿行業(yè)帶來(lái)一次技術(shù)突破，為各企業(yè)節(jié)約能源，降低成本，增加產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，具有良好的社會(huì)效益。