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浅析制碱装置单法兰液位计水箱的现场清洗实践

作时间:2019-09-16  来源:  作者:
   
摘要 :本文阐述了制碱工业中的重碱工段单法兰液位计水箱的工业清洗,通过对单法兰液位计水箱清洗的现场分析与实践总结,研究出一种合理的清洗方案,确定了一种比较经济的单法兰液位计水箱清洗方法,满足清洗现场的实际要求。碳化工序是纯碱生产装置中较为复杂的工段,其单法兰液位计的工艺工况尤其复杂。随着塔内各物质相互变换的过程,如 CO 2 气体的溶解与析出吸收等,NaHCO 3 的结晶反应更是整个装置单元所需控制的关键,为保证碳化反应的有效进行,尤其是要保证结晶反应的高效,此因素极大影响着碳化转化率的高低。控制结晶反应的重要手段之一是控制反应温度,这就需要对单法兰液位计进行冷却,这是导出热量的主要手段,过程的控制也就是对塔内循环水热交换的控制程度,要求工艺设备的热交换效率高,而水箱内钛管内壁经过长期运行,产生大量的污垢,水垢很大程度制约了整个工艺的热交换效率,采用清洗工艺对钛管内壁的水垢进行清除是通常的检修办法。
1 设备现状及结垢分析
1.1 目前设备现状
我公司承揽的某纯碱厂单法兰液位计水箱钛管清洗项目,该厂重碱工段采用氨碱法单法兰液位计设备,冷却水箱配置为8 个,采用了业界比较先进的钛冷却管,通过循环冷却水将塔内的氨盐水的温度降低,传热效率大为提高,单20190916095526.jpg塔减少冷却水箱至 8 个为一组,设备参数如表 1。通过现场实地踏勘,在清洗之前拆卸了两个单塔的上下水箱盖进行检查,钛管内壁附着一层灰白色硬垢,厚度约 1~2 mm,附着牢靠且均匀,铸铁水箱盖及塔体壁面有大量结疤垢块。水箱盖外表面锈蚀严重,密封面紧固螺丝为 M20×100,螺丝通体严重腐蚀。钛管内壁结垢情况见图 1。
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1.2 设备垢样分析
单法兰液位计配置了循环冷却水系统,主要靠冷却水带走塔内多余的温度。在化工生产工艺中,循环水冷却系统内均存在结垢现象。碱厂循环水所用原水为当地深层地下水,矿化度高,含大量钙、镁、盐类,当冷却管内循环水因温度和溶解度的交替变化,这些物质便沉积在钛管内壁上形成混合型污垢。其形成原因大概包括几类 :第一类,随温度升高盐类的溶解度降低而析出;第二类,矿物质胶状物的沉淀 ;第三类,不同分散度的某些物质固体颗粒的粘结等。
由于冷却水内还含有 SiO 2 ,该混合型污垢含硅酸盐水垢。加上冷却水补水夹带的泥沙或悬浮物、尘土,加速了结垢的形成。水垢厚度达到 2 mm 时,传热损失约在 20% 以上。由于混合型污垢含硅酸盐,采用普通化学清洗方法效果较差。
2 钛材管水垢的高压水清洗
碱厂设备在以往的检修清洗经历中,检修单位都基本都采用 20% 的 HCl 溶液对钛管进行化学清洗,施工安全风险大,设备腐蚀严重,除垢清洗效果不理想。本次单法兰液位计钛管除垢清洗,采用高压水清洗工艺对单法兰液位计内钛管进行清洗。按照业主方要求对 15 号塔先用高压水工艺进行施工,施工工序为 :碳化单塔系统停车—置换、隔离—搭建清洗施工操作平台—割断、剥离水箱盖螺栓—拆卸水箱盖—钛管高压水清洗—验收及复位。图 2 所示水箱拆卸及高压水清洗操作。
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2.1 高压水清洗施工工艺
系统停车及冲洗置换、系统隔离的工作均由业主方完成。清洗施工内容如下 :(1)水箱盖拆除时采取自下而上拆除方式,因锈蚀严重,螺栓拆除采用等离子切割机全部割断并人工剥离作业 ;(2)拆除过程遇高处作业搭设施工操作平台,操作平台采用活动脚手架,水箱盖吊装采用电动倒链,复位采用气动风炮 + 敲击扳手结合的方法 ;(3)高压水清洗时采用柔型枪线 + 抛光型旋转枪头的清洗方法,对于内径为 50 mm 的钛管,选择DN6 枪线 +M18 枪头,压力控制在 1 000~1 200 bar; (4)复位后水箱带压试漏时,开启循环水阀门,检查水箱盖密封处有无渗漏。
2.2 清洗难点及防控
高压水施工重点、难点是水箱盖拆除和复位,由于水箱盖体积和重量较大,且施工现场作业面狭窄,吊装作业难度大,每次吊装时需选择好倒链的悬挂位置,保证悬挂位置牢固可靠 ;高压水清洗作业时,存在高速水射流伤害风险,必须保证建搭安全可靠的工作面或平台;作业前对设备及配件进行安检及隐患排查,确保不出现意外失控的事故 ;严格遵守高压水射流安全操作规程,建立健全现场管理制度。高压水清洗工序设备及人员配备情况如表 2,单塔综合成本 65 000 元。通过简单分析,单法兰液位计水箱高压水清洗的成本过高,近乎与项目中标价接近,且施工中人员劳动密集程度高,工作强度大,水
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箱盖吊装存在风险,清洗质量很难保证存在波动。为改变目前困境,提高项目收益,急需研制一种更加有效的清洗方法,来满足生产需要和经济效益的可行性。
3 小型水垢溶解试验
通过对单法兰液位计工艺工况及结垢原理的分析,基本判定水箱钛管内壁的混合水垢主要成份为碳酸盐,其它还有硅酸盐、硫酸盐等,这些复合型水垢附着在钛管表面上,呈现为结晶致密、质地坚硬、附着牢固,点状表观,见图 2 水箱拆卸及钛管高压水清洗一定粗糙度的均匀水垢。
通过技术人员大量的现场实践数据总结与类似设备成功清洗案例的对照,我们认为该类型水垢完全可通过化学清洗方法有效清除,使钛管内壁水垢完全剥离呈现金属光面,从而达到高效换热的目的。技术人员进行了一系列的溶垢及清洗小型试验,以确定非常佳清洗方案。
3.1 小型溶垢试验及结果
溶垢试验的样品是从钛管内直接提取的,将一定质量的垢样分别放入不同的清洗溶剂内,进行浸泡清洗实验,实验中各烧杯内挂入 TA2 腐蚀试片,根据各组配方溶解程度的快慢来判断清洗现场清洗的效果,表 3 为各组配方溶垢结果。编号 6 对应的配方,各种原材料比例均衡。通过试验数据得知,在 40 ℃的溶液温度下经10 h 垢样溶解试验,通过称重法污垢溶解率达到 96%以上,完全满足单法兰液位计装置清洗的要求。
3.2 清洗主剂的考虑
根据各类清洗原材料的优缺点筛选,依照小型试验数据,我们选定了氨基磺酸作为清洗的主药剂,具有如运输成本少,现场存储及保管方便安全,施工操作简便等优点。
3.3 于硅酸盐的处理
根据污垢的成份判断及试验结果,清洗主剂对该类型污垢中的硅酸盐成份溶解有限,添加氟化物是必要的。我们选定的配方添加了一定比例的氢氟酸,能够有效地去除硅酸盐垢,也能促进垢层快速地从钛管表面脱离,使钛管的清洗能够彻底完全。
虽然氢氟酸对钛管有一定腐蚀,但添加的浓度较低,再加上缓蚀剂的作用,氢氟酸对钛管的腐蚀率完全可以控制在较低的范围内,试验数据证明是安全可靠的。
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3.4 清洗助剂
由于水垢的酸洗会反应出大量的气体,水箱内各层钛管呈水平布置,为了减少钛管顶部气阻对溶液与污垢接触、反应的影响,添加助剂 OP-10 来增大液体与污垢的接触面积,也能提高溶剂渗透能力,达到快速、全面除垢的效果。
4 化学清洗工艺与控制
单法兰液位计水箱钛管的化学清洗采用全充满循环清洗的工艺方法。清洗工序步骤为:碳化单塔系统停车—置换、隔离—建立清洗临时系统—水冲洗及检漏—酸洗除垢—酸洗后水冲洗—验收及复位。
4.1 清洗流程的设计
将需要清洗的单法兰液位计用钢管及高压软胶管连接循环水进出口,与清洗泵站出回水阀门相连接,利用清洗泵站进回液可切换的功能,将它们连接构成一个密闭的可正反循环清洗的系统。清洗设备应选择耐腐蚀的离心泵,泵的流量选择应根据国家及相关行业标准中对化学清洗的有关规定,通过计算,选择 Q =320 m 3 /h 的泵组作为本次化学清洗的适宜设备,通过清洗泵站提供给的较大流量,来满足单法兰液位计多级、水箱内多格栅的设计,满足了清洗的工艺中对清洗液非常低流速的要求。
4.2 洗控制条件及注意事项
(1)控制钛管内清洗流体流速应在 0.3~0.8 m/s 之间 ;(2)加药温度应在 35~38 ℃ ;清洗过程控制温度在45~52 ℃之间,清洗液温度严禁超过 55 ℃ ;(3)清洗时间控制在 12 h 之内,但应尽量缩短清洗时间,可通过观察钛管表面清洗程度来判断非常佳结束节点 ;(4)不参与清洗的设备部件,如调节阀、过滤器、压力表、温度计等测试、测量仪表均应拆除或抽芯。不参与清洗系统要确认能够有效隔离 ;(5)酸洗结束后应由下而上先进行水顶酸的冲洗,以防止钛管上部粘粘悬浮物体而影响清洗效果,待冲洗出水较澄清时可反向冲洗 ;(6)为有效减少气阻,应设置排气放空阀 ;应对清洗过程有效检测,尤其对铁离子浓度适时监测,若测得的 Fe 3+ 离子浓度大于 1 000 mg/L,应及时添加 Fe 离子还原剂(如Na 2 SO 3 等)或置换部分酸洗液,使 Fe 3+ 离子浓度小于500 mg/L ;确保化学清洗时,水箱基体及钛管的腐蚀速率应小于国家标准规定以下 ;(7)不同的单塔内钛管因工况不同而结垢程度不一,应事前了解或直接开盖检查钛管结垢情况,进而调节清洗工艺或清洗控制参数,达到清洗彻底而不过洗的效果 ;(8)严格控制酸洗主剂浓度,酸浓度过高,会产生大量氢气,酸雾严重,影响环境及损害操作人员的健康。由于水垢含硫,清洗时会产生 H 2 S 气体,要求清洗泵站及设备区域进行有毒有害气体的监测,防止人员中毒事件 ;另外酸洗会产生大量氢气等可燃性气体,需加强现场管理,防止发生意外。
5 清洗效果及经济效益
通过依次对 5 号、14 号、13 号单法兰液位计进行了化学清洗施工,经过清洗的 3 个单法兰液位计冷却工况效果均明显改善,冷却效率大幅度提高,冷取水耗能下降,循环水进出口温差有了很大提高。单法兰液位计冷却水温差变化如表4 所示,温差效果明显。图 3 为 13 号单法兰液位计钛管经过化学清洗后的表面状况,污垢清洗干净,钛管光洁如初。
 

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单法兰液位计的化学清洗对冷却水无任何污染,对设备材质及钛管均无破坏。清洗废液经中和处理后直排入碱厂污、浊水回用系统。
因碱厂的污水系统本身含有氨、石灰成分的性质,清洗废液主要成分与之兼容,其中的氟离子也能与污水中的石灰自行反应消融,对环境不构成危害,清洗废液的处理成本比较少。
与物理清洗比较,对单法兰液位计钛管的除垢化学清洗有着比较突出的优势与特性。表 5 为高压水清洗与化学清洗经济效益与社会效益的比较。
通过初步试验清洗积累了技术数据,在掌握技术要领后,对其余 15 座单法兰液位计依次用同样的方法进行化学清洗,清洗成本明显降低,清洗工期明显缩短,获得良好的经济效益和社会效益。
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