自動(dòng)洗效技術(shù)在無(wú)水亞硫酸鈉生產(chǎn)中的應(yīng)用

郭勝旭，宋 瑩，楊文閣，葉新軍，高澤磊

（金川集團(tuán)股份有限公司，甘肅金昌737100）

亞硫酸鈉是一種重要的工業(yè)原料，廣泛應(yīng)用于建筑、造紙、水處理、印染、化工等多種行業(yè)，用作減水劑、還原劑、脫氧劑及穩(wěn)定劑等。金川集團(tuán)股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱金川集團(tuán)）現(xiàn)有產(chǎn)能150 kt/a亞硫酸鈉系統(tǒng)，利用金川集團(tuán)火法冶煉系統(tǒng)產(chǎn)生的低濃度SO2煙氣為原料，通過碳酸鈉吸收生產(chǎn)無(wú)水亞硫酸鈉固體產(chǎn)品，既解決了二氧化硫污染環(huán)境的問題，又給企業(yè)帶來(lái)了一定的經(jīng)濟(jì)收益[1]。

在生產(chǎn)無(wú)水亞硫酸鈉的蒸發(fā)工序，由于無(wú)機(jī)鹽不斷結(jié)晶析出在蒸發(fā)器器壁結(jié)垢，導(dǎo)致蒸發(fā)效率降低，蒸汽消耗增加，且傳統(tǒng)的蒸發(fā)器洗效技術(shù)操作繁瑣，又無(wú)法保證生產(chǎn)系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行。針對(duì)該問題，筆者提出了蒸發(fā)器自動(dòng)洗效技術(shù)，利用蒸發(fā)過程中產(chǎn)生的二次蒸汽冷凝液對(duì)蒸發(fā)設(shè)備完成自動(dòng)洗效，在保證生產(chǎn)系統(tǒng)正常運(yùn)行的同時(shí)又降低了勞動(dòng)負(fù)荷，在生產(chǎn)實(shí)踐中取得了良好效果。

1 無(wú)水亞硫酸鈉生產(chǎn)工藝流程

無(wú)水亞硫酸鈉生產(chǎn)工藝流程見圖1。

圖1 無(wú)水亞硫酸鈉生產(chǎn)工藝流程

火法冶煉系統(tǒng)產(chǎn)生的低濃度SO2煙氣經(jīng)過兩級(jí)濕法洗滌后，進(jìn)入吸收塔，與碳酸鈉進(jìn)行吸收反應(yīng)，尾氣達(dá)標(biāo)排放。產(chǎn)生的吸收液（NaHSO3）與氫氧化鈉進(jìn)行中和、除雜，產(chǎn)生合格的中和液（Na2SO3）送往蒸發(fā)工序。蒸發(fā)工序采用雙效蒸發(fā)器對(duì)中和液進(jìn)行蒸發(fā)濃縮。濃縮液經(jīng)過旋液分離器、離心分離機(jī)進(jìn)行固液分離，分離后的飽和亞硫酸鈉溶液作為母液送至蒸發(fā)工序回用，固體物料送入干燥系統(tǒng)去除物料中的水分。干燥后物料進(jìn)入自動(dòng)包裝系統(tǒng)進(jìn)行定量包裝、碼垛。

2 蒸發(fā)器結(jié)垢的原因與影響

2.1 蒸發(fā)器結(jié)垢原因

在蒸發(fā)過程中，亞硫酸鈉溶液從低濃度向高濃度轉(zhuǎn)變。隨著水分的蒸發(fā)，溶液濃度逐漸升高，亞硫酸鈉在溶液中的溶解度達(dá)到過飽和狀態(tài)，從溶液中析出晶體，與其他雜質(zhì)一起在蒸發(fā)器器壁上形成結(jié)垢物。

亞硫酸鈉的溶解度曲線見圖2[1]。

圖2 亞硫酸鈉溶解度曲線

2.2 蒸發(fā)器結(jié)垢對(duì)換熱效果的影響

蒸發(fā)器結(jié)垢物按組成可分為水溶性垢和不溶性垢。水溶性垢是蒸發(fā)飽和溶液時(shí)所析出的鹽類結(jié)晶，主要成分為Na2SO3和Na2SO4，可用水或未飽和亞硫酸鈉溶液定期清洗。不溶性垢包括含有鈣、鎂、硅等元素的低溶解度鹽類以及有機(jī)聚合物等，需要定期停車用酸、堿或機(jī)械方法清洗。不論是水溶性垢還是不溶性垢，都要在結(jié)垢初期根據(jù)具體情況進(jìn)行清洗。已結(jié)垢的加熱管流動(dòng)阻力增大，造成流速下降，而流速下降又會(huì)使管路更容易結(jié)垢，如不及時(shí)進(jìn)行管路清洗，則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)管路被積垢堵塞，此時(shí)再進(jìn)行清洗就非常困難了。

蒸發(fā)器器壁上附著的結(jié)垢物若不能得到有效去除，將會(huì)增加設(shè)備的熱阻，降低換熱效率。同時(shí)，還會(huì)阻礙反應(yīng)物料的順利流動(dòng)，因此蒸發(fā)器結(jié)垢物的去除是影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。

2.3 蒸發(fā)器熱阻分析

蒸發(fā)器的傳熱熱阻可按下式計(jì)算[2]：

式中：K——傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；

α0——管外側(cè)流體給熱系數(shù)，W/(m2·K)；

δ——管壁厚度，m；

λ——管壁材料熱導(dǎo)率，W/(m2·K)；

Ri——管內(nèi)壁垢層熱阻，m2·K/kW；

αi——管內(nèi)側(cè)流體給熱系數(shù)，W/(m2·K)。

管外蒸汽冷凝的熱阻1/α0一般很小，但需注意及時(shí)排除加熱室中的不凝性氣體，否則不凝性氣體在加熱室內(nèi)不斷積累將使此項(xiàng)熱阻明顯增加。加熱管壁的熱阻δ/λ一般可以忽略，管內(nèi)壁液體一側(cè)的垢層熱阻Ri取決于溶液的性質(zhì)、垢層的結(jié)構(gòu)及管內(nèi)液體運(yùn)動(dòng)的狀況。

以Na2SO3和Na2SO4為主要成分的結(jié)垢物黏稠度較高，附著在蒸發(fā)器器壁及蒸發(fā)器內(nèi)加熱列管管壁上難以清洗，極大地降低了換熱間壁的熱導(dǎo)率。垢層的多孔性是熱導(dǎo)率降低的主要原因之一，即使垢層厚度為1～2 mm也具有較大的熱阻。降低垢層熱阻的方法是定期清理蒸發(fā)器內(nèi)部，通過加快流體流動(dòng)速度，使得反應(yīng)結(jié)晶產(chǎn)物在生成更堅(jiān)硬、難以清理的穩(wěn)定垢層前被清洗除去。

蒸發(fā)器傳統(tǒng)洗效工藝是指定時(shí)向蒸發(fā)工序加入水或沖洗劑進(jìn)行蒸發(fā)器及管路沖洗，以使結(jié)垢物溶解，改善蒸發(fā)器及管道傳熱狀況和物料通過能力。傳統(tǒng)洗效工藝有助于蒸發(fā)過程的穩(wěn)定進(jìn)行，但必須嚴(yán)格控制加水量，否則過量的洗效水會(huì)打亂蒸發(fā)工序的正常運(yùn)行規(guī)律，使蒸發(fā)工序生產(chǎn)組織紊亂，影響系統(tǒng)產(chǎn)量的同時(shí)造成生產(chǎn)系統(tǒng)成本增加。

蒸發(fā)器自動(dòng)洗效技術(shù)是利用蒸發(fā)過程中產(chǎn)生的二次蒸汽冷凝液對(duì)蒸發(fā)器完成自動(dòng)洗滌，在保證生產(chǎn)系統(tǒng)正常運(yùn)行的同時(shí)又降低了勞動(dòng)負(fù)荷，在生產(chǎn)實(shí)踐中取得了良好效果。

3 自動(dòng)洗效技術(shù)的應(yīng)用

3.1 自動(dòng)洗效技術(shù)工藝流程

針對(duì)高濃度亞硫酸鈉溶液的特點(diǎn)，并結(jié)合氫氧化鈉蒸發(fā)系統(tǒng)及其他類似工藝的蒸發(fā)洗效技術(shù)，金川集團(tuán)采用以蒸發(fā)過程中二次蒸汽冷凝液為洗滌液的逆流自動(dòng)洗效技術(shù)。該技術(shù)不僅可以循環(huán)利用蒸發(fā)過程的二次蒸汽冷凝液，同時(shí)也避免了因洗效水過量而影響蒸發(fā)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。自動(dòng)洗效工藝流程見圖3。

圖3 自動(dòng)洗效工藝流程

來(lái)自冷凝液儲(chǔ)罐的二次蒸汽冷凝液管道并入強(qiáng)制循環(huán)泵入口，洗效后洗滌液管道自蒸發(fā)器出口接支管返回冷凝液儲(chǔ)罐，二次蒸汽冷凝液在洗效過程中可以循環(huán)使用。在二次蒸汽冷凝液進(jìn)強(qiáng)制循環(huán)泵入口、閃蒸罐進(jìn)強(qiáng)制循環(huán)泵入口、循環(huán)濃縮液進(jìn)閃蒸罐入口及洗滌液排液出口等處設(shè)置自動(dòng)切斷閥。

由圖2亞硫酸鈉溶解度曲線可知：33.4 ℃時(shí)亞硫酸鈉的溶解度達(dá)到最高值。二次蒸汽冷凝液在換熱冷凝后統(tǒng)一輸送至二次蒸汽冷凝液儲(chǔ)罐待回用，一般儲(chǔ)罐內(nèi)二次蒸汽冷凝液溫度控制在35～45 ℃，此時(shí)二次蒸汽冷凝液對(duì)于亞硫酸鈉的溶解度較高，利于洗效目的的實(shí)現(xiàn)。

利用該溫度下的二次蒸汽冷凝液進(jìn)行洗效，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①利用二次蒸汽冷凝液在強(qiáng)制循環(huán)泵增壓后獲得的壓力進(jìn)行沖洗；②最大量地溶解蒸發(fā)析出的結(jié)晶鹽；③二次蒸汽冷凝液中ρ(Cl)＜0.5 mg/L，ρ(F)＜0.3 mg/L，氟、氯離子濃度較低，不會(huì)對(duì)蒸發(fā)器產(chǎn)生腐蝕等負(fù)面影響。

3.2 自動(dòng)洗效技術(shù)工藝操作

當(dāng)系統(tǒng)連續(xù)生產(chǎn)一段時(shí)間后，按以下步驟操作進(jìn)行洗效：①減小蒸汽供給量后關(guān)閉亞硫酸鈉溶液進(jìn)蒸發(fā)工序閥門，使亞硫酸鈉溶液暫時(shí)儲(chǔ)存于系統(tǒng)前端的二級(jí)中間罐內(nèi)；②打開二次蒸汽冷凝液進(jìn)強(qiáng)制循環(huán)泵入口閥門(XV01)；③關(guān)閉閃蒸罐進(jìn)強(qiáng)制循環(huán)泵入口閥門(XV02)；④關(guān)閉循環(huán)濃縮液進(jìn)閃蒸罐閥門(XV03)；⑤打開洗滌液排液閥門(XV04)。

35～45 ℃的二次蒸汽冷凝液進(jìn)入洗效系統(tǒng)，通過雙效逆流濃縮系統(tǒng)的強(qiáng)制循環(huán)泵加壓，對(duì)蒸發(fā)器管程內(nèi)壁的附著物強(qiáng)制沖洗，洗滌液返回冷凝液儲(chǔ)罐。通過二次汽冷凝液儲(chǔ)罐進(jìn)口上的視鏡觀察洗效后洗滌液澄清程度，待洗滌液基本清澈后停止洗效。在合理安排洗效頻次的情況下，可在二級(jí)中間罐液位達(dá)上限前完成洗效。為防止二級(jí)中間罐冒罐，在洗效完成后依次進(jìn)行以下操作：①打開閃蒸罐進(jìn)強(qiáng)制循環(huán)泵入口閥門(XV02)；②打開濃縮循環(huán)酸進(jìn)閃蒸罐入口閥門(XV03)；③關(guān)閉洗滌液排液閥門(XV04)；④關(guān)閉二次蒸汽冷凝液進(jìn)強(qiáng)制循環(huán)泵入口閥門(XV01)；⑤恢復(fù)蒸汽的正常供給。

在生產(chǎn)系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行時(shí)，崗位操作人員每3～4 d 進(jìn)行一次自動(dòng)洗效，洗效時(shí)長(zhǎng)可控制在30 min內(nèi)，較該技術(shù)實(shí)施前每天一次洗效大大減少了勞動(dòng)負(fù)荷，同時(shí)取得了良好的洗效效果。

4 結(jié)論

自動(dòng)洗效技術(shù)應(yīng)用于無(wú)水亞硫酸鈉生產(chǎn)的雙效蒸發(fā)工序，具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）利用強(qiáng)制循環(huán)泵對(duì)二次蒸汽冷凝液加壓進(jìn)行洗效，通過自動(dòng)閥的切換，可在系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下，將循環(huán)濃縮主系統(tǒng)迅速切換至洗效系統(tǒng)，操作過程簡(jiǎn)單，避免了傳統(tǒng)洗效大量繁復(fù)的操作。

2）較高溫度的二次蒸汽冷凝液具有良好的洗滌效果，單次洗效時(shí)間不超過30 min，大大節(jié)省了洗效時(shí)間。

蒸發(fā)過程中自動(dòng)洗效技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了無(wú)水亞硫酸鈉生產(chǎn)系統(tǒng)長(zhǎng)周期的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，在保證了冶煉煙氣達(dá)標(biāo)治理的同時(shí)，還產(chǎn)生了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。