影响重灰生产的关键因素——原料质量

杨 斌

(大连大化工程设计有限公司,辽宁 大连 116031)

影响重灰生产的关键因素
——原料质量

杨 斌

(大连大化工程设计有限公司,辽宁 大连 116031)

通过对重灰生产过程中所出现的“结球”、“拉稀”、“结疤”、“黏壁”现象导致的操作条件恶化甚至停车根源的剖析,提出影响重灰操作的关键因素是原料质量,介绍了严把原料入口关的实践体会,旨在提醒重灰生产企业避免重蹈覆辙带来的操作麻烦和生产损失。

重质纯碱;水合法;原料质量;重碱

在我国,重质纯碱生产通常以水合法为主,少数企业采用挤压法。

以轻质纯碱为原料的水合法重质纯碱生产工艺主要有两种:一是固相水合法,二是液相水合法。无论是固相水合还是液相水合都遵循下列反应:

1 正常情况下的水合操作

在重质纯碱生产中,水合率的高低、一水碱结晶的产生与生长、后续干燥系统的运行能否正常,主要取决于水合这一关键步骤。从某种意义上说,水合操作是控制整个重质纯碱生产系统运行指标和最终产品质量的关键。

1.1 固相水合

在固相水合生产中,为了兼顾水合率和干燥能耗2个因素,水的加量通常是受控的,一般控制水碱比在(300～400)∶1 000,水的过量比例为理论值(170)的0.76～1.35倍。在机头处,当工艺水和原料轻质纯碱按适当比例混合,借助水合机约5 r/min的回转翻动,水合反应便在90～95℃条件下迅速进行,生成的一水碱结晶晶莹剔透,不断从机尾涌出,进入后续干燥脱水系统。虽说工艺水加入到比自身体积大6倍的原料之中,分散度达到完全均匀是很难的,但随着技术、设备的引进与完善,在DCS的自控条件下,利用腰鼓形水合机制得达到国标要求的重质纯碱产品,其水合质量是不成问题的。

1.2 液相水合

在液相水合生产中,由于水碱比远大于理论值,水合率很容易达到100%,原料轻质纯碱一经进入水合器,在双重搅拌的作用下立即与循环碱液发生水合反应并形成一水碱结晶,根据含盐量要求控制适宜的母液置换比例,从底部取出晶浆经分离干燥,即可得到粒度均匀、结晶致密、不同含盐量的低盐重质纯碱或超低盐重质纯碱产品。现今,液相水合过程也基本实现了DCS操作。

2 重灰生产操作中经常出现的问题

2.1 经常出现的结球现象

在水合操作中经常会遇到这样一种状况:良好的操作指标突然间恶化,一直运行正常的固相水合机会在短时间内突然出现“结球”、“拉稀”现象,液相水合器会突然出现“结疤”、“黏壁”现象,原本晶莹剔透的一水碱结晶突然变成不透明的白色,碱球大小不一,从几毫米到几厘米,有的甚至从几厘米到几十厘米,严重时导致水合机抱死、下料不畅、管道堵塞,机内及周围各种碱球堆积如山。操作条件的恶化不仅使水合操作无法继续,而且危及后续分离干燥系统的正常运行,有时造成重灰干燥炉内部蒸汽盘管堵死,全线停车。工人们不得不用近10 m的长钎等多种工具清理结疤、疏通通道、检修设备,少则几天,多则十几天,耗用了大量的人力物力,造成了巨大的原材料损失。

2.2 处理方式

连续运行多时的水合系统,为什么会突然之间“结球”、“拉稀”、“结疤”、“黏壁”呢?操作条件究竟发生了什么变化?究竟是什么原因会导致该现象的发生?有人认为是操作参数设定错误或岗位操作人员失职,也有人认为是工艺水中碱浓度过高影响了水合反应的进行,甚至有人怀疑设计有问题或设备结构不合理。

经调查了解知,该事故的发生经历大致相同:水合系统的操作参数在系统运行正常后已被确定,没有特殊原因不做变动,事故当时原有的设定参数尤其是水碱比并未做过调整;有时发现水合系统不正常立即查找原因,经常是原因尚未查到、参数未来得及调整,系统便一点点地自动好转,直至正常;有时操作无法控制导致全线停车,必须进行清“疤”复产。有的企业对重灰装置的全套流程设备进行梳理,将认为有问题的设备进行改造,期待着再次开车会有所好转;有的企业将回收利用的含碱工艺水换成了新鲜软化水……,各种手段都用上仍时好时坏,未从根本上解决问题。有的企业甚至几个月都无法正常运行。

各种原因、多种解释一次次提出,又一个个被否定,事故原因久查无果,许多企业陷入了迷茫之中。

3 试验与剖析

3.1 原因分析

为了早日找到事故根源将重灰生产损失降至最小,笔者首先从设计角度对工艺方案、配套设备、操作指标乃至开车顺序等诸多方面进行了全面的综合分析,依然找不到令人满意的答案。后来,一位曾做过煅烧工的前辈给予了提示:以前在煅烧炉操作中也曾出现过黏炉、起球现象,分析原因可能是重碱与返碱在一定条件下生成了倍半碳酸钠所致。难道重灰水合生产中也会有类似现象出现?

顺着这一思路,比照轻灰煅烧出现的问题进一步的分析认为:在重质纯碱生产系统中有重碱存在不是没有可能。因为水合的原料为轻质纯碱,当轻灰煅烧炉温度偏低时重碱煅烧不完全、出现烧失量高的低温碱是煅烧操作中可能出现的现象之一,尤其在超负荷运行、汽源不足以及倒炉的过程中。当未达合格、含有重碱的轻质纯碱原料进入重灰系统后,第一步就是进入水合机内与水进行水合反应,此时随轻灰带入的重碱首先与轻质纯碱发生反应生成白色的倍半碳酸钠:

而生成的倍半碳酸钠其黏度较高,极易结球、黏壁。

3.2 对比试验

为了证实这个推论,笔者到生产现场分别取来刚出炉的轻质纯碱和尚未进炉的重碱样品,在玻璃瓶中以不同重碱比例的轻灰原料模拟水合反应做了初步对比试验,试验结果如下:

1)以重碱含量为零的轻质纯碱、即质量合格的轻质纯碱为原料与水进行水合反应时,开始反应速度缓慢,不易搅拌,随即反应速度加快,温度迅速上升,一水碱结晶很快生成,随着搅拌的继续,物料颜色逐渐由白色变成了透明,清晰听见“刷刷”的搅拌声音,反应结束,菱形一水碱结晶粒度均匀、晶莹剔透且不黏玻璃瓶壁。

2)当逐渐加大重碱比例的轻质纯碱与水进行水合反应时,反应速度越来越慢,水合反应率越来越小,温升也逐步变小,搅拌越来越难,后来则无法搅动,颜色越来越白。随着重碱比例的再次增高,几乎看不到一水碱结晶的生成,物料一部分结成了球,另一部分则黏在了玻璃瓶壁上。

原来,重碱与轻灰形成的倍半碳酸钠不仅是引起结球、黏壁的元凶,而且具有恶化水合操作条件、抑制水合反应的作用。由于水合率大为降低,水合机出料则是水合产物一水碱与倍半碳酸钠、轻灰和水的混合物,严重时出现“拉稀”现象,且外观颜色发白就不足为奇了。由此可见,随轻灰原料带入的重碱的确在水合过程中起到了不可忽视的破坏作用。

3.3 现场验证

为了进行现场核对进一步验证前述结论的真实性,笔者将某厂前期开车过程中形成的大小碱球进行了剖析观察和成分检验,结果如下:

1)所结碱球不仅大小不一,硬度也不相同,有的坚硬有的疏松;每个球内至少包裹1个或多个直径2～3 mm的小白点,类似蛋黄内的小圆芯,碱球则围绕一个个圆芯越滚越大;有的碱球断面内还伴有一层层白暗相间的圆圈,类似树的年轮。

2)将诸多碱球送化验室分析重碱含量,检测数据表明:各球内均含有不同比例的重碱成分,球越大、颜色越白,重碱含量越高,最高者超过了5%。

4 应用与建议

既然影响重灰生产的关键因素是原料质量问题,生产中就要严把原料关。

4.1 生产应用及效果

在改良固相水合法生产现场,笔者曾以所得结论为依据,在客户排队等碱需要加大生产负荷的情况下,实时监控轻灰煅烧炉的出碱温度,严格控制轻灰质量,不合格的轻灰不得进入重灰系统。待合格的轻灰原料进入水合系统后,水合反应稳定正常,晶莹剔透的一水碱结晶均匀地涌入后续调浆桶,经离心分离及脱水干燥,得到了合格的重灰产品,全套重灰系统稳定正常,使几个月不能正常连续运行的重灰系统实现了一次开车成功。以往水合率低、结晶质量差、结疤堵管、粒度不达标、产品质量不合格等一系列操作难题迎刃而解。

为了最大限度地减少母液置换量进而减少原料损失,生产中还以不同含碱量的水作为反应用水送入水合机进行水合反应的尝试,即将改良固相水合系统排放的母液与工艺水兑合为不同碱浓度的水,反复进行生产测试。结果表明,只要轻灰原料质量没有问题,操作条件维持不变,同样可以获取粒度相同的一水碱结晶,任何浓度的碱水对水合过程几乎不产生任何不良影响,其原理由液相水合的反应机理可以得到圆满解释。

以母液与工艺水兑合方式进行低盐重质纯碱的生产方法,笔者先后在3套改良固相水合法的重灰生产中进行了成功应用。生产实践证明,该措施不仅能够生产出符合国标要求的低盐重质纯碱产品,而且通过母液置换量的灵活调整,可以生产出不同含盐量的重质纯碱产品,同时可将高盐碱卤的排放量控制到最低。

4.2 建议

随着客户对纯碱产品质量的要求越来越高,面对纯碱市场的激烈竞争,纯碱产品的低盐化、重质化成为企业提高竞争力的重要途径,因而重质纯碱生产装置不断建立。为了实现重灰系统的清洁文明生产,避免重灰生产重蹈覆辙以造成更大的人力物力和资源浪费,建议如下:

1)严把原料入口关,质量不合格的轻质纯碱原料坚决不能进入重灰生产系统(包括固相水合和液相水合系统),尤其应特别注意轻灰煅烧炉倒炉前后的出碱温度是否超过180℃,或烧失量是否控制在<0.5%。若发现原料质量有问题,须立即关闭入料阀并将其改送纯碱成品系统,从源头控制住影响水合操作的关键因素,避免造成重灰生产系统的操作紊乱。

2)在保证操作参数设值正确、水合反应正常的前提下,随时监视水合机/器内的反应温度是否稳定,巡检时注意倾听水合机内或一水碱运输设备内的物料磨擦声音是否均匀有序,查看一水碱结晶的颜色是否透明、颗粒是否均匀。若温度出现下降趋势,或声音异常、结晶发白,则需立即检查进料轻灰的质量,必要时与轻灰岗位联系解决。

3)定期关注重灰产品的重度和粒度筛分结果,若出现重度降低、粒度不均匀等现象,说明水合反应出现异常,必须尽快进行重灰系统的全面检查,及早发现问题、及早解决,以避免事故的扩大蔓延及全线停车。

5 结 论

通过一系列理论研究及试验、验证,以轻质纯碱为原料的水合法重灰生产装置,在工艺方案和设备配置合理的前提下,无论是采用固相水合还是液相水合法,引起重灰生产系统的不正常运行、甚至导致全线停车的主要症结在于水合过程,而导致水合操作不正常的关键因素就是随轻灰原料带入的重碱,可以断定:带入重灰系统的重碱是引起整个重灰系统操作紊乱致使生产成本提高、产品质量不合格、劳动强度增大的重要因素。所以,在水合法重质纯碱生产中,严格控制进入系统的原料质量是重中之重。

TQ 114.1

B

1005-8370(2010)04—22—03

2010-06-13

杨 斌(1956—),副总工程师,1982年1月毕业于大连理工大学,从事设计、技术工作近30年。