楊 展，楊金順，朱榮聲

（中國平煤神馬集團(tuán)開封東大化工有限公司，河南開封475003）

2010 年初，中國平煤神馬集團(tuán)開封東大化工有限公司上馬了1 套6 萬t/a 高濃度燒堿蒸發(fā)裝置，并于當(dāng)年3 月27 日投產(chǎn)運(yùn)行。該裝置由成都博有實(shí)業(yè)有限公司采用阿法拉伐技術(shù)設(shè)計(jì)制造，以32%燒堿為原料，其能力為50%燒堿6 萬t/a。 根據(jù)開封東大化工傳統(tǒng)市場需要，又考慮50%燒堿在10 ℃以上即開始結(jié)晶，而45%燒堿則在5 ℃左右結(jié)晶，更便于貯運(yùn)，故采用45%燒堿運(yùn)行。 經(jīng)運(yùn)行考核，該裝置符合設(shè)計(jì)要求，在最大進(jìn)堿流量為20 m3/h 時(shí)，仍能穩(wěn)定運(yùn)行。

1 裝置工藝技術(shù)特點(diǎn)

該裝置采用三效逆流升膜式蒸發(fā)工藝， 其特點(diǎn)是簡單、緊湊、節(jié)能，6 萬t/a 蒸發(fā)主裝置布置在占地112 m2，高度不到4 m 的2 層框架內(nèi)。 每噸折百燒堿蒸汽消耗僅為五百余公斤， 較過去的薄膜蒸發(fā)器節(jié)汽約1.3 t。

該裝置將離子膜電解槽產(chǎn)出的八十多攝氏度的燒堿直接進(jìn)入三效蒸發(fā)， 而非以往的經(jīng)冷卻進(jìn)入原料堿貯槽后再泵送到蒸發(fā)裝置。

該裝置將一效蒸汽冷凝水和成品堿先與二效進(jìn)堿換熱，再與三效進(jìn)堿換熱后，輸送到供汽分廠作為軟水使用。 而二效、三效蒸汽冷凝水則送往化鹽。

將裝置合理安排各效壓力、溫度梯次，而三效是在-0.095 MPa 下運(yùn)行， 使得各效蒸汽熱量得以充分利用。

為保證裝置穩(wěn)定運(yùn)行， 系統(tǒng)采用DCS 集散控制，使各工藝指標(biāo)控制在設(shè)備適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。

2 設(shè)備技術(shù)特點(diǎn)

（1） 為適度降低造價(jià)， 選用了國產(chǎn)列管式蒸發(fā)器，一效選用鎳十碳鋼材質(zhì)，二效選用310S+316L，三效選用316L。各效堿的冷卻換熱及三效尾氣冷凝選用了阿法拉伐公司生產(chǎn)的板式換熱器。 真空泵選用了納西姆公司產(chǎn)品。 泵類除二效、三效冷凝水輸送選用阿法拉伐公司所供產(chǎn)品外，均為杭州堿泵廠產(chǎn)品。

（2）選用列管式蒸發(fā)器還因其密封點(diǎn)少，從而密封更可靠，檢修的機(jī)會(huì)更少。 列管壁較板式板厚大，可能更耐用。列管式如發(fā)生列管損壞，可采用封堵的方式修復(fù)，但會(huì)損失部分生產(chǎn)能力，沒有板式方便。

（3）該裝置設(shè)備效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、用材較省。

3 試車中出現(xiàn)的異常現(xiàn)象及解決措施

（1）泵內(nèi)異常噪音。 試車初期，幾乎所有泵都出現(xiàn)異常噪音、振動(dòng)很大，在對(duì)泵及泵基礎(chǔ)的所有緊固件重新緊固后仍未能排除。后經(jīng)仔細(xì)辯聽，噪音來自泵內(nèi)，判斷應(yīng)為氣蝕噪音。 一般來說，氣蝕往往發(fā)生在泵進(jìn)口為負(fù)壓且超過氣蝕余量的情況下， 而該裝置的泵發(fā)生噪音多為泵進(jìn)口為正壓且有時(shí)正壓較大的情況下，這不僅讓操作人員難以理解，經(jīng)驗(yàn)豐富的調(diào)試人員也感到疑惑。 對(duì)此現(xiàn)象，可解釋如下。

a.泵是否在規(guī)定揚(yáng)程流量下工作，不能僅僅看出口壓力。 泵的揚(yáng)程是介質(zhì)從泵進(jìn)口到出口間的壓力升高值。對(duì)介質(zhì)為水來說，其以米水柱為單位的進(jìn)出口壓力差即為揚(yáng)程；但若介質(zhì)非水，其進(jìn)出口壓力均應(yīng)乘以相對(duì)密度，其壓力差也是如此。

b.“氣蝕”是介質(zhì)在進(jìn)口條件為負(fù)壓且介質(zhì)產(chǎn)生“氣化”，而進(jìn)入泵后壓力升高，汽化氣體瞬間消失產(chǎn)生的“水擊”現(xiàn)象。而介質(zhì)的氣化與沸點(diǎn)有關(guān)，介質(zhì)的沸點(diǎn)又與介質(zhì)溫度和壓力有關(guān)，其壓力越高，沸點(diǎn)也越高。

c.當(dāng)泵的實(shí)際工作揚(yáng)程較低時(shí)，流量大幅增加，進(jìn)口阻力增大，進(jìn)口壓力隨之降低，氣蝕趨勢就會(huì)增大。

d.當(dāng)介質(zhì)溫度較高，如遇壓力降低，沸點(diǎn)隨之降低，一旦接近沸點(diǎn)，即會(huì)產(chǎn)生“閃蒸”、氣化，即使泵進(jìn)口是正壓且有一定值，仍可能發(fā)生氣蝕。

解決措施極為簡單，只要調(diào)小出口閥門，使泵出口壓力增加，流量減少，使泵的實(shí)際工作揚(yáng)程接近理論揚(yáng)程即可，當(dāng)介質(zhì)溫度較高時(shí)，泵的工作揚(yáng)程應(yīng)相應(yīng)高一些。

（2）突然不“吃”蒸汽。即當(dāng)調(diào)小一次蒸汽調(diào)節(jié)閥時(shí)，蒸汽突然為零，而此時(shí)調(diào)節(jié)閥有一定的開度。 此現(xiàn)象發(fā)生后，曾懷疑閥門附近有異物堵塞。但經(jīng)拆檢并無異常。 經(jīng)觀察，發(fā)現(xiàn)與閥門設(shè)定有關(guān)，當(dāng)閥門調(diào)至有30%開度顯示時(shí)，閥實(shí)際已經(jīng)關(guān)死，故蒸汽流量突然為零。

（3）調(diào)節(jié)蒸汽流量及進(jìn)料流量時(shí)，結(jié)果與目的相反。類似現(xiàn)象不僅發(fā)生在蒸汽流量和進(jìn)料流量調(diào)節(jié)，其他參數(shù)調(diào)整也有此現(xiàn)象。 僅以調(diào)節(jié)一效蒸汽流量為例。 在生產(chǎn)過程中，為了控制產(chǎn)品燒堿含量，引入一個(gè)重要參數(shù)，溫度差，即一效蒸發(fā)汽液分離器中堿液的溫度（T）與液面上的蒸汽壓力（P）下對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽溫度間的差值。 一效蒸汽參數(shù)見圖1。

圖1 一效蒸汽有關(guān)參數(shù)示意圖

溫度差與燒堿含量的近似關(guān)系見表1。

表1 溫度差與燒堿含量的關(guān)系

各套裝置需自行摸索實(shí)際對(duì)應(yīng)關(guān)系。 產(chǎn)品堿濃度由化驗(yàn)室化驗(yàn)監(jiān)控，如化驗(yàn)結(jié)果顯示濃度偏低時(shí)，操作人員開大一次蒸汽調(diào)節(jié)閥， 調(diào)高蒸發(fā)器內(nèi)蒸汽壓力，從而增大蒸汽與在蒸堿液的溫度差，以提高蒸發(fā)強(qiáng)度，蒸掉更多的水。 但此時(shí)會(huì)出現(xiàn)以下現(xiàn)象，本想提高溫度差值， 實(shí)際上， 儀表顯示的溫度差值變小，使之不得不向反方調(diào)節(jié)，但產(chǎn)品卻更不合格， 又不得不反復(fù)調(diào)節(jié)，無法達(dá)到目的。

對(duì)此現(xiàn)象的分析是，當(dāng)調(diào)大一次蒸汽閥門后，蒸發(fā)器內(nèi)一次蒸汽壓力提高，蒸發(fā)強(qiáng)度增大，而此時(shí)二效蒸發(fā)并不會(huì)立即增加蒸汽流量， 二次蒸汽壓會(huì)隨即升高。 其對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽溫度也隨之升高。 再看分離器內(nèi)堿液情況， 因其正常保有30%左右液位，新進(jìn)入分離器的堿液要和原有堿液混合， 其溫度提升有個(gè)過程， 這個(gè)進(jìn)程明顯地慢于二次蒸汽壓力升高的過程。所以，溫度差值不但不增，反而減少?；诖朔治?，暫且穩(wěn)定一次蒸汽閥門。使堿液逐步混合置換，其溫度逐步升高，最終溫度差會(huì)升高。按此思路，其他類似現(xiàn)象也隨之解決。

（4）一次蒸汽流量劇烈波動(dòng)。 試車初期，為保證產(chǎn)品質(zhì)量， 系統(tǒng)進(jìn)堿量控制為8～10 m3/h。 但是，其“吃”汽量（即一次蒸汽流量）卻劇烈波動(dòng)，其記錄曲線一會(huì)兒達(dá)4.0～5.0 t/h,一會(huì)兒為零。 觀察發(fā)現(xiàn)其周期約半個(gè)小時(shí)，作了各種嘗試調(diào)整，效果卻不理想，經(jīng)分析可能有以下原因。

a.一次蒸汽調(diào)節(jié)閥失靈。 因在進(jìn)料量按需要調(diào)整時(shí)，蒸汽流量有時(shí)為零，在此處，控制的是一效蒸發(fā)器進(jìn)汽汽壓，又如前述，閥門開度為30%左右時(shí)，閥實(shí)際已經(jīng)關(guān)死，流量會(huì)驟然變化，如閥瓣裝配較松時(shí)，此情況更為明顯。 但后來發(fā)現(xiàn)，即使閥在自行調(diào)節(jié)中， 開度為30%以上， 蒸汽流量仍大幅波動(dòng)，顯然，這不是主要原因。

b.一效蒸發(fā)器蒸汽側(cè)周期性積水。 如蒸發(fā)器蒸汽側(cè)積水，就會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱變差，曾作過如圖2 的推測。

圖2 一效蒸發(fā)器運(yùn)行情況

蒸汽在蒸發(fā)器的管路及蒸發(fā)器內(nèi)部形成一定阻力， 冷凝水管路也有一定阻力， 當(dāng)蒸發(fā)器高度不足時(shí)，使冷凝水返回汽水分離器有一定困難，只有當(dāng)水位有一定高度時(shí)才能排出， 從而在一效蒸發(fā)器蒸汽側(cè)周期性積水。蒸汽在蒸發(fā)器中冷凝形成虹吸，導(dǎo)致器內(nèi)周期性積水， 但蒸發(fā)器在蒸汽側(cè)頂部及底部各設(shè)有不凝氣排口。

c.蒸發(fā)器物料側(cè)料液液位較低時(shí)，蒸發(fā)速率較小，形不成升膜，待料液升高一定程度，升膜才形成，很快料液又跟不上，使蒸發(fā)呈周期性，從而用汽量周期性變化。 但在調(diào)大進(jìn)料量時(shí)，情況并未改善，故此原因未必成立。

d.蒸汽壓力與進(jìn)料量不匹配。 在試生產(chǎn)中，確實(shí)有情況較好的時(shí)候， 但在下一個(gè)調(diào)整過程中設(shè)法去模仿上一過程正常時(shí)參數(shù)，情況并不一定好。雖然進(jìn)料量與蒸汽壓力應(yīng)有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系， 但運(yùn)行情況反映出這不一定是主要原因。

在做各種嘗試之后，分析問題是否出在前兩效。經(jīng)調(diào)看各效蒸發(fā)器分離罐液位記錄， 發(fā)現(xiàn)二效液位幾乎恒定，而三效雖然只有5%波動(dòng)，但與一效的波動(dòng)周期相同。 設(shè)想一下， 三效蒸發(fā)分離器直徑為1 200 mm，而一效為600 mm，一效蒸發(fā)器列管總截面積與三效分離罐截面積相差數(shù)十倍， 三效液位變化對(duì)一效液位影響極大。 經(jīng)調(diào)整三效液位， 控制PID 參數(shù)使之趨于恒定， 一效蒸發(fā)分離器液位波動(dòng)大幅減少，蒸汽消耗量趨于穩(wěn)定，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入平穩(wěn)運(yùn)行。

只要調(diào)整整個(gè)系統(tǒng)的進(jìn)料量，整個(gè)系統(tǒng)各參數(shù)隨即自動(dòng)響應(yīng)與之對(duì)應(yīng)，操作極為方便。

（5）涉蒸汽鎳設(shè)備腐蝕嚴(yán)重

裝置投入運(yùn)行不久，送往供汽分廠供鍋爐用水的一效生蒸汽冷凝水干擾了供汽分廠供水的正常分析化驗(yàn)，懷疑冷凝水有問題，幾天后，在本系統(tǒng)的汽水分離器下部排污時(shí)，發(fā)現(xiàn)有不少綠色結(jié)晶物排出，經(jīng)分析確定為鎳鹽，因蒸發(fā)器鎳列管壁厚僅為1.5 mm， 問題異常嚴(yán)重。 聯(lián)想起公司其他工段也有鎳換熱器蒸汽側(cè)腐蝕，懷疑蒸汽有問題。立即請(qǐng)博友公司提供對(duì)蒸汽的要求，答復(fù)數(shù)據(jù)見表2。

表2 蒸汽的參數(shù)及指標(biāo)

加氧給水則總氮含量（TOC）小于200 mg/L。

在不同地點(diǎn)聯(lián)樣分析的結(jié)構(gòu)見表3。

查閱“腐蝕數(shù)據(jù)手冊(cè)”及其他資料，蒸汽對(duì)鎳并不腐蝕，對(duì)于高溫?zé)龎A來說，鎳是公認(rèn)的理想材料。而現(xiàn)實(shí)中的腐蝕很難理解。更難以置信的是，鍋爐爐水的pH 值多為12.0～13.0， 而到本系統(tǒng)一效蒸發(fā)器后，冷凝水pH 值為6 多一點(diǎn)，增加了成百上千萬倍的H+。 后經(jīng)研究分析，蒸汽從鍋爐經(jīng)外管到本系統(tǒng)，沿途散熱后，冷凝水不斷析出，而蒸汽中的碳酸鈉和碳酸氫鈉隨冷凝水排出，堿度會(huì)不斷降低，而碳酸氫鈉在高溫下可能分解為碳酸鈉、二氧化碳和水，二氧化碳溶于水呈弱酸性；而在蒸發(fā)器內(nèi)，大量蒸汽冷凝后，水蒸氣中CO2會(huì)富集。 再進(jìn)一步查閱資料發(fā)現(xiàn)，濕的二氧化碳?xì)怏w對(duì)鎳有明顯的腐蝕作用。

表3 聯(lián)樣分析結(jié)果

為了驗(yàn)證上述分析， 從一效蒸發(fā)器不凝氣中取樣分析，其中，二氧化碳含量高達(dá)85%，從而找到了鎳腐蝕的主因。

由上述分析可知， 二氧化碳最終來源于鍋爐供水，而開封東大化工鍋爐供水水源為地下水，硬度較高，在軟化過程中，鈉離子置換了水中的鈣鎂離子，但總碳并未減少。 為減少蒸汽中二氧化碳對(duì)鎳設(shè)備的腐蝕，必須減少鍋爐供水中的總碳。 為此，在鍋爐供水軟化后，增加了反滲透裝置，以脫鹽和吹除的方式脫除鍋爐供水中大量的碳酸根和碳酸氫根， 從而提高供汽質(zhì)量。另外，加大了一效蒸發(fā)器不凝氣的排放，從而減少其對(duì)鎳設(shè)備的腐蝕。

該裝置目前已安全穩(wěn)定運(yùn)行近三年， 與國內(nèi)同類裝置的鎳蒸發(fā)器兩三個(gè)月即損壞更換， 損失數(shù)百萬元相比，大大減少了損失。

4 結(jié)論

（1）該裝置經(jīng)近三年運(yùn)行，表明其具有裝置簡單、技術(shù)可靠、設(shè)備緊湊、占地較少、節(jié)約能源、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。

（2）在各泵運(yùn)行過程中，必須保證有適當(dāng)?shù)某隹趬毫?，以避免“汽蝕”振動(dòng)影響運(yùn)行甚至損壞。

（3）必須保證各效液位趨于穩(wěn)定，尤其是三效、二效液位穩(wěn)定，否則，系統(tǒng)很難正常操作。

（4）須嚴(yán)格控制蒸汽中氯根、CO2含量，否則，將對(duì)鎳設(shè)備造成嚴(yán)重腐蝕， 對(duì)于供水水源硬度較高的情況，可在軟化后加反滲透裝置脫除鹽類，用時(shí)加大一效蒸發(fā)不凝氣排放量，以減少蒸汽中CO2含量。