竹漿黑液管式降膜蒸發器結垢解析

牟靜冬 康 健

(赤天化集團紙業股份有限公司,貴州赤水,564707)

竹漿黑液管式降膜蒸發器結垢解析

牟靜冬 康 健

(赤天化集團紙業股份有限公司,貴州赤水,564707)

介紹了竹漿黑液蒸發器傳熱面結垢的現象和產生的危害,分析了結垢的主要原因、處理方法和預防措施。

竹漿;黑液;結垢;蒸發器

蒸發器傳熱面結垢會使蒸發站喪失蒸發能力,特別是管式降膜蒸發器一旦管內側結垢,其傳熱系數會明顯降低,加熱管內外溫差逐步上升,生產能力降低,如果不及時停機除垢,在很短的時間里就會導致蒸發系統運行崩潰。貴州省赤天化集團紙業股份有限公司 (簡稱赤天化紙業)在投產初期 (竹漿)多次出現上述情況,致使蒸發站不能正常投入運行,全廠停產數日,造成了較大的經濟損失。經過一系列技術攻關,找到了原因,解決了蒸發器結垢及堵管的問題,基本能保證蒸發系統連續穩定地運行,下面對其做一詳細介紹。

1 工藝簡介

赤天化紙業以竹子為原料生產白度 82%以上的成品漿板,采用當今世界最先進的工藝技術,蒸煮流程采用的緊湊蒸煮第二代技術;漂白系統選擇TCF(全無氯漂白)兼 ECF(無元素氯漂白)工藝,代表了世界紙漿漂白工藝的發展和流行方向,設計日產漂白漿板 750 t,年產漂白漿板 25萬 t;紙漿耗水量將低于國內標準的 50%;設計的產品白度可達 88%,比目前市場上漂白化學竹漿高 3～4個百分點。

竹子在備料車間經過切片、篩選、洗滌后形成規格基本一致的竹片經棧橋傳送到制漿車間。經過連續蒸煮后的粗漿又經過熱水 (來自蒸發系統)洗滌、篩選、脫水工序變成了細漿,細漿在漂白工段化學藥劑 (螯合劑和 H2O2)的作用下達到 85%的白度最后送到漿板車間形成產品。堿回收蒸發系統的黑液提取于制漿的漂白工段。

送蒸發工段稀黑液質量指標:溫度 90℃,濃度16.5%,殘堿 6～12 g/L。

2 堿回收概況

蒸發站:從 HPD公司引進的九體六效管式降膜蒸發站 (帶鈍化系統及壓力貯存裝置);總加熱面積23000 m2;蒸發水量 370 t/h;出站黑液濃度 70%(不含堿灰和補充芒硝)。

堿爐:日處理黑液固形物 1500(絕干)(不含堿灰和補充芒硝);額定蒸發能力 220 t/h;額定蒸汽壓力 6.8 MPa;額定蒸汽溫度 480℃。

苛化工段:普通石灰窯Φ3.6 m×106 m,石灰產量230 t/d。

圖1 蒸發工段工藝流程簡圖

表1 蒸發系統各效體運行參數

3 蒸發工段流程簡圖

圖1為蒸發工段流程簡圖。從圖1可看出,16.5%的稀黑液經過兩段閃蒸罐 (1#、2#),釋放出的蒸汽進入Ⅴ效和Ⅵ效用于加熱黑液。從 2#閃蒸罐出來的黑液進入Ⅵ效提濃。黑液再依次通過Ⅴ效、Ⅳ效、Ⅲ效提濃后,進入鈍化處理系統,再經過Ⅱ效、Ⅰ效提濃后,合格的濃黑液送入壓力儲槽。

其中Ⅰ效由 4個效體組成,正常生產中三用一備。Ⅰ效的 3個效體中黑液濃度最低的效體中部分黑液送堿爐混合槽混合堿灰后再回到Ⅰ效低濃體。

4 管式降膜蒸發器

黑液從蒸發器底部低點抽出,用循環泵通過效體中心上升管泵至蒸發器頂部分配元件,黑液經分配元件均勻分配后,通過加熱下降管流至蒸發器底部蒸發室中進行汽液分離,蒸汽通過霧沫分離器進入下一蒸發器作為加熱蒸汽使用,液體通過循環泵或出效泵泵入下一循環,結構簡圖見圖2。

蒸發系統各效體運行參數見表1。管式降膜蒸發器有以下特點:

(1)循環泵及分配元件的設計經過充分考慮,其循環泵打量恒定,以利于蒸發器下降管中黑液連續穩定,從而避免黑液結晶堵管。

(2)效體頂部分配元件設計有助于液體通過頂部管層分布盤均勻地分布到降膜截面的管中,避免效體下降管因黑液分配不均勻堵管。

5 鈍化處理系統

鈍化處理系統是 HPD公司專為制漿原料中含有較多鈣硅元素設計的裝置,可有效地避免蒸發器結垢。

5.1 鈍化裝置作用

(1)降低黑液黏度;

(2)鈍化黑液中的鈣離子、硅離子,將該成分引起的結垢潛在性減至最小;

5.2 鈍化裝置工作原理

圖3為鈍化處理系統簡圖。黑液鈍化工藝是基于鈣鹽、鎂鹽和硅酸鹽的溶解度隨溫度升高而降低的特性而定。在進入臨界蒸發器 (結垢常在此產生)之前,黑液被加熱并沉淀出這些鈣鹽、鎂鹽和硅酸鹽。鈍化后的高溫黑液經過閃蒸降溫,回收了加熱黑液的熱量。加熱過程中黑液中鈣、鎂及硅鹽類會在加熱管上已經形成晶體附著,從而降低換熱器的換熱效率。而鈍化系統原理類似于在制鹽行業中廣泛應用的播種結晶技術,在鈍化槽中,通過加入中壓蒸汽提高黑液溫度至 160℃左右,至少保持 60 min,使鈣的復雜有機化合物降解,鈣離子與黑液中的碳酸混合,沉淀出碳酸鈣、硅酸鈣。

為優化裝置的蒸汽效率,鈍化裝置安裝在Ⅲ效和Ⅱ效之間。如圖3所示,從鈍化系統送出的黑液通過4段閃蒸降溫,使送出黑液基本與Ⅲ效來黑液溫度基本相同,而Ⅲ效來黑液通過 4個換熱器加熱,可有效地節約熱量,降低鈍化系統蒸汽消耗。

圖2 管式降膜蒸發器簡圖

圖3 鈍化系統示意圖

6 蒸發器傳熱面結垢垢類介紹

表2為堿回收各工段非過程元素表。

表2 堿回收各工段非過程元素表(NPES)

(1)黑液垢

黑液垢是黑液在管壁發生局部沉淀,一般是由于溫度過高、濃度過高、以及某些成分的汽化引起 pH值發生變化而產生的。

(2)硫酸鈉垢、氯化鈉垢

硫酸鈉垢多在高溫高濃效加熱管內形成。靠近管壁的呆滯膜溫度最高,而硫酸鈉的溶解度最小,所以容易形成硫酸鈉垢。但是,黑液中硫酸鈉含量高時,由于超過飽和溶解度極限,在其他效體同樣會產生硫酸鈉垢。黑液中的硫酸鈉主要來自于制漿蒸煮的白液,主要由于堿爐芒硝還原率低而補充較多芒硝所致。商品液堿中氯化鈉含量超標產生了氯化鈉垢。

(3)碳酸鈣垢

碳酸鈣垢是當溫度超過 120℃時,碳酸鈣沉析出來,沉淀較嚴重的部位也是高溫、高濃的效體。碳酸鈣垢是蒸發器的主要污垢。由于黑液中含有有機物,使可溶性和不溶性污垢變得復雜。有機物中如木素和羥基酸都含有羥基,能與鈣離子螯合,大大增加了鈣在黑液中的溶解度。按照對碳酸鈣污垢的影響,有機物可分為兩類。第一類是能與鈣離子結合生成復雜的鹽類,它決定于黑液正常 pH值。它的溶解度常隨著溫度的升高而降低。這一類有機物在溫度升高時釋放出鈣離子,形成了碳酸鈣污垢。第二類有機物也能與鈣離子結合,但 pH值沒有明顯變化,它的溶解度不受溫度的影響。因此第二類物質不產生污垢。

因此如黑液中含有第一類有機物和足夠的鈣,就會形成碳酸鈣污垢。

(4)硅酸鈣垢、鈣鎂垢

硅酸鹽垢是一種由不同比例的鈣-鋁-硅酸鹽組成的管垢,呈半透明玻璃狀,硬度較大。硅的主要來源是原料、石灰和芒硝等,主要來自于竹原料中的結合硅 (灰分 3%～5%、硅 1.5%～2.5%)和竹子夾帶的泥沙。鈣鎂垢主要源于高硬度的河水,以及因苛化工藝控制不良,石灰質量差 (MgO含量高)所引起的苛化白液澄清度較低。

(5)焦化垢

黑液在高溫高濃下容易發生焦化或有機物聚合,蒸汽過熱時更為突出。

(6)有機垢 (纖維垢)

纖維本身不能直接堵塞加熱管,但形成其他管垢時,由于管壁不是非常光滑,黑液中纖維過多時,能很快形成纖維垢,甚至堵死加熱管。

7 蒸發裝置運行過程中出現的非正常現象

7.1 Ⅰ效管殼側溫差上升

蒸發系統間斷開車 6個月后,在負荷及主要工藝參數沒有大變化的情況下,發現出濃黑液的濃度在慢慢降低,出濃黑液的流量在慢慢上升,蒸汽壓力有升高跡象,Ⅰ效的 3體蒸發器溫差都在不同上升。嘗試加大蒸汽用量,同時反復切換程序,效體溫差仍在上升,出效濃黑液濃度下降。

7.2 Ⅱ效管殼側溫差上升

在蒸發裝置負荷及主要工藝參數沒有太大變化的情況下,Ⅱ效溫差由平時的 5℃左右逐步上升,兩三天內就達到 15℃以上。同時Ⅱ效殼側壓力也逐步上升,Ⅰ效出濃黑液的濃度下降,Ⅱ效循環泵電流下降,Ⅱ效殼側的壓力和Ⅲ效的壓差達 80 kPa。Ⅰ效運行體蒸發器黑液溫度比正常值高 15℃左右,黑液濃度降至 60%并有持續下降的趨勢。

8 蒸發裝置效體溫差高的原因

蒸發裝置停運后對所有蒸發效體檢查發現,Ⅰ效各體熱管有不同程度堵塞,換熱管管壁結垢明顯。Ⅱ效換熱管有 70%堵塞。Ⅲ效、Ⅳ效、Ⅴ效、Ⅵ效蒸發器未發現結垢及堵管現象。通過對Ⅰ效垢樣進行分析,垢樣的主要成分見表3。Ⅱ效堵管基本由黑液、硫酸鹽垢及碳酸鹽垢組成。

表3 垢樣的主要成分 %

9 結垢處理

對堵塞管道進行機械清洗后,再進行酸洗。重新投用蒸發裝置后系統運行穩定。

1 0 防止結垢措施

10.1 改變蒸發Ⅰ效原有的切換程序

技術人員對該裝置工藝及操作仔細分析后,決定將Ⅰ效原設計的 12個切換程序更改為 4個程序間的切換,以保證每次切效后將高濃效體切除清洗,將清洗干凈的效體作為低濃體使用。該操作縮短了Ⅰ效中的各效體運行時間。每隔 4 h就將過高濃黑液的效體切除洗滌。

10.2 優化洗效操作

(1)蒸發裝置運行中嚴禁關停循環泵,洗效時可使用稀黑液對需洗效體進行置換,可有效地避免固狀黑液附著在換熱管上,以減小換熱器結垢機率。

(2)洗效時盡可能使用蒸發裝置將黑液中的中污或輕污冷凝液蒸出,因冷凝水中含的雜質和鈣、鎂離子較少,對效體造成的結垢可能性就降低。

10.3 穩定進效濃度

進效黑液的濃度不穩定或者偏低就導致黑液在效體中起泡和跑黑水很嚴重,黑液在蒸發室中起泡,經過真空負壓的抽吸進入蒸發器的霧沫分離器,大量的泡沫增加了霧沫分離器的負荷,運行久了就造成霧沫分離器的堵塞。有了堵塞現象蒸發室里的二次蒸汽就不能順利通過,從而影響蒸發效率,還會造成了各效

10.7 避免蒸發器低液位操作及定期對蒸發效體液位計進行檢查,保其運行穩定可靠

體殼側的壓差逐漸增大。

10.4 盡可能保證鈍化系統的正常運行

實踐證明鈍化系統在本裝置運行過程中起了巨大的作用,操作時應盡量保證鈍化系統和蒸發裝置同時投用。

10.5 控制好進蒸發裝置的低壓蒸汽溫度,避免蒸汽超溫

10.6 避免堿灰的大量累積

(1)現代化漿廠為保證出蒸發黑液濃度,已普遍使用結晶蒸發。操作過程中應盡量避免蒸發至堿爐混合堿灰黑液量的大幅度波動。

(2)蒸發與堿爐負荷應盡量保持基本相同,以保證堿灰與黑液比例不出現大幅度失衡,避免造成蒸發裝置結垢。

(3)蒸發裝置生產高濃度黑液時,應盡量在堿爐穩定運行下進行,實踐證明可有效避免效體溫差上升。

(4)蒸發停運,堿爐單獨運行時應考慮堿灰的規避,以防止蒸發器堵管。

10.8 增加制漿車間來黑液中纖維的過濾

10.9 優化堿爐操作,提高堿爐芒硝還原率

1 1 結 語

蒸發器結垢現象產生的危害性較大,造成結垢的原因很多,處理不當將會導致制漿廠停產。必須在纖維原料、凈化、制漿系統、稀黑液質量及生產流程調整和操作上嚴格控制才能使蒸發系統高效平穩地運行。赤天化紙業在優化蒸發運行上調整得當,蒸發裝置連續運行最長記錄已達 100天。

Scaling Solutions for Bamboo Pulping Black L iquor Evaporators

MOU Jing-dong＊KANG Jian
(Chitianhua Group Paper Industry Co.,Ltd.,Chishui,Guizhou Province,564707)

The harm of scaling appeared in evaporators of bamboo pulping black liquorwas introduced.The main reasons and solutionswere discussed.

bamboo pulp;black liquor;scaling;evaporator

X793

A

0254-508X(2010)10-0046-04

牟靜冬先生,技術員;主要從事技術開發和管理工作。

(＊E-mail:mjd_11@163.com)

2010-07-05(修改稿)

(責任編輯:常 青)