6萬t/a高濃度燒堿三效列管升膜式蒸發裝置運行總結

楊 展，楊金順，朱榮聲

（中國平煤神馬集團開封東大化工有限公司，河南開封475003）

2010 年初，中國平煤神馬集團開封東大化工有限公司上馬了1 套6 萬t/a 高濃度燒堿蒸發裝置，并于當年3 月27 日投產運行。該裝置由成都博有實業有限公司采用阿法拉伐技術設計制造，以32%燒堿為原料，其能力為50%燒堿6 萬t/a。 根據開封東大化工傳統市場需要，又考慮50%燒堿在10 ℃以上即開始結晶，而45%燒堿則在5 ℃左右結晶，更便于貯運，故采用45%燒堿運行。 經運行考核，該裝置符合設計要求，在最大進堿流量為20 m3/h 時，仍能穩定運行。

1 裝置工藝技術特點

該裝置采用三效逆流升膜式蒸發工藝， 其特點是簡單、緊湊、節能，6 萬t/a 蒸發主裝置布置在占地112 m2，高度不到4 m 的2 層框架內。 每噸折百燒堿蒸汽消耗僅為五百余公斤， 較過去的薄膜蒸發器節汽約1.3 t。

該裝置將離子膜電解槽產出的八十多攝氏度的燒堿直接進入三效蒸發， 而非以往的經冷卻進入原料堿貯槽后再泵送到蒸發裝置。

該裝置將一效蒸汽冷凝水和成品堿先與二效進堿換熱，再與三效進堿換熱后，輸送到供汽分廠作為軟水使用。 而二效、三效蒸汽冷凝水則送往化鹽。

將裝置合理安排各效壓力、溫度梯次，而三效是在-0.095 MPa 下運行， 使得各效蒸汽熱量得以充分利用。

為保證裝置穩定運行， 系統采用DCS 集散控制，使各工藝指標控制在設備適當的范圍內。

2 設備技術特點

（1） 為適度降低造價， 選用了國產列管式蒸發器，一效選用鎳十碳鋼材質，二效選用310S+316L，三效選用316L。各效堿的冷卻換熱及三效尾氣冷凝選用了阿法拉伐公司生產的板式換熱器。 真空泵選用了納西姆公司產品。 泵類除二效、三效冷凝水輸送選用阿法拉伐公司所供產品外，均為杭州堿泵廠產品。

（2）選用列管式蒸發器還因其密封點少，從而密封更可靠，檢修的機會更少。 列管壁較板式板厚大，可能更耐用。列管式如發生列管損壞，可采用封堵的方式修復，但會損失部分生產能力，沒有板式方便。

（3）該裝置設備效率高、結構緊湊、用材較省。

3 試車中出現的異常現象及解決措施

（1）泵內異常噪音。 試車初期，幾乎所有泵都出現異常噪音、振動很大，在對泵及泵基礎的所有緊固件重新緊固后仍未能排除。后經仔細辯聽，噪音來自泵內，判斷應為氣蝕噪音。 一般來說，氣蝕往往發生在泵進口為負壓且超過氣蝕余量的情況下， 而該裝置的泵發生噪音多為泵進口為正壓且有時正壓較大的情況下，這不僅讓操作人員難以理解，經驗豐富的調試人員也感到疑惑。 對此現象，可解釋如下。

a.泵是否在規定揚程流量下工作，不能僅僅看出口壓力。 泵的揚程是介質從泵進口到出口間的壓力升高值。對介質為水來說，其以米水柱為單位的進出口壓力差即為揚程；但若介質非水，其進出口壓力均應乘以相對密度，其壓力差也是如此。

b.“氣蝕”是介質在進口條件為負壓且介質產生“氣化”，而進入泵后壓力升高，汽化氣體瞬間消失產生的“水擊”現象。而介質的氣化與沸點有關，介質的沸點又與介質溫度和壓力有關，其壓力越高，沸點也越高。

c.當泵的實際工作揚程較低時，流量大幅增加，進口阻力增大，進口壓力隨之降低，氣蝕趨勢就會增大。

d.當介質溫度較高，如遇壓力降低，沸點隨之降低，一旦接近沸點，即會產生“閃蒸”、氣化，即使泵進口是正壓且有一定值，仍可能發生氣蝕。

解決措施極為簡單，只要調小出口閥門，使泵出口壓力增加，流量減少，使泵的實際工作揚程接近理論揚程即可，當介質溫度較高時，泵的工作揚程應相應高一些。

（2）突然不“吃”蒸汽。即當調小一次蒸汽調節閥時，蒸汽突然為零，而此時調節閥有一定的開度。 此現象發生后，曾懷疑閥門附近有異物堵塞。但經拆檢并無異常。 經觀察，發現與閥門設定有關，當閥門調至有30%開度顯示時，閥實際已經關死，故蒸汽流量突然為零。

（3）調節蒸汽流量及進料流量時，結果與目的相反。類似現象不僅發生在蒸汽流量和進料流量調節，其他參數調整也有此現象。 僅以調節一效蒸汽流量為例。 在生產過程中，為了控制產品燒堿含量，引入一個重要參數，溫度差，即一效蒸發汽液分離器中堿液的溫度（T）與液面上的蒸汽壓力（P）下對應的飽和蒸汽溫度間的差值。 一效蒸汽參數見圖1。

圖1 一效蒸汽有關參數示意圖

溫度差與燒堿含量的近似關系見表1。

表1 溫度差與燒堿含量的關系

各套裝置需自行摸索實際對應關系。 產品堿濃度由化驗室化驗監控，如化驗結果顯示濃度偏低時，操作人員開大一次蒸汽調節閥， 調高蒸發器內蒸汽壓力，從而增大蒸汽與在蒸堿液的溫度差，以提高蒸發強度，蒸掉更多的水。 但此時會出現以下現象，本想提高溫度差值， 實際上， 儀表顯示的溫度差值變小，使之不得不向反方調節，但產品卻更不合格， 又不得不反復調節，無法達到目的。

對此現象的分析是，當調大一次蒸汽閥門后，蒸發器內一次蒸汽壓力提高，蒸發強度增大，而此時二效蒸發并不會立即增加蒸汽流量， 二次蒸汽壓會隨即升高。 其對應的飽和蒸汽溫度也隨之升高。 再看分離器內堿液情況， 因其正常保有30%左右液位，新進入分離器的堿液要和原有堿液混合， 其溫度提升有個過程， 這個進程明顯地慢于二次蒸汽壓力升高的過程。所以，溫度差值不但不增，反而減少。基于此分析，暫且穩定一次蒸汽閥門。使堿液逐步混合置換，其溫度逐步升高，最終溫度差會升高。按此思路，其他類似現象也隨之解決。

（4）一次蒸汽流量劇烈波動。 試車初期，為保證產品質量， 系統進堿量控制為8～10 m3/h。 但是，其“吃”汽量（即一次蒸汽流量）卻劇烈波動，其記錄曲線一會兒達4.0～5.0 t/h,一會兒為零。 觀察發現其周期約半個小時，作了各種嘗試調整，效果卻不理想，經分析可能有以下原因。

a.一次蒸汽調節閥失靈。 因在進料量按需要調整時，蒸汽流量有時為零，在此處，控制的是一效蒸發器進汽汽壓，又如前述，閥門開度為30%左右時，閥實際已經關死，流量會驟然變化，如閥瓣裝配較松時，此情況更為明顯。 但后來發現，即使閥在自行調節中， 開度為30%以上， 蒸汽流量仍大幅波動，顯然，這不是主要原因。

b.一效蒸發器蒸汽側周期性積水。 如蒸發器蒸汽側積水，就會導致換熱變差，曾作過如圖2 的推測。

圖2 一效蒸發器運行情況

蒸汽在蒸發器的管路及蒸發器內部形成一定阻力， 冷凝水管路也有一定阻力， 當蒸發器高度不足時，使冷凝水返回汽水分離器有一定困難，只有當水位有一定高度時才能排出， 從而在一效蒸發器蒸汽側周期性積水。蒸汽在蒸發器中冷凝形成虹吸，導致器內周期性積水， 但蒸發器在蒸汽側頂部及底部各設有不凝氣排口。

c.蒸發器物料側料液液位較低時，蒸發速率較小，形不成升膜，待料液升高一定程度，升膜才形成，很快料液又跟不上，使蒸發呈周期性，從而用汽量周期性變化。 但在調大進料量時，情況并未改善，故此原因未必成立。

d.蒸汽壓力與進料量不匹配。 在試生產中，確實有情況較好的時候， 但在下一個調整過程中設法去模仿上一過程正常時參數，情況并不一定好。雖然進料量與蒸汽壓力應有一定對應關系， 但運行情況反映出這不一定是主要原因。

在做各種嘗試之后，分析問題是否出在前兩效。經調看各效蒸發器分離罐液位記錄， 發現二效液位幾乎恒定，而三效雖然只有5%波動，但與一效的波動周期相同。 設想一下， 三效蒸發分離器直徑為1 200 mm，而一效為600 mm，一效蒸發器列管總截面積與三效分離罐截面積相差數十倍， 三效液位變化對一效液位影響極大。 經調整三效液位， 控制PID 參數使之趨于恒定， 一效蒸發分離器液位波動大幅減少，蒸汽消耗量趨于穩定，系統轉入平穩運行。

只要調整整個系統的進料量，整個系統各參數隨即自動響應與之對應，操作極為方便。

（5）涉蒸汽鎳設備腐蝕嚴重

裝置投入運行不久，送往供汽分廠供鍋爐用水的一效生蒸汽冷凝水干擾了供汽分廠供水的正常分析化驗，懷疑冷凝水有問題，幾天后，在本系統的汽水分離器下部排污時，發現有不少綠色結晶物排出，經分析確定為鎳鹽，因蒸發器鎳列管壁厚僅為1.5 mm， 問題異常嚴重。 聯想起公司其他工段也有鎳換熱器蒸汽側腐蝕，懷疑蒸汽有問題。立即請博友公司提供對蒸汽的要求，答復數據見表2。

表2 蒸汽的參數及指標

加氧給水則總氮含量（TOC）小于200 mg/L。

在不同地點聯樣分析的結構見表3。

查閱“腐蝕數據手冊”及其他資料，蒸汽對鎳并不腐蝕，對于高溫燒堿來說，鎳是公認的理想材料。而現實中的腐蝕很難理解。更難以置信的是，鍋爐爐水的pH 值多為12.0～13.0， 而到本系統一效蒸發器后，冷凝水pH 值為6 多一點，增加了成百上千萬倍的H+。 后經研究分析，蒸汽從鍋爐經外管到本系統，沿途散熱后，冷凝水不斷析出，而蒸汽中的碳酸鈉和碳酸氫鈉隨冷凝水排出，堿度會不斷降低，而碳酸氫鈉在高溫下可能分解為碳酸鈉、二氧化碳和水，二氧化碳溶于水呈弱酸性；而在蒸發器內，大量蒸汽冷凝后，水蒸氣中CO2會富集。 再進一步查閱資料發現，濕的二氧化碳氣體對鎳有明顯的腐蝕作用。

表3 聯樣分析結果

為了驗證上述分析， 從一效蒸發器不凝氣中取樣分析，其中，二氧化碳含量高達85%，從而找到了鎳腐蝕的主因。

由上述分析可知， 二氧化碳最終來源于鍋爐供水，而開封東大化工鍋爐供水水源為地下水，硬度較高，在軟化過程中，鈉離子置換了水中的鈣鎂離子，但總碳并未減少。 為減少蒸汽中二氧化碳對鎳設備的腐蝕，必須減少鍋爐供水中的總碳。 為此，在鍋爐供水軟化后，增加了反滲透裝置，以脫鹽和吹除的方式脫除鍋爐供水中大量的碳酸根和碳酸氫根， 從而提高供汽質量。另外，加大了一效蒸發器不凝氣的排放，從而減少其對鎳設備的腐蝕。

該裝置目前已安全穩定運行近三年， 與國內同類裝置的鎳蒸發器兩三個月即損壞更換， 損失數百萬元相比，大大減少了損失。

4 結論

（1）該裝置經近三年運行，表明其具有裝置簡單、技術可靠、設備緊湊、占地較少、節約能源、自動化程度高等特點。

（2）在各泵運行過程中，必須保證有適當的出口壓力，以避免“汽蝕”振動影響運行甚至損壞。

（3）必須保證各效液位趨于穩定，尤其是三效、二效液位穩定，否則，系統很難正常操作。

（4）須嚴格控制蒸汽中氯根、CO2含量，否則，將對鎳設備造成嚴重腐蝕， 對于供水水源硬度較高的情況，可在軟化后加反滲透裝置脫除鹽類，用時加大一效蒸發不凝氣排放量，以減少蒸汽中CO2含量。