制鈣工序產量波動分析與改造措施

侯夢迪

(連云港堿業有限公司，江蘇 連云港 222042)

連云港堿業有限公司利用壓濾廢液提取氯化鈣，是實現經濟循環發展，減輕環境壓力的重要環保項目，其產量與壓濾液排放及使用密切相關。2020年11月應壓力容器檢查要求，系統停車大修。開車后制鈣產量僅為原來的60%左右，蒸汽用量16～19 t/h，消耗上升劇烈，針對此種情況，不斷查找影響因素，經過多次技改，取得了較好的成效。

1 生產方法及工藝流程

來自壓濾崗位經過加酸的廢液進入制鈣灘曬后，經過清液預熱器預熱后，進入Ⅰ效蒸發器蒸發，澄清液經過一次濃縮后自壓入Ⅱ效蒸發器，在加熱和真空條件下，進行二次蒸發，制得合格的鈣液入水泥池和澄清桶進行澄清，氯化鈣濃度36%～41%。用泵送至鈣液預熱器，經升膜蒸發器來的冷凝水預熱后，進入升膜蒸發器底部，在加熱室內鈣液以膜狀上升，經蒸汽間接加熱，蒸發出的氣體與液體同時入汽液分離器，分離出的氣體直接放空，分離下的液體流入貯槽，在貯槽內繼續加蒸汽間接加熱蒸發，當二水氯化鈣含量達到68%～72%時，制成片狀氯化鈣。加熱蒸汽由升膜上部加入，冷凝水和部分蒸汽由下部排至疏水槽，經鈣液預熱器換熱后，冷凝水外排到消音器放空。氯化鈣制片工藝流程如1圖。

圖1 氯化鈣制片工藝流程

2 影響產量與蒸汽消耗高的原因

2020年11月制鈣工序系統停車大修后CaCl2生產各項指標如表1。

表1 12月8日～16日制鈣工序工藝指標

根據操作規程，要求出升膜蒸發器鈣液溫度在138～155 ℃，對鈣液預熱器出料溫度未有控制要求，所以出升膜蒸發器鈣液溫度符合工藝要求，但鈣液流量小，產量僅完成60%。另外，升膜蒸發器進汽壓力在0.8～1.2 MPa之間波動，間隔15～20 s，出消音器蒸汽直排，是能耗高的直接原因。

3 升膜蒸發器進汽壓力波動分析

針對升膜蒸發器及鈣液預熱器的部分改造，考慮到鈣液用量偏小，結合近期更換了鈣液預熱器進口J41H-16DN50蒸汽閥門，檢查了4#疏水槽至鈣液預熱器管線，查出管線中有閥門纏繞墊。更換了管線及升膜蒸發器，但效果不明顯。

1)升膜是一端帶分配頭的列管換熱器，φ426×7420圓柱體,加熱管φ38×3.5共 57根，長度6 292 mm,換熱面積30 m2，鈣液含氯化鈣36%～41%，NaCl濃度2%左右，常壓下沸點118 ℃，在0.1～0.13 MPa壓力下，沸點122 ℃。升膜蒸發器蒸汽波動周期中位數18 s，壓力最大1.3 MPa，低限0.8 MPa。查閱《化工基礎》一書，要求升膜蒸發器液面只占管長的1/4到1/5，但對其進料溫度未做要求，但在自然循環管蒸發器的管內沸騰時有所研究，認為單程型升膜蒸發器管程傳熱情況與與自然循環管蒸發器類似，建議縮短預熱區以提高傳熱膜系數。為維持操作的穩定性，需要將料液預熱至沸點后送入升膜蒸發器。但對其為何低于沸點就不穩定未做詳細介紹。繼續查閱相關資料，提出升膜對進口料液溫度的要求，當進料溫度低于操作壓力下的沸點時，則在升膜下部形成一預熱段，預熱段與蒸發段加在一起，蒸發管的長度或受廠房限制，則可采用另設預熱器將料液加熱接近沸點，后送入蒸發器。若在沸點或高于沸點進料，可能造成料液蒸發分配不均。

2)進汽波動的內在原因：在升膜式蒸發器中，料液在二次蒸汽流的拖動下以液膜的狀態沿著管向上流動，邊流動邊與管外加熱介質進行熱交換并蒸發。在高速的二次蒸汽流及真空的作用下在管壁成膜并向上運動，蒸發后料液與二次蒸汽從蒸發器頂部進人分離器，實現蒸發后料液與二次蒸汽的分離。進人升膜蒸發器中料液的溫度必須大于或等于蒸發溫度，否則料液在蒸發器底部必有一部分受熱用來加熱料液使其達到沸點后才能汽化蒸發，不僅如此，低溫的物料進人蒸發器不能馬上形成液膜，而且在泵及真空的作用下會以液柱的形式上升，從而降低了蒸發效果。因此，低于沸點溫度的料液要經過預加熱到沸點或接近沸點方可進入蒸發器，這樣蒸發參數才會很快達到要求并穩定。升膜式蒸發器中液膜的形成完全依靠二次蒸汽及真空的推動，二次蒸汽在加熱管內的速度不低于10 m/s,—般為20～50 m/s。加熱蒸汽壓力不穩定或不足就會影響二次蒸汽對料液的向上拖動，也會影響液膜的形成。反觀制鈣工序升膜蒸發器進汽壓力波動，由于鈣液溫度僅僅108～110 ℃，低于沸點10 ℃左右，需要在升膜式蒸發器下段形成預熱段。當鈣液加熱到沸點后迅速以液膜的狀態沿著管壁向上流動，與加熱管外壁蒸汽產生熱交換，故蒸汽流量劇烈增加，濃縮的鈣液進入氣液分離器，在升膜上端視鏡處可直觀看到出口處鈣液溢流。新鮮鈣液迅速充滿預熱段，開始加熱。此時熱交換變小，蒸汽流量逐漸變小，壓力呈上升趨勢，顯示其周期性變化。升膜式蒸發器的特點更適合高溫加熱蒸發，這樣可獲得較高的二次蒸汽的流速，推動鈣液以膜狀在升膜加熱管內上升。

3)升膜蒸發器進汽壓力與4#疏水槽的相對波動，造成升膜排水不暢，引起預熱段波動，從而使用汽量大幅度波動，從其工藝流程分析：疏水槽由于與用汽量較小的成品貯槽相連，壓力降小，壓力波動也較小，與總管壓力比較，基本沒有變化。而升膜壓力隨著用汽量劇烈變化而降低，生產中壓力從1.3 MPa迅速降低至0.8 MPa，同時，蒸汽流量從19 t/h降到13 t/h。因為突然出現的大流量形成了相對負壓而將冷凝水滯留在升膜殼程內，阻止新鮮鈣液繼續加熱。當升膜管程已經預熱的鈣液蒸發結束時，因以上原因，新鮮鈣液沒有達到沸點不能沸騰，無法以膜狀爆沸上升，蒸汽流量迅速減少。所以在升膜頂部視鏡處觀察不到鈣液溢出，而此時鈣液泵未停。因蒸汽流量減小，相對負壓也迅速減小，此時滯留冷凝水得以迅速排出進入4#疏水槽，鈣液得到迅速及整體的加熱，到沸點時就幾乎同時迅速沸騰形成新的大流量，新的一輪波動又開始。由于從升膜蒸發器到4#疏水槽的冷凝水雖然有位差但無液封，無法平衡壓力變化，也就必然出現上述現象。由于爆沸無特定的判斷公式支持，且鈣液溫度低于沸點4～10 ℃發生爆沸，相關文獻未見記載，因此只從分析無法判斷，但升膜蒸發器進汽壓力差及汽液分離器出汽的周期性波動，直觀驗證了鈣液未能以膜狀連續上升。

4 生產驗證與技術措施

4.1 生產驗證方案

在保持不調節進升膜蒸汽壓力和流量及其鈣液進量的前提下，通過關閉成品貯槽蒸汽閥，保持升膜排水通暢。然后調節鈣液預熱器排水閥門，觀察不同鈣液溫度對升膜流量的影響。通過觀察，全關貯槽蒸汽閥門，此時升膜蒸發器蒸汽壓力大于4#疏水槽壓力，排水通暢，但蒸汽流量仍然大幅度波動，因此升膜排水不通暢引起的流量波動不應當占主要作用。當鈣液溫度123 ℃時，升膜存在爆沸現象，此時不論升膜是否存在相對真空，蒸汽流量波動范圍變窄，汽液分離器排汽流暢。

4.2 工藝流程改進

1)根據驗證及分析，目前出鈣液預熱器溫度108～111 ℃，未到沸點，是波動的主要影響因素。成品氯化鈣流化床用熱空氣除濕，空氣加熱器使用后的蒸汽去5#疏水槽，將其去5#疏水槽之前引入部分蒸汽至4#疏水槽，提高鈣液預熱器蒸汽壓力、流量，達到提高出鈣液預熱器鈣液溫度的目的。

2)穩定升膜蒸發器與4#疏水槽蒸汽壓力，根據《化工基礎》介紹，升膜蒸發器需要液封，在鈣液預熱器蒸汽外排管線上，接近消音器之前，加J41H-16DN150閥門控制排水速度，以期形成液封，并充分利用蒸汽冷凝熱，降低蒸汽消耗。

5 效果評價

今年4月份以后，制鈣工序不斷實施技術改造，經過多次開停車驗證，鈣液預熱器出口溫度118～121 ℃，所以升膜蒸發器預熱段縮短，加熱蒸發段延長，升膜出口溫度150～165 ℃，日產氯化鈣120 t以上,蒸汽消耗大幅降低，僅11～13 t/h，達到預期目標。但還有一些新的認識，制鈣產能與其生產的連續性相關聯，因為鈣液溫度穩定，系統熱損失少；夏季環境溫度高，有利于壓濾廢液的蒸發，鈣液溫度實現自然上升，促進了制鈣產能提高，能耗降低；加熱管中必須保持適度的料位髙度，否則難以成膜；由于料液在加熱管中的布膜完全靠高速的二次蒸汽流及真空帶動下形成，所以其膜不穩定，進人分離器時在二次蒸汽與料液分離過程中更容易產生二次蒸汽中霧沫的夾帶，即分離不徹底而造成跑料。仍然有許多不足，待逐步改進。