圓塊孔式石墨換熱器在廢電解液升溫中的應用

李 厚,崔紅紅,楊 卓

(巴彥淖爾紫金有色金屬有限公司,內蒙古 巴彥淖爾 015543)

濕法煉鋅浸出工藝多采用常規(guī)浸出、熱酸高溫浸出和直接浸出,內蒙古某公司濕法煉鋅系統采用熱酸高溫浸出工藝,該工藝用于浸出的主要反應介質廢電解液,由于廢電解液腐蝕性強、易結晶,如何選用高效、耐用、維護方便的換熱器是熱酸高溫浸出工藝各相關企業(yè)面臨的難題。

截止目前,該公司在廢電解換熱器選型方面,有螺旋板式換熱器、板式換熱器、圓塊孔式石墨換熱器,使用過程中積累了不少經驗。本文初步總結了三種換熱器在熱酸高溫浸出工藝中對廢電解液加熱升溫生產實踐中應注意的問題,最終選擇圓塊孔式石墨換熱器的原因,以及在日常結晶清理和日常維護中注意的問題。

1 廢電解液成分及工藝條件

廢電解液,含固量15%,H2SO4:150～180 g/L,Zn2+:50～60 g/L,Mn:7～11 g/L,Ca:0.8～1.2 g/L,Mg:20～30 g/L,Cl-:200～500 mg/L,F-:80 mg/L,比重:1.2～1.5。

加熱蒸汽采用壓力0.6 MPa、溫度160 ℃左右、熱焓值2.59 百萬千焦/t 的飽和蒸汽,加熱廢電解液,由35 ℃左右,加溫至90～95 ℃,流量也較大(100～150 m3/h)。

2 三種換熱器生產使用情況

2.1 螺旋板式換熱器使用情況

螺旋板式換熱器,材質為904L,板厚4 mm。使用時間是2009 年開車至2011 年,螺旋換熱器使用流量約100 m3/h,流量無法達到生產流量,換熱溫度大約可換熱20～30 ℃,使用過程中結晶速度快,使用清理周期最長時間一個月,清理結晶困難,無法徹底清理干凈。廢電解液經濃密機溢流后再經換熱器,結晶堵塞周期延長至1.5 個月,但螺旋板后出現均勻性腐蝕,35 天時板厚由4 mm 減薄至0.8 mm,焊縫處腐蝕破壞嚴重,已經不能再用。

2.2 板式換熱器使用情況

2012 年至2013 年使用板式換熱器,介質流量可達到120 m3/h,換熱溫度約20 ℃,生產流量基本可以達到生產要求,但是換熱效果一般,使用清理周期一個月,清理簡單,結晶能夠全部清理干凈,但是因換熱片大清理過程中會導致換熱片有輕微變形,清理完成后安裝時會出現密封不嚴,清理后使用換熱片中間漏液嚴重,由于介質流量大壓力大,很難解決漏液問題。

2.3 圓塊孔式石墨換熱器使用情況

2014 年到現在使用的圓塊孔式石墨換熱器,介質流量120 m3/h 左右,換熱溫度40 ℃,使用清理周期最長時間3 個月,清理較簡單,結晶能夠清理干凈。

3 圓塊孔式石墨換熱器特點

石墨具有比重小(2.03～2.07)、傳熱良好(導熱系數100～110 km/m·h·℃)、耐腐蝕、密封性好、使用壓力高及結構緊湊特點。

石墨換熱器主要部件由鐵制殼體、上下封頭、若干圓形截面的浸漬石墨塊組成,石墨塊之間用O 型圈密封。在石墨塊上有許多平行于軸線和垂直于軸線的圓孔流道,前者稱為縱向流道,后者稱為橫向流道,其中,橫向流道位于各縱向流道的間隔中間。廢電解液沿軸向流道從下往上流動,而蒸汽沿橫向流道流動。相鄰兩塊換熱塊橫向流動方向相逆。兩種介質利用換熱塊石墨實體進行間壁式換熱。

上下封頭與石墨塊有膠墊及螺桿固定,鐵制外殼與石墨構成部分在頂部用螺桿連接,下部分用石棉盤根密封,避免石墨部分與殼體膨脹系數不同而引起石墨的損壞,冷凝水由下部出水管流出。

3.1 單臺換熱面積100 m2 圓塊孔式石墨換熱器的機構

(1)結構形式:型圓塊式,外殼Q235。

(2)管程:細顆粒酚醛樹脂浸漬石墨,石墨顆粒度:0～0.8 mm,浸漬后體積密度:1.85 g/cm3。

(3)密封形式:(單塊間)高壓膨體四氟帶,法蘭雙道O 型圈密封。

(4) 設計壓力:管程(0.6 MPa);殼程(0.7 MPa),設計溫度:管程(≥95 ℃);殼程(≥220 ℃)。

(5)管口尺寸:殼程蒸汽進口DN150,冷凝水出口DN100,排氣口:DN50,排凈口:DN50;物料進口:連接法蘭DN250(石墨內徑DB200)對接DN150 國標復合鋼襯管道法蘭,物料出口:連接法蘭DN250(石墨內徑DB200)對接DN150 國標復合鋼襯管道法蘭。

3.2 液體介質和蒸汽要求

(1)廢電解液流量150 m3/h,密度1.35 計,單位時間流量202 500 kg/h。

(2)廢電解熱比容:0.8 kcel/kg·℃。

(3)蒸汽溫度:160 ℃,工作壓力≥0.55 MPa。

(4)蒸汽流速:≤25 m/s。

3.3 生產使用情況

生產使用情況如表1 所示。

表1 圓塊孔式換熱器使用情況

由表1 可知,單臺200 m2圓塊孔式石墨換熱器,在廢電解液加熱升溫的生產實踐中,無法滿足生產工藝條件,需要兩臺并聯或串聯。

產生的冷凝水滿足:zn ＜1.5 mg/L,cu ＜0.5 mg/L,cd ＜0.05 mg/L,As ＜0.30 mg/L,Hg ＜0.03 mg/L,Pb ＜0.5 mg/L,F ＜8.0 mg/L,pH:6～9;每天冷凝水產量平均200 m3,可直接用于黃鉀鐵礬渣的水洗。

3.4 石墨換熱器清理及維護

由于廢電解液中鈣、鎂離子含量高,含鈣1 g/L左右,含鎂24 g/L 左右,石墨換熱器在連續(xù)使用32天后,出現結晶堵塞情況,如圖1 所示。

圖1 石墨換熱器連續(xù)使用后的結晶情況

其結晶成分為:Ca9.76%、Mg3.09%、S14.41%、Zn2.62%;從分析組成數據說明其主要是硫酸鈣,由蒸發(fā)結晶及沉淀所引起,結晶質地較硬,不易于機械清理。

原清理時,使用鉆頭清理,清理過程中存在石墨塊拆卸,以及鉆頭等機械對石墨的機械損傷;后對換熱器進行改造,在物料進、出口處安裝三通和閥門,利用檸檬酸對鈣、鎂結晶的溶解性,石墨換熱器在使用半個月左右時,關閉物料進口閥門,打開旁通閥門,配比1∶20 的檸檬酸液體,利用泵打循環(huán),每次循環(huán)4～6 小時,很好地解決了石墨換熱器解決問題。

3.5 穩(wěn)定操作,防止石墨換熱器應急冷急熱

開啟時要先通液體后,慢慢開蒸汽,當停止時應先關閉蒸汽、后停液。嚴格禁止不通液持續(xù)開蒸汽的現象,以免過飽和蒸汽在石墨換熱器中形成過高溫度和壓力,而損壞換熱塊。

4 圓塊孔式石墨換熱器在生產中存在的問題及相應解決方法

4.1 圓塊孔式石墨換熱器在生產運行中存在的問題

在近三年的使用過程中,發(fā)現設備換熱效果未達到設計要求,無法滿足完全加熱廢電解液的效果。檢測發(fā)現廢電解液側物料進口和蒸汽側的壓力均比設計值小,存在較大的差距,導致換熱器換熱量不足。廢電解液流量小,廢電解液通道內的流體流速較低,鈣鎂結晶速度快,無法通過設備的自身運行予以清除。

4.2 圓塊孔式換熱器在生產運行中存在的問題原因分析及相應解決辦法

經分析,設備結晶堵塞和運行周期短的幾種原因:

(1)廢電解液中陽極泥等雜物在換熱器液體流通管道內沉淀堵塞,換熱器的廢電解液側帶入了大量的懸浮的陽極泥、絕緣塊等雜物。在大開頂端壓蓋后,發(fā)現廢酸側通道有大量的塊狀陽極泥沉淀和絕緣塊,嚴重堵塞了通道,大大降低了換熱器換熱效率。

(2)換熱器廢電解液側溫度偏低。實際生產過程中,冬季廢電解液側進口溫度在20～25 ℃,與原設計溫度存在偏差。需增加換熱器的換熱量,導致換熱器蒸汽側流量增加,蒸汽流速增大,高溫蒸汽對換熱器密封處沖刷破壞增大。

(3)結晶堵塞后拆卸清理過程中,石墨塊磕碰,鉆頭等機械損壞,以及過多頻次的拆卸和組裝,石墨塊之間密封不徹底。

(4)廢電解液在換熱器內整體流速低,無法靠自身流速沖洗結晶,造成鈣鎂在升溫過程中蒸發(fā)結晶速度加快。

上述問題在近三年的實際生產過程中均有發(fā)生,造成換熱器無法滿足大負荷生產需求,工藝升溫采用間斷性蒸汽直通加熱的方式,給生產組織和濕法體積控制帶來了困難。表2 總結了設備可能存在的問題和解決方法。

表2 圓塊孔式石墨換熱器使用中存在的問題和相應解決方法

5 結語

相比其他形式換熱器,圓塊孔式石墨換熱器在濕法煉鋅工藝中,具有傳熱效率高、材料耗費少、安裝占地面積小等優(yōu)點。設備在濕法煉鋅廠高溫高酸使用環(huán)境下,經過多年生產實踐和技術改進,適用于腐蝕性高的廢電解液的工藝指標,具有推廣性。