重灰液相水合結(jié)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(yīng)原理進(jìn)行深入細(xì)致研究，而影響結(jié)晶的關(guān)鍵因素是水合反應(yīng)控制，如輕灰質(zhì)量、母液上進(jìn)液量、母液鹽分、結(jié)晶固液比控制[1-2]，但在上述指標(biāo)穩(wěn)定情況下，水合反應(yīng)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(jié)晶器出現(xiàn)反應(yīng)溫度過高，使用周期較短，產(chǎn)品結(jié)晶粒度偏細(xì)，母液系統(tǒng)帶料嚴(yán)重，母液管線和母換器容易堵塞，閥門結(jié)疤嚴(yán)重等問題，嚴(yán)重時造成該工序停工，影響了重灰生產(chǎn)。

2 水合結(jié)晶器改造研究

為了解決上述問題，對水合結(jié)晶器構(gòu)造進(jìn)行深入研究。公司水合結(jié)晶器為自主知識產(chǎn)權(quán)設(shè)計(jì)制造結(jié)晶器[3]，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力600t/d，其規(guī)格為 3200mm×9800mm，容積 52m3。如圖1所示，結(jié)晶器分兩層，隔板下料口聯(lián)接上下層。結(jié)晶器攪拌采用螺旋漿式攪拌，設(shè)有外壁冷卻夾套及內(nèi)盤管降溫?fù)Q熱裝置，進(jìn)堿的位置在母液進(jìn)口側(cè)。

自建設(shè)開工以來，水合結(jié)晶器已使用 8年多，之前未進(jìn)行過系統(tǒng)性大修。從 2017年底開始，結(jié)晶器故障頻繁，水合反應(yīng)效果不佳。為保證水合結(jié)晶器正常生產(chǎn)，采取大修改造措施。

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

2.1 結(jié)晶器盤管改造

鑒于結(jié)晶器內(nèi)反應(yīng)溫度相對偏高，檢查內(nèi)盤管、外夾套結(jié)構(gòu)和換熱情況。發(fā)現(xiàn)下盤管設(shè)計(jì)走向存在“走近路”現(xiàn)象，如圖1所示，因壓差原因，循環(huán)水只走 L1和 L2，下盤管內(nèi)水并不流通，高溫條件下管內(nèi)長時間存水造成結(jié)垢堵塞，取出結(jié)垢物分析為水垢。該流程嚴(yán)重制約其換熱能力，因此對盤管走向進(jìn)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(jìn)水管道結(jié)構(gòu)，分別計(jì)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(jìn)水管 L1和 L2，規(guī)格均為Φ89×4，d0=89mm，D1=1500mm，D2=1800mm，θ=25°。分別計(jì)算兩根管長度和面積：

上部兩根盤管面積總和：

進(jìn)、回水管規(guī)格Φ108×4，長度 L3=850mm，共計(jì)2根，直徑d4=108mm，其換熱面積：

下盤管規(guī)格為Φ57×3.5，d0=50mm，總長度L4=82m，計(jì)算換熱面積：

上盤管為逆流換熱，規(guī)格為Φ57×3.5，d0=50mm，長度L5=55m，計(jì)算換熱面積：

如按照圖1安裝模式，下盤管冷卻循環(huán)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(chǎn)時管內(nèi)存水溫度與母液溫度相當(dāng)，長期死水，管內(nèi)結(jié)疤嚴(yán)重，導(dǎo)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(huán)水經(jīng)Φ57×3.5，變?yōu)樽韵露夏媪鲹Q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(jié)晶器反應(yīng)溫度平均降低 5℃，且每臺結(jié)晶器用水量由150m3/h降低至100m3/h以下，每個結(jié)晶器節(jié)約水量50m3/h，單系統(tǒng)生產(chǎn)可節(jié)約水 1200m3/d。按照我公司循環(huán)水單價0.4元/m3計(jì)算，假設(shè)全年開單系統(tǒng)，則年節(jié)約循環(huán)水 1200×365×0.4=17.52萬元，具有較為可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

原有內(nèi)盤管材質(zhì)為 304，生產(chǎn)時易發(fā)生晶間腐蝕，導(dǎo)致管線內(nèi)降溫水泄漏到母液系統(tǒng)，造成母液膨脹，不利于母液平衡。本次改造將管道材質(zhì)更換為316，減緩了管道在高鹽母液中晶間腐蝕，延長設(shè)備使用周期。

2.2 更換結(jié)晶器攪拌立軸、槳轂、槳葉、底軸

在生產(chǎn)過程中，水合結(jié)晶器出現(xiàn)攪拌電流偏大現(xiàn)象。減產(chǎn)檢修時放空清洗結(jié)晶器，檢查發(fā)現(xiàn)結(jié)晶器底軸磨損嚴(yán)重(材質(zhì) 35)；結(jié)晶器下部槳葉(材質(zhì) 17鎳鑄鐵)因母液沖刷，葉片直徑不足設(shè)計(jì)值的 1/3；下部立軸處槳轂螺栓孔腐蝕嚴(yán)重，槳葉因固定不好易發(fā)生脫落。對三段式攪拌立軸、槳轂、槳葉、底軸進(jìn)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(dǎo)流筒上，或溶解不均勻出現(xiàn)結(jié)晶大粒較多，影響結(jié)晶器換熱效率和重灰晶粒成長。

2.3 修復(fù)結(jié)晶器罐體內(nèi)壁和外夾套

結(jié)晶器外夾套(材質(zhì) Q235-B)因使用年限長，上部出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，在夾套降溫、水壓力過大時易在銹蝕點(diǎn)漏水，影響正常生產(chǎn)和環(huán)境衛(wèi)生。檢修時對換熱裝置內(nèi)盤管和外夾套進(jìn)行水壓試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)外夾套上部和罐體(0Cr18Ni10Ti)內(nèi)壁出現(xiàn) 10處以上“針孔”式泄漏，且罐體出現(xiàn)點(diǎn)蝕現(xiàn)象。最終對夾套上部漏點(diǎn)采取補(bǔ)板滿焊措施，消除了外部漏點(diǎn)；對結(jié)晶器罐體點(diǎn)蝕處補(bǔ)焊修復(fù)，從而避免了降溫水向內(nèi)泄漏至母液系統(tǒng)造成母液膨脹，且循環(huán)水溫度比母液溫度低，泄漏至系統(tǒng)導(dǎo)致局部急劇降溫，易造成筒壁結(jié)疤，縮短作業(yè)周期的問題。

2.4 修復(fù)結(jié)晶器保溫

結(jié)晶器外部保溫破損導(dǎo)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(jīng)濟(jì)運(yùn)行。本次大修對結(jié)晶器筒體保溫進(jìn)行修復(fù)，鋪設(shè)100mm厚度的石棉板，外部用 0.7mm 鍍鋅板包裹固定，降低了結(jié)晶器熱損失，減少了母液析晶量。

3 改造效果及結(jié)論

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

①下盤管去掉多余2根管，使得結(jié)晶器下部反應(yīng)能充分逆流換熱，大幅度降低了晶粒成長區(qū)反應(yīng)溫度，促進(jìn)了顆粒快速均勻成長，避免反應(yīng)下移問題，同時節(jié)約了降溫水，產(chǎn)生一定經(jīng)濟(jì)效益。

②結(jié)晶器大修使母液系統(tǒng)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(nèi)密封墊因沖刷嚴(yán)重導(dǎo)致關(guān)不嚴(yán)的問題得到徹底解決，球閥使用周期由原來的1個月變?yōu)?年以上，節(jié)約了設(shè)備檢修費(fèi)用，穩(wěn)定了生產(chǎn)。

③改造后母液中細(xì)晶大幅減少，母換器作業(yè)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(shí)現(xiàn)了重灰結(jié)晶粒度(細(xì)粉回串到成品)穩(wěn)定在 80以上，堆積密度滿足 1.0以上，重灰細(xì)粉長期回收至成品目標(biāo)，降低了細(xì)粉產(chǎn)生量，提高了運(yùn)行水平。