重灰液相水合結晶器檢修改造研究

王 將，趙媛媛，胡東嶺，張世軍，邢 宇，李亞斌

(天津渤化永利化工股份有限公司 天津 300457)

1 研究背景

要得到主含量高、鹽分低、粒度和堆積密度較好的重灰，必須對水合反應原理進行深入細致研究，而影響結晶的關鍵因素是水合反應控制，如輕灰質量、母液上進液量、母液鹽分、結晶固液比控制[1-2]，但在上述指標穩定情況下，水合反應仍然不佳。2017年10月至2018年至4月，天津渤化永利化工股份有限公司重灰工序水合結晶器出現反應溫度過高，使用周期較短，產品結晶粒度偏細，母液系統帶料嚴重，母液管線和母換器容易堵塞，閥門結疤嚴重等問題，嚴重時造成該工序停工，影響了重灰生產。

2 水合結晶器改造研究

為了解決上述問題，對水合結晶器構造進行深入研究。公司水合結晶器為自主知識產權設計制造結晶器[3]，設計生產能力600t/d，其規格為 3200mm×9800mm，容積 52m3。如圖1所示，結晶器分兩層，隔板下料口聯接上下層。結晶器攪拌采用螺旋漿式攪拌，設有外壁冷卻夾套及內盤管降溫換熱裝置，進堿的位置在母液進口側。

自建設開工以來，水合結晶器已使用 8年多，之前未進行過系統性大修。從 2017年底開始，結晶器故障頻繁，水合反應效果不佳。為保證水合結晶器正常生產，采取大修改造措施。

圖1 重灰水合結晶器Fig.1 Liquid-phase hydrated dense soda ash crystallizer

2.1 結晶器盤管改造

鑒于結晶器內反應溫度相對偏高，檢查內盤管、外夾套結構和換熱情況。發現下盤管設計走向存在“走近路”現象，如圖1所示，因壓差原因，循環水只走 L1和 L2，下盤管內水并不流通，高溫條件下管內長時間存水造成結垢堵塞，取出結垢物分析為水垢。該流程嚴重制約其換熱能力，因此對盤管走向進行改造。改造前后的前下盤管、后下盤管對比如圖2—圖5所示。研究盤管進水管道結構，分別計算其各部分換熱面積。

圖2 改造前下盤管俯視圖Fig.2 Top view of lower coil before modification

圖3 改造前下盤管剖面圖Fig.3 Sectional view of lower coil before modification

圖4 改造后下盤管俯視圖Fig.4 Top view of lower coil after modification

圖5 改造后下盤管剖面圖Fig.5 Sectional view of lower coil after modification

下盤管最上層有 2根進水管 L1和 L2，規格均為Φ89×4，d0=89mm，D1=1500mm，D2=1800mm，θ=25°。分別計算兩根管長度和面積：

上部兩根盤管面積總和：

進、回水管規格Φ108×4，長度 L3=850mm，共計2根，直徑d4=108mm，其換熱面積：

下盤管規格為Φ57×3.5，d0=50mm，總長度L4=82m，計算換熱面積：

上盤管為逆流換熱，規格為Φ57×3.5，d0=50mm，長度L5=55m，計算換熱面積：

如按照圖1安裝模式，下盤管冷卻循環水因壓差原因而“走近路”(水通過 L1和 L2)，下部盤管成為死水，正常生產時管內存水溫度與母液溫度相當，長期死水，管內結疤嚴重，導致水垢積存堵管。可利用的換熱面積僅為S1+S2+S3=3.272m2。

本次改造去掉 L1和 L2，如圖3所示，循環水經Φ57×3.5，變為自下而上逆流換熱，換熱總面積：

換熱面積增加量：

下盤管換熱面積增加百分比：

11.981m2/3.272m2×100%=366%

綜上可知，改造后換熱面積大幅增加，結晶器反應溫度平均降低 5℃，且每臺結晶器用水量由150m3/h降低至100m3/h以下，每個結晶器節約水量50m3/h，單系統生產可節約水 1200m3/d。按照我公司循環水單價0.4元/m3計算，假設全年開單系統，則年節約循環水 1200×365×0.4=17.52萬元，具有較為可觀的經濟效益。

原有內盤管材質為 304，生產時易發生晶間腐蝕，導致管線內降溫水泄漏到母液系統，造成母液膨脹，不利于母液平衡。本次改造將管道材質更換為316，減緩了管道在高鹽母液中晶間腐蝕，延長設備使用周期。

2.2 更換結晶器攪拌立軸、槳轂、槳葉、底軸

在生產過程中，水合結晶器出現攪拌電流偏大現象。減產檢修時放空清洗結晶器，檢查發現結晶器底軸磨損嚴重(材質 35)；結晶器下部槳葉(材質 17鎳鑄鐵)因母液沖刷，葉片直徑不足設計值的 1/3；下部立軸處槳轂螺栓孔腐蝕嚴重，槳葉因固定不好易發生脫落。對三段式攪拌立軸、槳轂、槳葉、底軸進行重新更換，以保證輕灰攪拌時能充分溶解，避免堿因溶解不充分粘連在盤管和導流筒上，或溶解不均勻出現結晶大粒較多，影響結晶器換熱效率和重灰晶粒成長。

2.3 修復結晶器罐體內壁和外夾套

結晶器外夾套(材質 Q235-B)因使用年限長，上部出現銹蝕現象，在夾套降溫、水壓力過大時易在銹蝕點漏水，影響正常生產和環境衛生。檢修時對換熱裝置內盤管和外夾套進行水壓試驗，發現外夾套上部和罐體(0Cr18Ni10Ti)內壁出現 10處以上“針孔”式泄漏，且罐體出現點蝕現象。最終對夾套上部漏點采取補板滿焊措施，消除了外部漏點；對結晶器罐體點蝕處補焊修復，從而避免了降溫水向內泄漏至母液系統造成母液膨脹，且循環水溫度比母液溫度低，泄漏至系統導致局部急劇降溫，易造成筒壁結疤，縮短作業周期的問題。

2.4 修復結晶器保溫

結晶器外部保溫破損導致筒體熱損失大，如長期降溫易造成母液析出晶體，不利于經濟運行。本次大修對結晶器筒體保溫進行修復，鋪設100mm厚度的石棉板，外部用 0.7mm 鍍鋅板包裹固定，降低了結晶器熱損失，減少了母液析晶量。

3 改造效果及結論

通過上述檢修，結晶器換熱面積增加，攪拌能力提升，母液細晶減少，改造效果如下：

①下盤管去掉多余2根管，使得結晶器下部反應能充分逆流換熱，大幅度降低了晶粒成長區反應溫度，促進了顆粒快速均勻成長，避免反應下移問題，同時節約了降溫水，產生一定經濟效益。

②結晶器大修使母液系統帶料量比之前大幅減少，延緩了管線和閥門沖刷，尤其是球閥內密封墊因沖刷嚴重導致關不嚴的問題得到徹底解決，球閥使用周期由原來的1個月變為1年以上，節約了設備檢修費用，穩定了生產。

③改造后母液中細晶大幅減少，母換器作業周期由原來的15天延長為90天以上，管線和沉淀泵堵塞幾率大幅降低。

④本次改造實現了重灰結晶粒度(細粉回串到成品)穩定在 80以上，堆積密度滿足 1.0以上，重灰細粉長期回收至成品目標，降低了細粉產生量，提高了運行水平。