自動洗效技術在無水亞硫酸鈉生產中的應用

郭勝旭，宋 瑩，楊文閣，葉新軍，高澤磊

（金川集團股份有限公司，甘肅金昌737100）

亞硫酸鈉是一種重要的工業原料，廣泛應用于建筑、造紙、水處理、印染、化工等多種行業，用作減水劑、還原劑、脫氧劑及穩定劑等。金川集團股份有限公司（以下簡稱金川集團）現有產能150 kt/a亞硫酸鈉系統，利用金川集團火法冶煉系統產生的低濃度SO2煙氣為原料，通過碳酸鈉吸收生產無水亞硫酸鈉固體產品，既解決了二氧化硫污染環境的問題，又給企業帶來了一定的經濟收益[1]。

在生產無水亞硫酸鈉的蒸發工序，由于無機鹽不斷結晶析出在蒸發器器壁結垢，導致蒸發效率降低，蒸汽消耗增加，且傳統的蒸發器洗效技術操作繁瑣，又無法保證生產系統的連續運行。針對該問題，筆者提出了蒸發器自動洗效技術，利用蒸發過程中產生的二次蒸汽冷凝液對蒸發設備完成自動洗效，在保證生產系統正常運行的同時又降低了勞動負荷，在生產實踐中取得了良好效果。

1 無水亞硫酸鈉生產工藝流程

無水亞硫酸鈉生產工藝流程見圖1。

圖1 無水亞硫酸鈉生產工藝流程

火法冶煉系統產生的低濃度SO2煙氣經過兩級濕法洗滌后，進入吸收塔，與碳酸鈉進行吸收反應，尾氣達標排放。產生的吸收液（NaHSO3）與氫氧化鈉進行中和、除雜，產生合格的中和液（Na2SO3）送往蒸發工序。蒸發工序采用雙效蒸發器對中和液進行蒸發濃縮。濃縮液經過旋液分離器、離心分離機進行固液分離，分離后的飽和亞硫酸鈉溶液作為母液送至蒸發工序回用，固體物料送入干燥系統去除物料中的水分。干燥后物料進入自動包裝系統進行定量包裝、碼垛。

2 蒸發器結垢的原因與影響

2.1 蒸發器結垢原因

在蒸發過程中，亞硫酸鈉溶液從低濃度向高濃度轉變。隨著水分的蒸發，溶液濃度逐漸升高，亞硫酸鈉在溶液中的溶解度達到過飽和狀態，從溶液中析出晶體，與其他雜質一起在蒸發器器壁上形成結垢物。

亞硫酸鈉的溶解度曲線見圖2[1]。

圖2 亞硫酸鈉溶解度曲線

2.2 蒸發器結垢對換熱效果的影響

蒸發器結垢物按組成可分為水溶性垢和不溶性垢。水溶性垢是蒸發飽和溶液時所析出的鹽類結晶，主要成分為Na2SO3和Na2SO4，可用水或未飽和亞硫酸鈉溶液定期清洗。不溶性垢包括含有鈣、鎂、硅等元素的低溶解度鹽類以及有機聚合物等，需要定期停車用酸、堿或機械方法清洗。不論是水溶性垢還是不溶性垢，都要在結垢初期根據具體情況進行清洗。已結垢的加熱管流動阻力增大，造成流速下降，而流速下降又會使管路更容易結垢，如不及時進行管路清洗，則會導致整個管路被積垢堵塞，此時再進行清洗就非常困難了。

蒸發器器壁上附著的結垢物若不能得到有效去除，將會增加設備的熱阻，降低換熱效率。同時，還會阻礙反應物料的順利流動，因此蒸發器結垢物的去除是影響系統穩定運行的重要因素。

2.3 蒸發器熱阻分析

蒸發器的傳熱熱阻可按下式計算[2]：

式中：K——傳熱系數，W/(m2·K)；

α0——管外側流體給熱系數，W/(m2·K)；

δ——管壁厚度，m；

λ——管壁材料熱導率，W/(m2·K)；

Ri——管內壁垢層熱阻，m2·K/kW；

αi——管內側流體給熱系數，W/(m2·K)。

管外蒸汽冷凝的熱阻1/α0一般很小，但需注意及時排除加熱室中的不凝性氣體，否則不凝性氣體在加熱室內不斷積累將使此項熱阻明顯增加。加熱管壁的熱阻δ/λ一般可以忽略，管內壁液體一側的垢層熱阻Ri取決于溶液的性質、垢層的結構及管內液體運動的狀況。

以Na2SO3和Na2SO4為主要成分的結垢物黏稠度較高，附著在蒸發器器壁及蒸發器內加熱列管管壁上難以清洗，極大地降低了換熱間壁的熱導率。垢層的多孔性是熱導率降低的主要原因之一，即使垢層厚度為1～2 mm也具有較大的熱阻。降低垢層熱阻的方法是定期清理蒸發器內部，通過加快流體流動速度，使得反應結晶產物在生成更堅硬、難以清理的穩定垢層前被清洗除去。

蒸發器傳統洗效工藝是指定時向蒸發工序加入水或沖洗劑進行蒸發器及管路沖洗，以使結垢物溶解，改善蒸發器及管道傳熱狀況和物料通過能力。傳統洗效工藝有助于蒸發過程的穩定進行，但必須嚴格控制加水量，否則過量的洗效水會打亂蒸發工序的正常運行規律，使蒸發工序生產組織紊亂，影響系統產量的同時造成生產系統成本增加。

蒸發器自動洗效技術是利用蒸發過程中產生的二次蒸汽冷凝液對蒸發器完成自動洗滌，在保證生產系統正常運行的同時又降低了勞動負荷，在生產實踐中取得了良好效果。

3 自動洗效技術的應用

3.1 自動洗效技術工藝流程

針對高濃度亞硫酸鈉溶液的特點，并結合氫氧化鈉蒸發系統及其他類似工藝的蒸發洗效技術，金川集團采用以蒸發過程中二次蒸汽冷凝液為洗滌液的逆流自動洗效技術。該技術不僅可以循環利用蒸發過程的二次蒸汽冷凝液，同時也避免了因洗效水過量而影響蒸發系統的正常運行。自動洗效工藝流程見圖3。

圖3 自動洗效工藝流程

來自冷凝液儲罐的二次蒸汽冷凝液管道并入強制循環泵入口，洗效后洗滌液管道自蒸發器出口接支管返回冷凝液儲罐，二次蒸汽冷凝液在洗效過程中可以循環使用。在二次蒸汽冷凝液進強制循環泵入口、閃蒸罐進強制循環泵入口、循環濃縮液進閃蒸罐入口及洗滌液排液出口等處設置自動切斷閥。

由圖2亞硫酸鈉溶解度曲線可知：33.4 ℃時亞硫酸鈉的溶解度達到最高值。二次蒸汽冷凝液在換熱冷凝后統一輸送至二次蒸汽冷凝液儲罐待回用，一般儲罐內二次蒸汽冷凝液溫度控制在35～45 ℃，此時二次蒸汽冷凝液對于亞硫酸鈉的溶解度較高，利于洗效目的的實現。

利用該溫度下的二次蒸汽冷凝液進行洗效，具有以下優點：①利用二次蒸汽冷凝液在強制循環泵增壓后獲得的壓力進行沖洗；②最大量地溶解蒸發析出的結晶鹽；③二次蒸汽冷凝液中ρ(Cl)＜0.5 mg/L，ρ(F)＜0.3 mg/L，氟、氯離子濃度較低，不會對蒸發器產生腐蝕等負面影響。

3.2 自動洗效技術工藝操作

當系統連續生產一段時間后，按以下步驟操作進行洗效：①減小蒸汽供給量后關閉亞硫酸鈉溶液進蒸發工序閥門，使亞硫酸鈉溶液暫時儲存于系統前端的二級中間罐內；②打開二次蒸汽冷凝液進強制循環泵入口閥門(XV01)；③關閉閃蒸罐進強制循環泵入口閥門(XV02)；④關閉循環濃縮液進閃蒸罐閥門(XV03)；⑤打開洗滌液排液閥門(XV04)。

35～45 ℃的二次蒸汽冷凝液進入洗效系統，通過雙效逆流濃縮系統的強制循環泵加壓，對蒸發器管程內壁的附著物強制沖洗，洗滌液返回冷凝液儲罐。通過二次汽冷凝液儲罐進口上的視鏡觀察洗效后洗滌液澄清程度，待洗滌液基本清澈后停止洗效。在合理安排洗效頻次的情況下，可在二級中間罐液位達上限前完成洗效。為防止二級中間罐冒罐，在洗效完成后依次進行以下操作：①打開閃蒸罐進強制循環泵入口閥門(XV02)；②打開濃縮循環酸進閃蒸罐入口閥門(XV03)；③關閉洗滌液排液閥門(XV04)；④關閉二次蒸汽冷凝液進強制循環泵入口閥門(XV01)；⑤恢復蒸汽的正常供給。

在生產系統連續運行時，崗位操作人員每3～4 d 進行一次自動洗效，洗效時長可控制在30 min內，較該技術實施前每天一次洗效大大減少了勞動負荷，同時取得了良好的洗效效果。

4 結論

自動洗效技術應用于無水亞硫酸鈉生產的雙效蒸發工序，具有以下優勢：

1）利用強制循環泵對二次蒸汽冷凝液加壓進行洗效，通過自動閥的切換，可在系統運行狀態下，將循環濃縮主系統迅速切換至洗效系統，操作過程簡單，避免了傳統洗效大量繁復的操作。

2）較高溫度的二次蒸汽冷凝液具有良好的洗滌效果，單次洗效時間不超過30 min，大大節省了洗效時間。

蒸發過程中自動洗效技術的應用實現了無水亞硫酸鈉生產系統長周期的連續穩定運行，在保證了冶煉煙氣達標治理的同時，還產生了可觀的經濟效益。