水平管降膜蒸發(fā)器防除垢在線清洗系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)

王占軍 張華蘭 曹志慶 路 明

(1.中國林科院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所,江蘇南京,210042；2.無錫市斯普瑞干燥機(jī)廠,江蘇無錫,214100)

?

·蒸發(fā)器防除垢·

水平管降膜蒸發(fā)器防除垢在線清洗系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)

王占軍1張華蘭1曹志慶1路 明2

(1.中國林科院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所,江蘇南京,210042；2.無錫市斯普瑞干燥機(jī)廠,江蘇無錫,214100)

選用制漿黑液作為試驗(yàn)工質(zhì),對水平管降膜蒸發(fā)器防除垢在線清洗系統(tǒng)進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)。試驗(yàn)結(jié)果表明,在線清洗系統(tǒng)具有明顯的防除垢功效,顯著提高了黑液蒸發(fā)器的蒸發(fā)強(qiáng)度和傳熱系數(shù),可節(jié)能25%以上,減少投資25%以上,并可保持出料濃度的穩(wěn)定性,原因主要是通過PLC控制長管自旋渦流清洗噴嘴對換熱管表面的定時(shí)清洗,始終保持換熱管表面的光潔度,防止換熱管表面垢層的形成和堆積,蒸發(fā)運(yùn)行過程中不再需要各效之間的切換洗滌操作。

水平管降膜蒸發(fā)器；長管自旋渦流清洗噴嘴；防除垢；蒸發(fā)強(qiáng)度；傳熱系數(shù)

水平管降膜蒸發(fā)技術(shù),具有傳熱溫差小、傳熱系數(shù)高、蒸發(fā)強(qiáng)度大、易于清洗、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于海水淡化、化學(xué)工程等領(lǐng)域。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)降膜技術(shù)用于蒸發(fā)器上,對于高固含量溶液的蒸發(fā)濃縮可大大降低換熱面的積垢量[1],但形成和堆積的垢層如不及時(shí)清洗會(huì)造成蒸發(fā)能力降低,產(chǎn)品產(chǎn)量下降。

本課題以制漿黑液為工質(zhì)研究設(shè)計(jì)水平管降膜蒸發(fā)器防除垢在線清洗系統(tǒng)。對制漿黑液主要物化性能的研究表明,其具有灰分(硅)、多糖(戊糖)含量高,黏度大等特點(diǎn)[2-3],在蒸發(fā)濃縮過程中易結(jié)垢,傳熱效能低。原因在于黑液蒸發(fā)濃縮過程中隨著黑液濃度的增加,雜質(zhì)濃度也升高,當(dāng)雜質(zhì)濃度超過其溶解度時(shí),便會(huì)在換熱面上沉積形成積垢,積垢不僅傳熱效能差,且極易黏附在換熱器表面,如果不及時(shí)清除,會(huì)越積越厚,以致垢層變硬無法進(jìn)行常規(guī)清除。為了清除積垢,必須停止蒸發(fā),對蒸發(fā)器進(jìn)行切換洗滌、清垢等操作,因此黑液蒸發(fā)系統(tǒng)也常常設(shè)計(jì)成五體四效或六體五效等,設(shè)計(jì)總有一效備用或處于洗滌狀態(tài),這樣不僅降低了系統(tǒng)的運(yùn)行效率,增加了設(shè)備投資,提高了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,而且產(chǎn)品濃度的穩(wěn)定性也受到影響。為解決這一問題,設(shè)計(jì)人員采用了多種方法防止或減緩積垢的生成,防垢的方法主要有加入阻垢劑法、涂料法、永磁法、電磁法及高頻法；除垢的方法主要是提高蒸發(fā)器洗滌切換的自動(dòng)化程度,增加蒸發(fā)器洗滌切換的頻率。其中防垢方法中阻垢劑需要連續(xù)加入,每次用量難以把握,防垢效果也時(shí)好時(shí)壞,涂料法對涂料工藝要求較高且價(jià)格昂貴,若達(dá)不到工藝要求會(huì)造成涂料脫落,起不到防垢效果,后3種方法成本高或?qū)嵤├щy；除垢方法中備用蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)增加了額外的投資,而且由于切換清洗過程水壓不高往往垢層難以清除干凈,有時(shí)還需必要的人工清洗。

本課題根據(jù)水平管降膜蒸發(fā)器換熱管矩形排列的特點(diǎn)[4],利用研究設(shè)計(jì)出的長管自旋渦流清洗噴嘴,對制漿黑液蒸發(fā)裝置的防除垢進(jìn)行了在線清洗系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)。

圖1 長管自旋渦流清洗噴嘴的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 桿芯結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 長管噴頭結(jié)構(gòu)示意圖

1 長管自旋渦流清洗噴嘴的原理和特點(diǎn)

長管自旋渦流清洗噴嘴的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。桿芯結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。長管噴頭結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

主要特點(diǎn)：①長管噴頭可做得很長, 最大做到3 m,可在其長度范圍內(nèi)根據(jù)換熱管束排列長度確定合適的長度；②長管噴頭上設(shè)有沿長管圓切線方向的噴孔,噴孔大小根據(jù)噴淋量確定,噴孔數(shù)量根據(jù)長管質(zhì)量和自旋速度確定；③長管噴頭上噴孔的布置根據(jù)所清洗管束管間距確定；④桿芯上開孔數(shù)量和大小根據(jù)長管噴頭的噴孔數(shù)量和大小來確定,一般要保證桿芯上開孔均勻,開孔截面積是長管噴頭上噴孔截面積的4倍；⑤桿芯下部開有4個(gè)斜向上65°的孔,4個(gè)斜向上50°的孔,與桿芯上部開孔流出液體在長管噴頭和桿芯之間形成渦流；⑥軸承選用球軸承,使摩擦因數(shù)較?。虎咻S承座采用封閉形式,以免有顆粒狀物體進(jìn)入軸承內(nèi)部。

原理：把長管自旋渦流清洗噴嘴按一定間距排列垂直放入水平換熱管束中,壓力水源從桿芯孔流出后瞬間形成渦流狀態(tài),在長管噴頭噴孔切線射流的反作用力下推動(dòng)長管噴頭旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)清洗的目的,從而實(shí)現(xiàn)管束內(nèi)換熱管表面的清洗,提高換熱器的換熱效率。

2 試驗(yàn)裝置設(shè)備及流程

2.1 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)裝置流程如圖4所示,蒸發(fā)器采用水平管噴淋降膜蒸發(fā)技術(shù),蒸發(fā)器內(nèi)水平換熱管采用電加熱,配有調(diào)溫調(diào)壓器,水平換熱管束中間并排豎直放置3個(gè)長管自旋渦流清洗噴嘴。

水平管降膜蒸發(fā)器防除垢在線清洗系統(tǒng)流程如下：清洗液為原料稀黑液,經(jīng)過濾器過濾后進(jìn)入清洗泵,清洗液經(jīng)清洗泵加壓后進(jìn)入長管自旋渦流清洗噴嘴,當(dāng)長管自旋渦流清洗噴嘴內(nèi)有高壓(0.8～0.9 MPa)清洗液進(jìn)入后,長管自旋渦流清洗噴嘴就會(huì)自動(dòng)快速旋轉(zhuǎn),繼而清洗它周圍的換熱管,每個(gè)長管自旋渦流清洗噴嘴的洗滌時(shí)間及洗滌間隔根據(jù)試驗(yàn)工質(zhì)易結(jié)垢程度來決定,長管自旋渦流清洗噴嘴啟動(dòng)和運(yùn)行分別有F101、F102、F103自控閥和可編程邏輯控制器(PLC)來執(zhí)行,清洗液的壓力由清洗泵來提供,根據(jù)清洗液壓力對清洗泵采用變頻器調(diào)節(jié),變頻器同時(shí)根據(jù)清洗時(shí)間控制清洗泵的運(yùn)行。

水平管噴淋降膜蒸發(fā)濃縮黑液試驗(yàn)流程：試驗(yàn)工質(zhì)從貯槽經(jīng)循環(huán)泵、流量計(jì)進(jìn)入蒸發(fā)器,物料經(jīng)過蒸發(fā)器噴淋裝置形成較規(guī)則的物流后,在換熱管表面形成一層均勻的液膜,該液膜從上至下流經(jīng)各層換熱管,吸收了熱量而逐漸蒸發(fā),未蒸發(fā)的物料返回貯槽由循環(huán)泵不斷進(jìn)行循環(huán)操作,直至達(dá)到要求的濃縮濃度而排出。蒸發(fā)產(chǎn)生的蒸汽在冷凝器中被冷凝,冷凝液經(jīng)過計(jì)量槽收集到冷凝液貯槽。全過程均在真空狀態(tài)下操作,真空系統(tǒng)由真空泵來實(shí)現(xiàn)。

圖4 試驗(yàn)裝置流程圖

圖5 蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)簡圖

2.2 在線定時(shí)防除垢清洗系統(tǒng)的設(shè)置

蒸發(fā)器換熱管采取臥式多層排列,見圖5。蒸發(fā)器換熱管布置在長度2000 mm、寬度1000 mm、高度1000 mm的鋼槽內(nèi),在蒸發(fā)器的上部裝有壓力表,以檢測沸騰過程的壓力變化,及時(shí)調(diào)整冷卻系統(tǒng)的冷卻水量,保證整個(gè)沸騰過程維持一個(gè)恒定的壓力,換熱管設(shè)置6排4列(24根換熱管),長度1800 mm,長管自旋渦流清洗噴嘴設(shè)置在6排管中間一檔,垂直均分放置3個(gè)；控制切斷閥設(shè)置3個(gè),分別是：F101、F102、F103,清洗過程設(shè)置成程序控制,采用可編程邏輯控制器(PLC),在線定時(shí)清洗防除垢系統(tǒng)按鈕啟動(dòng)后程序按以下方式自動(dòng)洗滌：F101開啟洗滌10 s停止,間隔120 s后,F102開啟洗滌10 s停止,間隔120 s后,F103開啟洗滌10 s停止,一個(gè)循環(huán)結(jié)束；間隔180 min后,重新從F101開啟洗滌,依此循環(huán),直至關(guān)停清洗程序。

清洗防除垢系統(tǒng)所用工質(zhì)采用試驗(yàn)工質(zhì)(濃度為9%～10%的稀黑液),以保證清洗過程不增加額外的水進(jìn)入蒸發(fā)系統(tǒng)；同時(shí)通過PLC程序控制清洗時(shí)間以保證清洗用稀黑液量小于試驗(yàn)進(jìn)料稀黑液量的5%,繼而保證清洗過程不影響產(chǎn)品濃黑液的正常排放；清洗用稀黑液必須經(jīng)過60目以上過濾器過濾,以防大顆粒雜質(zhì)堵塞清洗噴嘴。

2.3 試驗(yàn)工質(zhì)

試驗(yàn)工質(zhì)是由福建省尤溪永豐茂紙業(yè)有限公司提供的堿法竹漿黑液，主要金屬元素見表1。

表1 堿法竹漿黑液主要金屬元素組成

固形物含量/%pH值金屬元素/g·L-1硅鈣鎂鉀鈉鋁鐵382.511.3611.227.780.442.511.171.120.45

2.4 試驗(yàn)測試分析方法

試驗(yàn)采用了電加熱的方式,接有調(diào)壓器,熱流量模仿?lián)Q熱管通蒸汽的加熱條件。

試驗(yàn)之所以選用電加熱的方式,是為了獲得相比于蒸汽加熱更為穩(wěn)定、連貫的參數(shù)。因?yàn)檎羝訜釙r(shí)穩(wěn)定的蒸汽膜狀冷凝不可能在整個(gè)管子內(nèi)表面均勻存在,蒸汽冷凝是以任意方式進(jìn)行,蒸汽冷凝不完全成膜狀也不完全是自然的液滴,而且換熱管表面的細(xì)微變化都會(huì)改變蒸汽的冷凝過程[5],因此,蒸汽加熱不可能獲得一個(gè)精確的熱流量,但是用電加熱可以根據(jù)電能的精確測量獲得精確的熱流量值。

由提取送來的濃度為9%～10%的稀黑液,連續(xù)濃縮到濃度為40%～50%的濃黑液。

蒸發(fā)強(qiáng)度由式(1)計(jì)算。

(1)

式中,q為蒸發(fā)器的平均蒸發(fā)強(qiáng)度(kg H2O/m2·h)；W為計(jì)量時(shí)間內(nèi)總的蒸發(fā)水量(kg)；A為參與換熱的換熱管表面積(m2)；Hr為計(jì)量時(shí)間(h)。

傳熱系數(shù)由式(2)計(jì)算。

(2)

式中,K為傳熱系數(shù)(W/(m2·K))；Q為黑液蒸發(fā)加熱消耗的電能(W)；A為換熱管換熱面積(m2)；ΔT為傳熱溫差(K)。

表2 投資和蒸發(fā)效率對比

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 在線定時(shí)清洗防除垢對蒸發(fā)器蒸發(fā)強(qiáng)度和傳熱系數(shù)的影響

積垢的導(dǎo)熱系數(shù)很低,積垢的多少和速率可以從蒸發(fā)器蒸發(fā)強(qiáng)度和總傳熱系數(shù)上體現(xiàn)出來。試驗(yàn)分兩次對比進(jìn)行,各連續(xù)運(yùn)行120 h(因不清洗也不進(jìn)行其他防除垢處理連續(xù)運(yùn)行120 h后,結(jié)垢已經(jīng)很嚴(yán)重,為了有效對比，故將試驗(yàn)周期定為120 h)。第一次運(yùn)行時(shí)不啟動(dòng)在線清洗防除垢系統(tǒng),第二次運(yùn)行時(shí)啟動(dòng)在線清洗防除垢系統(tǒng),兩次的平均蒸發(fā)強(qiáng)度和傳熱系數(shù)如圖6和圖7所示。由圖6和圖7可以看出，啟用在線清洗防除垢系統(tǒng)后平均蒸發(fā)強(qiáng)度和傳熱系數(shù)基本保持穩(wěn)定,而不啟用在線清洗防除垢系統(tǒng)時(shí)結(jié)垢周期明顯較短,40～70 h內(nèi)平均蒸發(fā)強(qiáng)度和傳熱系數(shù)降低得不多,70 h以后積垢快速增加,平均蒸發(fā)強(qiáng)度和傳熱系數(shù)快速降低。

圖6 平均蒸發(fā)強(qiáng)度圖

圖7 平均總傳熱系數(shù)圖

3.2 在線定時(shí)清洗防除垢系統(tǒng)的應(yīng)用對投資和蒸發(fā)效率的影響

以福建尤溪蒸發(fā)水量30 t/h黑液蒸發(fā)站為例,其固含量由9%濃縮到50%時(shí)的投資和蒸發(fā)效率對比列于表2。

由表2可以看出，設(shè)置定時(shí)清洗防除垢系統(tǒng)，蒸汽可節(jié)省26.3%,投資可減少27.3%。

投資減少的主要原因是：①蒸發(fā)面積減少21.4%,蒸發(fā)器本體節(jié)省了大量投資；②由于每效蒸發(fā)面積減少，相應(yīng)循環(huán)泵的功率也減少,5個(gè)循環(huán)泵的價(jià)格也降低,增加一個(gè)清洗泵,其實(shí)泵的總價(jià)還是降低了；③在線洗滌增加了25個(gè)小的自控閥,但取消蒸發(fā)器切換洗滌減少了16個(gè)大的自控閥,自控閥總價(jià)反而減少；④由于每效蒸發(fā)面積的減少，相應(yīng)管線直徑也變小,取消蒸發(fā)器切換洗滌也減少了大量管線,在線洗滌增加的管線直徑很小,總的管線投資降低。

能耗說明：不僅蒸汽節(jié)省26.3%,相應(yīng)電耗也降低,原因是增加在線清洗系統(tǒng)后蒸發(fā)器面積變小了,循環(huán)泵功率也變小,由原來的每個(gè)循環(huán)泵37 kW降到30 kW,5個(gè)循環(huán)泵共降低35 kW,增加的清洗泵功率是18 kW,增加的過濾器功率是1.5 kW, 而且清洗泵每小時(shí)僅運(yùn)行20 min,因此總功率降低。

4 結(jié) 論

4.1 長管自旋渦流清洗噴嘴設(shè)計(jì)獨(dú)特,清洗時(shí)只要有壓力水源就能夠快速啟動(dòng)旋轉(zhuǎn),繼而清洗它周圍的物體,不再需要其他輔助設(shè)備,降低了清洗成本,拓展了噴嘴的使用領(lǐng)域,特別是應(yīng)用在水平管降膜換熱設(shè)備內(nèi)管束的清洗上，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

4.2 使用在線定時(shí)清洗防除垢系統(tǒng)后，蒸發(fā)器結(jié)垢不再明顯,如前述黑液蒸發(fā)器連續(xù)運(yùn)行120 h,其蒸發(fā)強(qiáng)度和換熱系數(shù)基本處于穩(wěn)定狀態(tài),無需再停機(jī)切換洗滌,濃縮濃液產(chǎn)品可連續(xù)穩(wěn)定流出。

4.3 使用在線定時(shí)清洗防除垢系統(tǒng)后無需再設(shè)置備用切換洗滌蒸發(fā)器,降低了勞動(dòng)強(qiáng)度,節(jié)省了投資,投資可節(jié)省25%以上。

4.4 使用在線定時(shí)清洗防除垢系統(tǒng)后無需再設(shè)置備用切換洗滌蒸發(fā)器,所有各效蒸發(fā)器可同時(shí)運(yùn)行,提高了設(shè)備的利用率,可節(jié)省蒸汽25%以上。

4.5 該在線定時(shí)清洗防(除)垢系統(tǒng)采用程序化控制,設(shè)置故障報(bào)警裝置,具有不需專人管理、自動(dòng)化程度高、操作和維修簡單方便、無化學(xué)污染等優(yōu)點(diǎn)。

4.6 長管自旋渦流清洗噴嘴具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),制造成本低,更換簡便。

[1] Smith J B, Hsieh J S. Improvements on falling film black liquor evaporator final technical report(R). US: United States Department of Energy Report, 1999.

[2] Pan Xi-wu. Progress in Chemical Recovery[J]. World Pulp and Paper, 1996(6)： 34. 潘錫五. 制漿黑液堿回收技術(shù)新進(jìn)展[J]. 國際造紙, 1996(6)： 34.

[3] PAN Xi-wu. Envrionmental Protection, Alkli Recovery and Development of China’s Paper Industry[J]. China Pulp & Paper, 1996, 15(4): 48. 潘錫五. 中國造紙工業(yè)的發(fā)展與堿回收和環(huán)境保護(hù)[J]. 中國造紙, 1996, 15(4): 48.

[4] WANG Zhan-jun, PAN Ai-xiang, ZHOU Hao,et al.Application of Five body, Four Effect Horizontal Spraying-film Evaporator in Concentrating Wheat Straw Pulping Black Liquor[J]. China Pulp & Paper, 2004, 23(11)： 25. 王占軍, 盤愛享, 周 浩, 等. 臥式噴淋降膜蒸發(fā)站在麥草黑液蒸發(fā)中的應(yīng)用[J]. 中國造紙, 2004, 23(11)： 25.

[5] Cornwell K, Einarsson J G, Andrews P R. Studies on boiling in tube bundles[J]. Begel House Inc, 1986, 55: 2137. CPP

(責(zé)任編輯：馬 忻)

Study on the Cleaning System for Prevention and Elimination of Scale in Horizontal Tube Falling Film Evaporator

WANG Zhan-jun1,*ZHANG Hua-lan1CAO Zhi-qing1LU Ming2

(1.InstituteofChemicalIndustryofForestProducts,CAF,Nanjing,JiangsuProvince, 210042; 2.WuxiSprayDryingMachineCompany,Wuxi,JiangsuProvince, 214100)(*E-mail: wangzj@icifp.cn)

Using black liquor as working medium, the paper focused on the research and design of the on-line cleaning system for prevention and elimination of scale in horizontal tube falling film evaporator. The result showed that the on-line cleaning system had obvious effect on the prevention and elimination of scale formation, the capacity and heat transfer coefficient of the evaporator were improved. It could save energy more than 25% and reduce investment more than 25%, and maintain the stability of the concentration of the material at outlet. The main reason is that the on-line cleaning system is controlled by PLC and the long tube spining vortex nozzle can regularly clean the surface of heat exchange tube, keeping high cleanliness of the surface of the tube, evaporation operation no longer needs to switch washing operation in the effects．

horizontal tube falling film evaporator; long tube spin vortex nozzle; prevention and elimination of the scale； evaporation capacity; heat transfer coefficient

2016- 07-12(修改稿)

王占軍先生,碩士,高級工程師；主要從事化工設(shè)備研究設(shè)計(jì)、環(huán)境污染治理及廢液資源化利用工藝技術(shù)及設(shè)備的研究開發(fā)、高效節(jié)能蒸發(fā)濃縮裝置的開發(fā)研究。

TS733+.9

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.12.004