制鈣工序產(chǎn)量波動(dòng)分析與改造措施

侯夢(mèng)迪

(連云港堿業(yè)有限公司，江蘇 連云港 222042)

連云港堿業(yè)有限公司利用壓濾廢液提取氯化鈣，是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)循環(huán)發(fā)展，減輕環(huán)境壓力的重要環(huán)保項(xiàng)目，其產(chǎn)量與壓濾液排放及使用密切相關(guān)。2020年11月應(yīng)壓力容器檢查要求，系統(tǒng)停車大修。開車后制鈣產(chǎn)量?jī)H為原來(lái)的60%左右，蒸汽用量16～19 t/h，消耗上升劇烈，針對(duì)此種情況，不斷查找影響因素，經(jīng)過(guò)多次技改，取得了較好的成效。

1 生產(chǎn)方法及工藝流程

來(lái)自壓濾崗位經(jīng)過(guò)加酸的廢液進(jìn)入制鈣灘曬后，經(jīng)過(guò)清液預(yù)熱器預(yù)熱后，進(jìn)入Ⅰ效蒸發(fā)器蒸發(fā)，澄清液經(jīng)過(guò)一次濃縮后自壓入Ⅱ效蒸發(fā)器，在加熱和真空條件下，進(jìn)行二次蒸發(fā)，制得合格的鈣液入水泥池和澄清桶進(jìn)行澄清，氯化鈣濃度36%～41%。用泵送至鈣液預(yù)熱器，經(jīng)升膜蒸發(fā)器來(lái)的冷凝水預(yù)熱后，進(jìn)入升膜蒸發(fā)器底部，在加熱室內(nèi)鈣液以膜狀上升，經(jīng)蒸汽間接加熱，蒸發(fā)出的氣體與液體同時(shí)入汽液分離器，分離出的氣體直接放空，分離下的液體流入貯槽，在貯槽內(nèi)繼續(xù)加蒸汽間接加熱蒸發(fā)，當(dāng)二水氯化鈣含量達(dá)到68%～72%時(shí)，制成片狀氯化鈣。加熱蒸汽由升膜上部加入，冷凝水和部分蒸汽由下部排至疏水槽，經(jīng)鈣液預(yù)熱器換熱后，冷凝水外排到消音器放空。氯化鈣制片工藝流程如1圖。

圖1 氯化鈣制片工藝流程

2 影響產(chǎn)量與蒸汽消耗高的原因

2020年11月制鈣工序系統(tǒng)停車大修后CaCl2生產(chǎn)各項(xiàng)指標(biāo)如表1。

表1 12月8日～16日制鈣工序工藝指標(biāo)

根據(jù)操作規(guī)程，要求出升膜蒸發(fā)器鈣液溫度在138～155 ℃，對(duì)鈣液預(yù)熱器出料溫度未有控制要求，所以出升膜蒸發(fā)器鈣液溫度符合工藝要求，但鈣液流量小，產(chǎn)量?jī)H完成60%。另外，升膜蒸發(fā)器進(jìn)汽壓力在0.8～1.2 MPa之間波動(dòng)，間隔15～20 s，出消音器蒸汽直排，是能耗高的直接原因。

3 升膜蒸發(fā)器進(jìn)汽壓力波動(dòng)分析

針對(duì)升膜蒸發(fā)器及鈣液預(yù)熱器的部分改造，考慮到鈣液用量偏小，結(jié)合近期更換了鈣液預(yù)熱器進(jìn)口J41H-16DN50蒸汽閥門，檢查了4#疏水槽至鈣液預(yù)熱器管線，查出管線中有閥門纏繞墊。更換了管線及升膜蒸發(fā)器，但效果不明顯。

1)升膜是一端帶分配頭的列管換熱器，φ426×7420圓柱體,加熱管φ38×3.5共 57根，長(zhǎng)度6 292 mm,換熱面積30 m2，鈣液含氯化鈣36%～41%，NaCl濃度2%左右，常壓下沸點(diǎn)118 ℃，在0.1～0.13 MPa壓力下，沸點(diǎn)122 ℃。升膜蒸發(fā)器蒸汽波動(dòng)周期中位數(shù)18 s，壓力最大1.3 MPa，低限0.8 MPa。查閱《化工基礎(chǔ)》一書，要求升膜蒸發(fā)器液面只占管長(zhǎng)的1/4到1/5，但對(duì)其進(jìn)料溫度未做要求，但在自然循環(huán)管蒸發(fā)器的管內(nèi)沸騰時(shí)有所研究，認(rèn)為單程型升膜蒸發(fā)器管程傳熱情況與與自然循環(huán)管蒸發(fā)器類似，建議縮短預(yù)熱區(qū)以提高傳熱膜系數(shù)。為維持操作的穩(wěn)定性，需要將料液預(yù)熱至沸點(diǎn)后送入升膜蒸發(fā)器。但對(duì)其為何低于沸點(diǎn)就不穩(wěn)定未做詳細(xì)介紹。繼續(xù)查閱相關(guān)資料，提出升膜對(duì)進(jìn)口料液溫度的要求，當(dāng)進(jìn)料溫度低于操作壓力下的沸點(diǎn)時(shí)，則在升膜下部形成一預(yù)熱段，預(yù)熱段與蒸發(fā)段加在一起，蒸發(fā)管的長(zhǎng)度或受廠房限制，則可采用另設(shè)預(yù)熱器將料液加熱接近沸點(diǎn)，后送入蒸發(fā)器。若在沸點(diǎn)或高于沸點(diǎn)進(jìn)料，可能造成料液蒸發(fā)分配不均。

2)進(jìn)汽波動(dòng)的內(nèi)在原因：在升膜式蒸發(fā)器中，料液在二次蒸汽流的拖動(dòng)下以液膜的狀態(tài)沿著管向上流動(dòng)，邊流動(dòng)邊與管外加熱介質(zhì)進(jìn)行熱交換并蒸發(fā)。在高速的二次蒸汽流及真空的作用下在管壁成膜并向上運(yùn)動(dòng)，蒸發(fā)后料液與二次蒸汽從蒸發(fā)器頂部進(jìn)人分離器，實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)后料液與二次蒸汽的分離。進(jìn)人升膜蒸發(fā)器中料液的溫度必須大于或等于蒸發(fā)溫度，否則料液在蒸發(fā)器底部必有一部分受熱用來(lái)加熱料液使其達(dá)到沸點(diǎn)后才能汽化蒸發(fā)，不僅如此，低溫的物料進(jìn)人蒸發(fā)器不能馬上形成液膜，而且在泵及真空的作用下會(huì)以液柱的形式上升，從而降低了蒸發(fā)效果。因此，低于沸點(diǎn)溫度的料液要經(jīng)過(guò)預(yù)加熱到沸點(diǎn)或接近沸點(diǎn)方可進(jìn)入蒸發(fā)器，這樣蒸發(fā)參數(shù)才會(huì)很快達(dá)到要求并穩(wěn)定。升膜式蒸發(fā)器中液膜的形成完全依靠二次蒸汽及真空的推動(dòng)，二次蒸汽在加熱管內(nèi)的速度不低于10 m/s,—般為20～50 m/s。加熱蒸汽壓力不穩(wěn)定或不足就會(huì)影響二次蒸汽對(duì)料液的向上拖動(dòng)，也會(huì)影響液膜的形成。反觀制鈣工序升膜蒸發(fā)器進(jìn)汽壓力波動(dòng)，由于鈣液溫度僅僅108～110 ℃，低于沸點(diǎn)10 ℃左右，需要在升膜式蒸發(fā)器下段形成預(yù)熱段。當(dāng)鈣液加熱到沸點(diǎn)后迅速以液膜的狀態(tài)沿著管壁向上流動(dòng)，與加熱管外壁蒸汽產(chǎn)生熱交換，故蒸汽流量劇烈增加，濃縮的鈣液進(jìn)入氣液分離器，在升膜上端視鏡處可直觀看到出口處鈣液溢流。新鮮鈣液迅速充滿預(yù)熱段，開始加熱。此時(shí)熱交換變小，蒸汽流量逐漸變小，壓力呈上升趨勢(shì)，顯示其周期性變化。升膜式蒸發(fā)器的特點(diǎn)更適合高溫加熱蒸發(fā)，這樣可獲得較高的二次蒸汽的流速，推動(dòng)鈣液以膜狀在升膜加熱管內(nèi)上升。

3)升膜蒸發(fā)器進(jìn)汽壓力與4#疏水槽的相對(duì)波動(dòng)，造成升膜排水不暢，引起預(yù)熱段波動(dòng)，從而使用汽量大幅度波動(dòng)，從其工藝流程分析：疏水槽由于與用汽量較小的成品貯槽相連，壓力降小，壓力波動(dòng)也較小，與總管壓力比較，基本沒(méi)有變化。而升膜壓力隨著用汽量劇烈變化而降低，生產(chǎn)中壓力從1.3 MPa迅速降低至0.8 MPa，同時(shí)，蒸汽流量從19 t/h降到13 t/h。因?yàn)橥蝗怀霈F(xiàn)的大流量形成了相對(duì)負(fù)壓而將冷凝水滯留在升膜殼程內(nèi)，阻止新鮮鈣液繼續(xù)加熱。當(dāng)升膜管程已經(jīng)預(yù)熱的鈣液蒸發(fā)結(jié)束時(shí)，因以上原因，新鮮鈣液沒(méi)有達(dá)到沸點(diǎn)不能沸騰，無(wú)法以膜狀爆沸上升，蒸汽流量迅速減少。所以在升膜頂部視鏡處觀察不到鈣液溢出，而此時(shí)鈣液泵未停。因蒸汽流量減小，相對(duì)負(fù)壓也迅速減小，此時(shí)滯留冷凝水得以迅速排出進(jìn)入4#疏水槽，鈣液得到迅速及整體的加熱，到沸點(diǎn)時(shí)就幾乎同時(shí)迅速沸騰形成新的大流量，新的一輪波動(dòng)又開始。由于從升膜蒸發(fā)器到4#疏水槽的冷凝水雖然有位差但無(wú)液封，無(wú)法平衡壓力變化，也就必然出現(xiàn)上述現(xiàn)象。由于爆沸無(wú)特定的判斷公式支持，且鈣液溫度低于沸點(diǎn)4～10 ℃發(fā)生爆沸，相關(guān)文獻(xiàn)未見(jiàn)記載，因此只從分析無(wú)法判斷，但升膜蒸發(fā)器進(jìn)汽壓力差及汽液分離器出汽的周期性波動(dòng)，直觀驗(yàn)證了鈣液未能以膜狀連續(xù)上升。

4 生產(chǎn)驗(yàn)證與技術(shù)措施

4.1 生產(chǎn)驗(yàn)證方案

在保持不調(diào)節(jié)進(jìn)升膜蒸汽壓力和流量及其鈣液進(jìn)量的前提下，通過(guò)關(guān)閉成品貯槽蒸汽閥，保持升膜排水通暢。然后調(diào)節(jié)鈣液預(yù)熱器排水閥門，觀察不同鈣液溫度對(duì)升膜流量的影響。通過(guò)觀察，全關(guān)貯槽蒸汽閥門，此時(shí)升膜蒸發(fā)器蒸汽壓力大于4#疏水槽壓力，排水通暢，但蒸汽流量仍然大幅度波動(dòng)，因此升膜排水不通暢引起的流量波動(dòng)不應(yīng)當(dāng)占主要作用。當(dāng)鈣液溫度123 ℃時(shí)，升膜存在爆沸現(xiàn)象，此時(shí)不論升膜是否存在相對(duì)真空，蒸汽流量波動(dòng)范圍變窄，汽液分離器排汽流暢。

4.2 工藝流程改進(jìn)

1)根據(jù)驗(yàn)證及分析，目前出鈣液預(yù)熱器溫度108～111 ℃，未到沸點(diǎn)，是波動(dòng)的主要影響因素。成品氯化鈣流化床用熱空氣除濕，空氣加熱器使用后的蒸汽去5#疏水槽，將其去5#疏水槽之前引入部分蒸汽至4#疏水槽，提高鈣液預(yù)熱器蒸汽壓力、流量，達(dá)到提高出鈣液預(yù)熱器鈣液溫度的目的。

2)穩(wěn)定升膜蒸發(fā)器與4#疏水槽蒸汽壓力，根據(jù)《化工基礎(chǔ)》介紹，升膜蒸發(fā)器需要液封，在鈣液預(yù)熱器蒸汽外排管線上，接近消音器之前，加J41H-16DN150閥門控制排水速度，以期形成液封，并充分利用蒸汽冷凝熱，降低蒸汽消耗。

5 效果評(píng)價(jià)

今年4月份以后，制鈣工序不斷實(shí)施技術(shù)改造，經(jīng)過(guò)多次開停車驗(yàn)證，鈣液預(yù)熱器出口溫度118～121 ℃，所以升膜蒸發(fā)器預(yù)熱段縮短，加熱蒸發(fā)段延長(zhǎng)，升膜出口溫度150～165 ℃，日產(chǎn)氯化鈣120 t以上,蒸汽消耗大幅降低，僅11～13 t/h，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。但還有一些新的認(rèn)識(shí)，制鈣產(chǎn)能與其生產(chǎn)的連續(xù)性相關(guān)聯(lián)，因?yàn)殁}液溫度穩(wěn)定，系統(tǒng)熱損失少；夏季環(huán)境溫度高，有利于壓濾廢液的蒸發(fā)，鈣液溫度實(shí)現(xiàn)自然上升，促進(jìn)了制鈣產(chǎn)能提高，能耗降低；加熱管中必須保持適度的料位髙度，否則難以成膜；由于料液在加熱管中的布膜完全靠高速的二次蒸汽流及真空帶動(dòng)下形成，所以其膜不穩(wěn)定，進(jìn)人分離器時(shí)在二次蒸汽與料液分離過(guò)程中更容易產(chǎn)生二次蒸汽中霧沫的夾帶，即分離不徹底而造成跑料。仍然有許多不足，待逐步改進(jìn)。