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(yè)原料，廣泛應用于建筑、造紙、水處理、印染、化工等多種行業(yè)，用作減水劑、還原劑、脫氧劑及穩(wěn)定劑等。金川集團股份有限公司（以下簡稱金川集團）現(xiàn)有產能150 kt/a亞硫酸鈉系統(tǒng)，利用金川集團火法冶煉系統(tǒng)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(huán)境的問題，又給企業(yè)帶來了一定的經濟收益[1]。

在生產無水亞硫酸鈉的蒸發(fā)工序，由于無機鹽不斷結晶析出在蒸發(fā)器器壁結垢，導致蒸發(fā)效率降低，蒸汽消耗增加，且傳統(tǒng)的蒸發(fā)器洗效技術操作繁瑣，又無法保證生產系統(tǒng)的連續(xù)運行。針對該問題，筆者提出了蒸發(fā)器自動洗效技術，利用蒸發(fā)過程中產生的二次蒸汽冷凝液對蒸發(fā)設備完成自動洗效，在保證生產系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)工序。蒸發(fā)工序采用雙效蒸發(fā)器對中和液進行蒸發(fā)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(fā)工序回用，固體物料送入干燥系統(tǒng)去除物料中的水分。干燥后物料進入自動包裝系統(tǒng)進行定量包裝、碼垛。

2 蒸發(fā)器結垢的原因與影響

2.1 蒸發(fā)器結垢原因

在蒸發(fā)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(fā)，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(tài)，從溶液中析出晶體，與其他雜質一起在蒸發(fā)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(fā)器結垢對換熱效果的影響

蒸發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)器結垢物的去除是影響系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要因素。

2.3 蒸發(fā)器熱阻分析

蒸發(fā)器的傳熱熱阻可按下式計算[2]：

式中：K——傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；

α0——管外側流體給熱系數(shù)，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(shù)，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(fā)器器壁及蒸發(fā)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(fā)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(wěn)定垢層前被清洗除去。

蒸發(fā)器傳統(tǒng)洗效工藝是指定時向蒸發(fā)工序加入水或沖洗劑進行蒸發(fā)器及管路沖洗，以使結垢物溶解，改善蒸發(fā)器及管道傳熱狀況和物料通過能力。傳統(tǒng)洗效工藝有助于蒸發(fā)過程的穩(wěn)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(fā)工序的正常運行規(guī)律，使蒸發(fā)工序生產組織紊亂，影響系統(tǒng)產量的同時造成生產系統(tǒng)成本增加。

蒸發(fā)器自動洗效技術是利用蒸發(fā)過程中產生的二次蒸汽冷凝液對蒸發(fā)器完成自動洗滌，在保證生產系統(tǒng)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(fā)系統(tǒng)及其他類似工藝的蒸發(fā)洗效技術，金川集團采用以蒸發(fā)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(huán)利用蒸發(fā)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(fā)系統(tǒng)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(huán)泵入口，洗效后洗滌液管道自蒸發(fā)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(huán)使用。在二次蒸汽冷凝液進強制循環(huán)泵入口、閃蒸罐進強制循環(huán)泵入口、循環(huán)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(tǒng)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(xiàn)。

利用該溫度下的二次蒸汽冷凝液進行洗效，具有以下優(yōu)點：①利用二次蒸汽冷凝液在強制循環(huán)泵增壓后獲得的壓力進行沖洗；②最大量地溶解蒸發(fā)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(fā)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(tǒng)連續(xù)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(fā)工序閥門，使亞硫酸鈉溶液暫時儲存于系統(tǒng)前端的二級中間罐內；②打開二次蒸汽冷凝液進強制循環(huán)泵入口閥門(XV01)；③關閉閃蒸罐進強制循環(huán)泵入口閥門(XV02)；④關閉循環(huán)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(tǒng)，通過雙效逆流濃縮系統(tǒng)的強制循環(huán)泵加壓，對蒸發(fā)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(huán)泵入口閥門(XV02)；②打開濃縮循環(huán)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(huán)泵入口閥門(XV01)；⑤恢復蒸汽的正常供給。

在生產系統(tǒng)連續(xù)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(fā)工序，具有以下優(yōu)勢：

1）利用強制循環(huán)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(tǒng)運行狀態(tài)下，將循環(huán)濃縮主系統(tǒng)迅速切換至洗效系統(tǒng)，操作過程簡單，避免了傳統(tǒng)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(jié)省了洗效時間。

蒸發(fā)過程中自動洗效技術的應用實現(xiàn)了無水亞硫酸鈉生產系統(tǒng)長周期的連續(xù)穩(wěn)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。