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淺析制堿裝置單法蘭液位計水箱的現場清洗實踐

作時間:2019-09-16  來源:  作者:
   
摘要 :本文闡述了制堿工業中的重堿工段單法蘭液位計水箱的工業清洗,通過對單法蘭液位計水箱清洗的現場分析與實踐總結,研究出一種合理的清洗方案,確定了一種比較經濟的單法蘭液位計水箱清洗方法,滿足清洗現場的實際要求。碳化工序是純堿生產裝置中較為復雜的工段,其單法蘭液位計的工藝工況尤其復雜。隨著塔內各物質相互變換的過程,如 CO 2 氣體的溶解與析出吸收等,NaHCO 3 的結晶反應更是整個裝置單元所需控制的關鍵,為保證碳化反應的有效進行,尤其是要保證結晶反應的高效,此因素極大影響著碳化轉化率的高低?刂平Y晶反應的重要手段之一是控制反應溫度,這就需要對單法蘭液位計進行冷卻,這是導出熱量的主要手段,過程的控制也就是對塔內循環水熱交換的控制程度,要求工藝設備的熱交換效率高,而水箱內鈦管內壁經過長期運行,產生大量的污垢,水垢很大程度制約了整個工藝的熱交換效率,采用清洗工藝對鈦管內壁的水垢進行清除是通常的檢修辦法。
1 設備現狀及結垢分析
1.1 目前設備現狀
我公司承攬的某純堿廠單法蘭液位計水箱鈦管清洗項目,該廠重堿工段采用氨堿法單法蘭液位計設備,冷卻水箱配置為8 個,采用了業界比較先進的鈦冷卻管,通過循環冷卻水將塔內的氨鹽水的溫度降低,傳熱效率大為提高,單20190916095526.jpg塔減少冷卻水箱至 8 個為一組,設備參數如表 1。通過現場實地踏勘,在清洗之前拆卸了兩個單塔的上下水箱蓋進行檢查,鈦管內壁附著一層灰白色硬垢,厚度約 1~2 mm,附著牢靠且均勻,鑄鐵水箱蓋及塔體壁面有大量結疤垢塊。水箱蓋外表面銹蝕嚴重,密封面緊固螺絲為 M20×100,螺絲通體嚴重腐蝕。鈦管內壁結垢情況見圖 1。
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1.2 設備垢樣分析
單法蘭液位計配置了循環冷卻水系統,主要靠冷卻水帶走塔內多余的溫度。在化工生產工藝中,循環水冷卻系統內均存在結垢現象。堿廠循環水所用原水為當地深層地下水,礦化度高,含大量鈣、鎂、鹽類,當冷卻管內循環水因溫度和溶解度的交替變化,這些物質便沉積在鈦管內壁上形成混合型污垢。其形成原因大概包括幾類 :第一類,隨溫度升高鹽類的溶解度降低而析出;第二類,礦物質膠狀物的沉淀 ;第三類,不同分散度的某些物質固體顆粒的粘結等。
由于冷卻水內還含有 SiO 2 ,該混合型污垢含硅酸鹽水垢。加上冷卻水補水夾帶的泥沙或懸浮物、塵土,加速了結垢的形成。水垢厚度達到 2 mm 時,傳熱損失約在 20% 以上。由于混合型污垢含硅酸鹽,采用普通化學清洗方法效果較差。
2 鈦材管水垢的高壓水清洗
堿廠設備在以往的檢修清洗經歷中,檢修單位都基本都采用 20% 的 HCl 溶液對鈦管進行化學清洗,施工安全風險大,設備腐蝕嚴重,除垢清洗效果不理想。本次單法蘭液位計鈦管除垢清洗,采用高壓水清洗工藝對單法蘭液位計內鈦管進行清洗。按照業主方要求對 15 號塔先用高壓水工藝進行施工,施工工序為 :碳化單塔系統停車—置換、隔離—搭建清洗施工操作平臺—割斷、剝離水箱蓋螺栓—拆卸水箱蓋—鈦管高壓水清洗—驗收及復位。圖 2 所示水箱拆卸及高壓水清洗操作。
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2.1 高壓水清洗施工工藝
系統停車及沖洗置換、系統隔離的工作均由業主方完成。清洗施工內容如下 :(1)水箱蓋拆除時采取自下而上拆除方式,因銹蝕嚴重,螺栓拆除采用等離子切割機全部割斷并人工剝離作業 ;(2)拆除過程遇高處作業搭設施工操作平臺,操作平臺采用活動腳手架,水箱蓋吊裝采用電動倒鏈,復位采用氣動風炮 + 敲擊扳手結合的方法 ;(3)高壓水清洗時采用柔型槍線 + 拋光型旋轉槍頭的清洗方法,對于內徑為 50 mm 的鈦管,選擇DN6 槍線 +M18 槍頭,壓力控制在 1 000~1 200 bar; (4)復位后水箱帶壓試漏時,開啟循環水閥門,檢查水箱蓋密封處有無滲漏。
2.2 清洗難點及防控
高壓水施工重點、難點是水箱蓋拆除和復位,由于水箱蓋體積和重量較大,且施工現場作業面狹窄,吊裝作業難度大,每次吊裝時需選擇好倒鏈的懸掛位置,保證懸掛位置牢固可靠 ;高壓水清洗作業時,存在高速水射流傷害風險,必須保證建搭安全可靠的工作面或平臺;作業前對設備及配件進行安檢及隱患排查,確保不出現意外失控的事故 ;嚴格遵守高壓水射流安全操作規程,建立健全現場管理制度。高壓水清洗工序設備及人員配備情況如表 2,單塔綜合成本 65 000 元。通過簡單分析,單法蘭液位計水箱高壓水清洗的成本過高,近乎與項目中標價接近,且施工中人員勞動密集程度高,工作強度大,水
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箱蓋吊裝存在風險,清洗質量很難保證存在波動。為改變目前困境,提高項目收益,急需研制一種更加有效的清洗方法,來滿足生產需要和經濟效益的可行性。
3 小型水垢溶解試驗
通過對單法蘭液位計工藝工況及結垢原理的分析,基本判定水箱鈦管內壁的混合水垢主要成份為碳酸鹽,其它還有硅酸鹽、硫酸鹽等,這些復合型水垢附著在鈦管表面上,呈現為結晶致密、質地堅硬、附著牢固,點狀表觀,見圖 2 水箱拆卸及鈦管高壓水清洗一定粗糙度的均勻水垢。
通過技術人員大量的現場實踐數據總結與類似設備成功清洗案例的對照,我們認為該類型水垢完全可通過化學清洗方法有效清除,使鈦管內壁水垢完全剝離呈現金屬光面,從而達到高效換熱的目的。技術人員進行了一系列的溶垢及清洗小型試驗,以確定非常佳清洗方案。
3.1 小型溶垢試驗及結果
溶垢試驗的樣品是從鈦管內直接提取的,將一定質量的垢樣分別放入不同的清洗溶劑內,進行浸泡清洗實驗,實驗中各燒杯內掛入 TA2 腐蝕試片,根據各組配方溶解程度的快慢來判斷清洗現場清洗的效果,表 3 為各組配方溶垢結果。編號 6 對應的配方,各種原材料比例均衡。通過試驗數據得知,在 40 ℃的溶液溫度下經10 h 垢樣溶解試驗,通過稱重法污垢溶解率達到 96%以上,完全滿足單法蘭液位計裝置清洗的要求。
3.2 清洗主劑的考慮
根據各類清洗原材料的優缺點篩選,依照小型試驗數據,我們選定了氨基磺酸作為清洗的主藥劑,具有如運輸成本少,現場存儲及保管方便安全,施工操作簡便等優點。
3.3 于硅酸鹽的處理
根據污垢的成份判斷及試驗結果,清洗主劑對該類型污垢中的硅酸鹽成份溶解有限,添加氟化物是必要的。我們選定的配方添加了一定比例的氫氟酸,能夠有效地去除硅酸鹽垢,也能促進垢層快速地從鈦管表面脫離,使鈦管的清洗能夠徹底完全。
雖然氫氟酸對鈦管有一定腐蝕,但添加的濃度較低,再加上緩蝕劑的作用,氫氟酸對鈦管的腐蝕率完全可以控制在較低的范圍內,試驗數據證明是安全可靠的。
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3.4 清洗助劑
由于水垢的酸洗會反應出大量的氣體,水箱內各層鈦管呈水平布置,為了減少鈦管頂部氣阻對溶液與污垢接觸、反應的影響,添加助劑 OP-10 來增大液體與污垢的接觸面積,也能提高溶劑滲透能力,達到快速、全面除垢的效果。
4 化學清洗工藝與控制
單法蘭液位計水箱鈦管的化學清洗采用全充滿循環清洗的工藝方法。清洗工序步驟為:碳化單塔系統停車—置換、隔離—建立清洗臨時系統—水沖洗及檢漏—酸洗除垢—酸洗后水沖洗—驗收及復位。
4.1 清洗流程的設計
將需要清洗的單法蘭液位計用鋼管及高壓軟膠管連接循環水進出口,與清洗泵站出回水閥門相連接,利用清洗泵站進回液可切換的功能,將它們連接構成一個密閉的可正反循環清洗的系統。清洗設備應選擇耐腐蝕的離心泵,泵的流量選擇應根據國家及相關行業標準中對化學清洗的有關規定,通過計算,選擇 Q =320 m 3 /h 的泵組作為本次化學清洗的適宜設備,通過清洗泵站提供給的較大流量,來滿足單法蘭液位計多級、水箱內多格柵的設計,滿足了清洗的工藝中對清洗液非常低流速的要求。
4.2 洗控制條件及注意事項
(1)控制鈦管內清洗流體流速應在 0.3~0.8 m/s 之間 ;(2)加藥溫度應在 35~38 ℃ ;清洗過程控制溫度在45~52 ℃之間,清洗液溫度嚴禁超過 55 ℃ ;(3)清洗時間控制在 12 h 之內,但應盡量縮短清洗時間,可通過觀察鈦管表面清洗程度來判斷非常佳結束節點 ;(4)不參與清洗的設備部件,如調節閥、過濾器、壓力表、溫度計等測試、測量儀表均應拆除或抽芯。不參與清洗系統要確認能夠有效隔離 ;(5)酸洗結束后應由下而上先進行水頂酸的沖洗,以防止鈦管上部粘粘懸浮物體而影響清洗效果,待沖洗出水較澄清時可反向沖洗 ;(6)為有效減少氣阻,應設置排氣放空閥 ;應對清洗過程有效檢測,尤其對鐵離子濃度適時監測,若測得的 Fe 3+ 離子濃度大于 1 000 mg/L,應及時添加 Fe 離子還原劑(如Na 2 SO 3 等)或置換部分酸洗液,使 Fe 3+ 離子濃度小于500 mg/L ;確;瘜W清洗時,水箱基體及鈦管的腐蝕速率應小于國家標準規定以下 ;(7)不同的單塔內鈦管因工況不同而結垢程度不一,應事前了解或直接開蓋檢查鈦管結垢情況,進而調節清洗工藝或清洗控制參數,達到清洗徹底而不過洗的效果 ;(8)嚴格控制酸洗主劑濃度,酸濃度過高,會產生大量氫氣,酸霧嚴重,影響環境及損害操作人員的健康。由于水垢含硫,清洗時會產生 H 2 S 氣體,要求清洗泵站及設備區域進行有毒有害氣體的監測,防止人員中毒事件 ;另外酸洗會產生大量氫氣等可燃性氣體,需加強現場管理,防止發生意外。
5 清洗效果及經濟效益
通過依次對 5 號、14 號、13 號單法蘭液位計進行了化學清洗施工,經過清洗的 3 個單法蘭液位計冷卻工況效果均明顯改善,冷卻效率大幅度提高,冷取水耗能下降,循環水進出口溫差有了很大提高。單法蘭液位計冷卻水溫差變化如表4 所示,溫差效果明顯。圖 3 為 13 號單法蘭液位計鈦管經過化學清洗后的表面狀況,污垢清洗干凈,鈦管光潔如初。
 

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單法蘭液位計的化學清洗對冷卻水無任何污染,對設備材質及鈦管均無破壞。清洗廢液經中和處理后直排入堿廠污、濁水回用系統。
因堿廠的污水系統本身含有氨、石灰成分的性質,清洗廢液主要成分與之兼容,其中的氟離子也能與污水中的石灰自行反應消融,對環境不構成危害,清洗廢液的處理成本比較少。
與物理清洗比較,對單法蘭液位計鈦管的除垢化學清洗有著比較突出的優勢與特性。表 5 為高壓水清洗與化學清洗經濟效益與社會效益的比較。
通過初步試驗清洗積累了技術數據,在掌握技術要領后,對其余 15 座單法蘭液位計依次用同樣的方法進行化學清洗,清洗成本明顯降低,清洗工期明顯縮短,獲得良好的經濟效益和社會效益。
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