竹浆黑液管式降膜蒸发器结垢解析

牟静冬 康 健

(赤天化集团纸业股份有限公司,贵州赤水,564707)

竹浆黑液管式降膜蒸发器结垢解析

牟静冬 康 健

(赤天化集团纸业股份有限公司,贵州赤水,564707)

介绍了竹浆黑液蒸发器传热面结垢的现象和产生的危害,分析了结垢的主要原因、处理方法和预防措施。

竹浆;黑液;结垢;蒸发器

蒸发器传热面结垢会使蒸发站丧失蒸发能力,特别是管式降膜蒸发器一旦管内侧结垢,其传热系数会明显降低,加热管内外温差逐步上升,生产能力降低,如果不及时停机除垢,在很短的时间里就会导致蒸发系统运行崩溃。贵州省赤天化集团纸业股份有限公司 (简称赤天化纸业)在投产初期 (竹浆)多次出现上述情况,致使蒸发站不能正常投入运行,全厂停产数日,造成了较大的经济损失。经过一系列技术攻关,找到了原因,解决了蒸发器结垢及堵管的问题,基本能保证蒸发系统连续稳定地运行,下面对其做一详细介绍。

1 工艺简介

赤天化纸业以竹子为原料生产白度 82%以上的成品浆板,采用当今世界最先进的工艺技术,蒸煮流程采用的紧凑蒸煮第二代技术;漂白系统选择TCF(全无氯漂白)兼 ECF(无元素氯漂白)工艺,代表了世界纸浆漂白工艺的发展和流行方向,设计日产漂白浆板 750 t,年产漂白浆板 25万 t;纸浆耗水量将低于国内标准的 50%;设计的产品白度可达 88%,比目前市场上漂白化学竹浆高 3～4个百分点。

竹子在备料车间经过切片、筛选、洗涤后形成规格基本一致的竹片经栈桥传送到制浆车间。经过连续蒸煮后的粗浆又经过热水 (来自蒸发系统)洗涤、筛选、脱水工序变成了细浆,细浆在漂白工段化学药剂 (螯合剂和 H2O2)的作用下达到 85%的白度最后送到浆板车间形成产品。碱回收蒸发系统的黑液提取于制浆的漂白工段。

送蒸发工段稀黑液质量指标:温度 90℃,浓度16.5%,残碱 6～12 g/L。

2 碱回收概况

蒸发站:从 HPD公司引进的九体六效管式降膜蒸发站 (带钝化系统及压力贮存装置);总加热面积23000 m2;蒸发水量 370 t/h;出站黑液浓度 70%(不含碱灰和补充芒硝)。

碱炉:日处理黑液固形物 1500(绝干)(不含碱灰和补充芒硝);额定蒸发能力 220 t/h;额定蒸汽压力 6.8 MPa;额定蒸汽温度 480℃。

苛化工段:普通石灰窑Φ3.6 m×106 m,石灰产量230 t/d。

图1 蒸发工段工艺流程简图

表1 蒸发系统各效体运行参数

3 蒸发工段流程简图

图1为蒸发工段流程简图。从图1可看出,16.5%的稀黑液经过两段闪蒸罐 (1#、2#),释放出的蒸汽进入Ⅴ效和Ⅵ效用于加热黑液。从 2#闪蒸罐出来的黑液进入Ⅵ效提浓。黑液再依次通过Ⅴ效、Ⅳ效、Ⅲ效提浓后,进入钝化处理系统,再经过Ⅱ效、Ⅰ效提浓后,合格的浓黑液送入压力储槽。

其中Ⅰ效由 4个效体组成,正常生产中三用一备。Ⅰ效的 3个效体中黑液浓度最低的效体中部分黑液送碱炉混合槽混合碱灰后再回到Ⅰ效低浓体。

4 管式降膜蒸发器

黑液从蒸发器底部低点抽出,用循环泵通过效体中心上升管泵至蒸发器顶部分配元件,黑液经分配元件均匀分配后,通过加热下降管流至蒸发器底部蒸发室中进行汽液分离,蒸汽通过雾沫分离器进入下一蒸发器作为加热蒸汽使用,液体通过循环泵或出效泵泵入下一循环,结构简图见图2。

蒸发系统各效体运行参数见表1。管式降膜蒸发器有以下特点:

(1)循环泵及分配元件的设计经过充分考虑,其循环泵打量恒定,以利于蒸发器下降管中黑液连续稳定,从而避免黑液结晶堵管。

(2)效体顶部分配元件设计有助于液体通过顶部管层分布盘均匀地分布到降膜截面的管中,避免效体下降管因黑液分配不均匀堵管。

5 钝化处理系统

钝化处理系统是 HPD公司专为制浆原料中含有较多钙硅元素设计的装置,可有效地避免蒸发器结垢。

5.1 钝化装置作用

(1)降低黑液黏度;

(2)钝化黑液中的钙离子、硅离子,将该成分引起的结垢潜在性减至最小;

5.2 钝化装置工作原理

图3为钝化处理系统简图。黑液钝化工艺是基于钙盐、镁盐和硅酸盐的溶解度随温度升高而降低的特性而定。在进入临界蒸发器 (结垢常在此产生)之前,黑液被加热并沉淀出这些钙盐、镁盐和硅酸盐。钝化后的高温黑液经过闪蒸降温,回收了加热黑液的热量。加热过程中黑液中钙、镁及硅盐类会在加热管上已经形成晶体附着,从而降低换热器的换热效率。而钝化系统原理类似于在制盐行业中广泛应用的播种结晶技术,在钝化槽中,通过加入中压蒸汽提高黑液温度至 160℃左右,至少保持 60 min,使钙的复杂有机化合物降解,钙离子与黑液中的碳酸混合,沉淀出碳酸钙、硅酸钙。

为优化装置的蒸汽效率,钝化装置安装在Ⅲ效和Ⅱ效之间。如图3所示,从钝化系统送出的黑液通过4段闪蒸降温,使送出黑液基本与Ⅲ效来黑液温度基本相同,而Ⅲ效来黑液通过 4个换热器加热,可有效地节约热量,降低钝化系统蒸汽消耗。

图2 管式降膜蒸发器简图

图3 钝化系统示意图

6 蒸发器传热面结垢垢类介绍

表2为碱回收各工段非过程元素表。

表2 碱回收各工段非过程元素表(NPES)

(1)黑液垢

黑液垢是黑液在管壁发生局部沉淀,一般是由于温度过高、浓度过高、以及某些成分的汽化引起 pH值发生变化而产生的。

(2)硫酸钠垢、氯化钠垢

硫酸钠垢多在高温高浓效加热管内形成。靠近管壁的呆滞膜温度最高,而硫酸钠的溶解度最小,所以容易形成硫酸钠垢。但是,黑液中硫酸钠含量高时,由于超过饱和溶解度极限,在其他效体同样会产生硫酸钠垢。黑液中的硫酸钠主要来自于制浆蒸煮的白液,主要由于碱炉芒硝还原率低而补充较多芒硝所致。商品液碱中氯化钠含量超标产生了氯化钠垢。

(3)碳酸钙垢

碳酸钙垢是当温度超过 120℃时,碳酸钙沉析出来,沉淀较严重的部位也是高温、高浓的效体。碳酸钙垢是蒸发器的主要污垢。由于黑液中含有有机物,使可溶性和不溶性污垢变得复杂。有机物中如木素和羟基酸都含有羟基,能与钙离子螯合,大大增加了钙在黑液中的溶解度。按照对碳酸钙污垢的影响,有机物可分为两类。第一类是能与钙离子结合生成复杂的盐类,它决定于黑液正常 pH值。它的溶解度常随着温度的升高而降低。这一类有机物在温度升高时释放出钙离子,形成了碳酸钙污垢。第二类有机物也能与钙离子结合,但 pH值没有明显变化,它的溶解度不受温度的影响。因此第二类物质不产生污垢。

因此如黑液中含有第一类有机物和足够的钙,就会形成碳酸钙污垢。

(4)硅酸钙垢、钙镁垢

硅酸盐垢是一种由不同比例的钙-铝-硅酸盐组成的管垢,呈半透明玻璃状,硬度较大。硅的主要来源是原料、石灰和芒硝等,主要来自于竹原料中的结合硅 (灰分 3%～5%、硅 1.5%～2.5%)和竹子夹带的泥沙。钙镁垢主要源于高硬度的河水,以及因苛化工艺控制不良,石灰质量差 (MgO含量高)所引起的苛化白液澄清度较低。

(5)焦化垢

黑液在高温高浓下容易发生焦化或有机物聚合,蒸汽过热时更为突出。

(6)有机垢 (纤维垢)

纤维本身不能直接堵塞加热管,但形成其他管垢时,由于管壁不是非常光滑,黑液中纤维过多时,能很快形成纤维垢,甚至堵死加热管。

7 蒸发装置运行过程中出现的非正常现象

7.1 Ⅰ效管壳侧温差上升

蒸发系统间断开车 6个月后,在负荷及主要工艺参数没有大变化的情况下,发现出浓黑液的浓度在慢慢降低,出浓黑液的流量在慢慢上升,蒸汽压力有升高迹象,Ⅰ效的 3体蒸发器温差都在不同上升。尝试加大蒸汽用量,同时反复切换程序,效体温差仍在上升,出效浓黑液浓度下降。

7.2 Ⅱ效管壳侧温差上升

在蒸发装置负荷及主要工艺参数没有太大变化的情况下,Ⅱ效温差由平时的 5℃左右逐步上升,两三天内就达到 15℃以上。同时Ⅱ效壳侧压力也逐步上升,Ⅰ效出浓黑液的浓度下降,Ⅱ效循环泵电流下降,Ⅱ效壳侧的压力和Ⅲ效的压差达 80 kPa。Ⅰ效运行体蒸发器黑液温度比正常值高 15℃左右,黑液浓度降至 60%并有持续下降的趋势。

8 蒸发装置效体温差高的原因

蒸发装置停运后对所有蒸发效体检查发现,Ⅰ效各体热管有不同程度堵塞,换热管管壁结垢明显。Ⅱ效换热管有 70%堵塞。Ⅲ效、Ⅳ效、Ⅴ效、Ⅵ效蒸发器未发现结垢及堵管现象。通过对Ⅰ效垢样进行分析,垢样的主要成分见表3。Ⅱ效堵管基本由黑液、硫酸盐垢及碳酸盐垢组成。

表3 垢样的主要成分 %

9 结垢处理

对堵塞管道进行机械清洗后,再进行酸洗。重新投用蒸发装置后系统运行稳定。

1 0 防止结垢措施

10.1 改变蒸发Ⅰ效原有的切换程序

技术人员对该装置工艺及操作仔细分析后,决定将Ⅰ效原设计的 12个切换程序更改为 4个程序间的切换,以保证每次切效后将高浓效体切除清洗,将清洗干净的效体作为低浓体使用。该操作缩短了Ⅰ效中的各效体运行时间。每隔 4 h就将过高浓黑液的效体切除洗涤。

10.2 优化洗效操作

(1)蒸发装置运行中严禁关停循环泵,洗效时可使用稀黑液对需洗效体进行置换,可有效地避免固状黑液附着在换热管上,以减小换热器结垢机率。

(2)洗效时尽可能使用蒸发装置将黑液中的中污或轻污冷凝液蒸出,因冷凝水中含的杂质和钙、镁离子较少,对效体造成的结垢可能性就降低。

10.3 稳定进效浓度

进效黑液的浓度不稳定或者偏低就导致黑液在效体中起泡和跑黑水很严重,黑液在蒸发室中起泡,经过真空负压的抽吸进入蒸发器的雾沫分离器,大量的泡沫增加了雾沫分离器的负荷,运行久了就造成雾沫分离器的堵塞。有了堵塞现象蒸发室里的二次蒸汽就不能顺利通过,从而影响蒸发效率,还会造成了各效

10.7 避免蒸发器低液位操作及定期对蒸发效体液位计进行检查,保其运行稳定可靠

体壳侧的压差逐渐增大。

10.4 尽可能保证钝化系统的正常运行

实践证明钝化系统在本装置运行过程中起了巨大的作用,操作时应尽量保证钝化系统和蒸发装置同时投用。

10.5 控制好进蒸发装置的低压蒸汽温度,避免蒸汽超温

10.6 避免碱灰的大量累积

(1)现代化浆厂为保证出蒸发黑液浓度,已普遍使用结晶蒸发。操作过程中应尽量避免蒸发至碱炉混合碱灰黑液量的大幅度波动。

(2)蒸发与碱炉负荷应尽量保持基本相同,以保证碱灰与黑液比例不出现大幅度失衡,避免造成蒸发装置结垢。

(3)蒸发装置生产高浓度黑液时,应尽量在碱炉稳定运行下进行,实践证明可有效避免效体温差上升。

(4)蒸发停运,碱炉单独运行时应考虑碱灰的规避,以防止蒸发器堵管。

10.8 增加制浆车间来黑液中纤维的过滤

10.9 优化碱炉操作,提高碱炉芒硝还原率

1 1 结 语

蒸发器结垢现象产生的危害性较大,造成结垢的原因很多,处理不当将会导致制浆厂停产。必须在纤维原料、净化、制浆系统、稀黑液质量及生产流程调整和操作上严格控制才能使蒸发系统高效平稳地运行。赤天化纸业在优化蒸发运行上调整得当,蒸发装置连续运行最长记录已达 100天。

Scaling Solutions for Bamboo Pulping Black L iquor Evaporators

MOU Jing-dong＊KANG Jian
(Chitianhua Group Paper Industry Co.,Ltd.,Chishui,Guizhou Province,564707)

The harm of scaling appeared in evaporators of bamboo pulping black liquorwas introduced.The main reasons and solutionswere discussed.

bamboo pulp;black liquor;scaling;evaporator

X793

A

0254-508X(2010)10-0046-04

牟静冬先生,技术员;主要从事技术开发和管理工作。

(＊E-mail:mjd_11@163.com)

2010-07-05(修改稿)

(责任编辑:常 青)