自动洗效技术在无水亚硫酸钠生产中的应用

郭胜旭，宋 莹，杨文阁，叶新军，高泽磊

（金川集团股份有限公司，甘肃金昌737100）

亚硫酸钠是一种重要的工业原料，广泛应用于建筑、造纸、水处理、印染、化工等多种行业，用作减水剂、还原剂、脱氧剂及稳定剂等。金川集团股份有限公司（以下简称金川集团）现有产能150 kt/a亚硫酸钠系统，利用金川集团火法冶炼系统产生的低浓度SO2烟气为原料，通过碳酸钠吸收生产无水亚硫酸钠固体产品，既解决了二氧化硫污染环境的问题，又给企业带来了一定的经济收益[1]。

在生产无水亚硫酸钠的蒸发工序，由于无机盐不断结晶析出在蒸发器器壁结垢，导致蒸发效率降低，蒸汽消耗增加，且传统的蒸发器洗效技术操作繁琐，又无法保证生产系统的连续运行。针对该问题，笔者提出了蒸发器自动洗效技术，利用蒸发过程中产生的二次蒸汽冷凝液对蒸发设备完成自动洗效，在保证生产系统正常运行的同时又降低了劳动负荷，在生产实践中取得了良好效果。

1 无水亚硫酸钠生产工艺流程

无水亚硫酸钠生产工艺流程见图1。

图1 无水亚硫酸钠生产工艺流程

火法冶炼系统产生的低浓度SO2烟气经过两级湿法洗涤后，进入吸收塔，与碳酸钠进行吸收反应，尾气达标排放。产生的吸收液（NaHSO3）与氢氧化钠进行中和、除杂，产生合格的中和液（Na2SO3）送往蒸发工序。蒸发工序采用双效蒸发器对中和液进行蒸发浓缩。浓缩液经过旋液分离器、离心分离机进行固液分离，分离后的饱和亚硫酸钠溶液作为母液送至蒸发工序回用，固体物料送入干燥系统去除物料中的水分。干燥后物料进入自动包装系统进行定量包装、码垛。

2 蒸发器结垢的原因与影响

2.1 蒸发器结垢原因

在蒸发过程中，亚硫酸钠溶液从低浓度向高浓度转变。随着水分的蒸发，溶液浓度逐渐升高，亚硫酸钠在溶液中的溶解度达到过饱和状态，从溶液中析出晶体，与其他杂质一起在蒸发器器壁上形成结垢物。

亚硫酸钠的溶解度曲线见图2[1]。

图2 亚硫酸钠溶解度曲线

2.2 蒸发器结垢对换热效果的影响

蒸发器结垢物按组成可分为水溶性垢和不溶性垢。水溶性垢是蒸发饱和溶液时所析出的盐类结晶，主要成分为Na2SO3和Na2SO4，可用水或未饱和亚硫酸钠溶液定期清洗。不溶性垢包括含有钙、镁、硅等元素的低溶解度盐类以及有机聚合物等，需要定期停车用酸、碱或机械方法清洗。不论是水溶性垢还是不溶性垢，都要在结垢初期根据具体情况进行清洗。已结垢的加热管流动阻力增大，造成流速下降，而流速下降又会使管路更容易结垢，如不及时进行管路清洗，则会导致整个管路被积垢堵塞，此时再进行清洗就非常困难了。

蒸发器器壁上附着的结垢物若不能得到有效去除，将会增加设备的热阻，降低换热效率。同时，还会阻碍反应物料的顺利流动，因此蒸发器结垢物的去除是影响系统稳定运行的重要因素。

2.3 蒸发器热阻分析

蒸发器的传热热阻可按下式计算[2]：

式中：K——传热系数，W/(m2·K)；

α0——管外侧流体给热系数，W/(m2·K)；

δ——管壁厚度，m；

λ——管壁材料热导率，W/(m2·K)；

Ri——管内壁垢层热阻，m2·K/kW；

αi——管内侧流体给热系数，W/(m2·K)。

管外蒸汽冷凝的热阻1/α0一般很小，但需注意及时排除加热室中的不凝性气体，否则不凝性气体在加热室内不断积累将使此项热阻明显增加。加热管壁的热阻δ/λ一般可以忽略，管内壁液体一侧的垢层热阻Ri取决于溶液的性质、垢层的结构及管内液体运动的状况。

以Na2SO3和Na2SO4为主要成分的结垢物黏稠度较高，附着在蒸发器器壁及蒸发器内加热列管管壁上难以清洗，极大地降低了换热间壁的热导率。垢层的多孔性是热导率降低的主要原因之一，即使垢层厚度为1～2 mm也具有较大的热阻。降低垢层热阻的方法是定期清理蒸发器内部，通过加快流体流动速度，使得反应结晶产物在生成更坚硬、难以清理的稳定垢层前被清洗除去。

蒸发器传统洗效工艺是指定时向蒸发工序加入水或冲洗剂进行蒸发器及管路冲洗，以使结垢物溶解，改善蒸发器及管道传热状况和物料通过能力。传统洗效工艺有助于蒸发过程的稳定进行，但必须严格控制加水量，否则过量的洗效水会打乱蒸发工序的正常运行规律，使蒸发工序生产组织紊乱，影响系统产量的同时造成生产系统成本增加。

蒸发器自动洗效技术是利用蒸发过程中产生的二次蒸汽冷凝液对蒸发器完成自动洗涤，在保证生产系统正常运行的同时又降低了劳动负荷，在生产实践中取得了良好效果。

3 自动洗效技术的应用

3.1 自动洗效技术工艺流程

针对高浓度亚硫酸钠溶液的特点，并结合氢氧化钠蒸发系统及其他类似工艺的蒸发洗效技术，金川集团采用以蒸发过程中二次蒸汽冷凝液为洗涤液的逆流自动洗效技术。该技术不仅可以循环利用蒸发过程的二次蒸汽冷凝液，同时也避免了因洗效水过量而影响蒸发系统的正常运行。自动洗效工艺流程见图3。

图3 自动洗效工艺流程

来自冷凝液储罐的二次蒸汽冷凝液管道并入强制循环泵入口，洗效后洗涤液管道自蒸发器出口接支管返回冷凝液储罐，二次蒸汽冷凝液在洗效过程中可以循环使用。在二次蒸汽冷凝液进强制循环泵入口、闪蒸罐进强制循环泵入口、循环浓缩液进闪蒸罐入口及洗涤液排液出口等处设置自动切断阀。

由图2亚硫酸钠溶解度曲线可知：33.4 ℃时亚硫酸钠的溶解度达到最高值。二次蒸汽冷凝液在换热冷凝后统一输送至二次蒸汽冷凝液储罐待回用，一般储罐内二次蒸汽冷凝液温度控制在35～45 ℃，此时二次蒸汽冷凝液对于亚硫酸钠的溶解度较高，利于洗效目的的实现。

利用该温度下的二次蒸汽冷凝液进行洗效，具有以下优点：①利用二次蒸汽冷凝液在强制循环泵增压后获得的压力进行冲洗；②最大量地溶解蒸发析出的结晶盐；③二次蒸汽冷凝液中ρ(Cl)＜0.5 mg/L，ρ(F)＜0.3 mg/L，氟、氯离子浓度较低，不会对蒸发器产生腐蚀等负面影响。

3.2 自动洗效技术工艺操作

当系统连续生产一段时间后，按以下步骤操作进行洗效：①减小蒸汽供给量后关闭亚硫酸钠溶液进蒸发工序阀门，使亚硫酸钠溶液暂时储存于系统前端的二级中间罐内；②打开二次蒸汽冷凝液进强制循环泵入口阀门(XV01)；③关闭闪蒸罐进强制循环泵入口阀门(XV02)；④关闭循环浓缩液进闪蒸罐阀门(XV03)；⑤打开洗涤液排液阀门(XV04)。

35～45 ℃的二次蒸汽冷凝液进入洗效系统，通过双效逆流浓缩系统的强制循环泵加压，对蒸发器管程内壁的附着物强制冲洗，洗涤液返回冷凝液储罐。通过二次汽冷凝液储罐进口上的视镜观察洗效后洗涤液澄清程度，待洗涤液基本清澈后停止洗效。在合理安排洗效频次的情况下，可在二级中间罐液位达上限前完成洗效。为防止二级中间罐冒罐，在洗效完成后依次进行以下操作：①打开闪蒸罐进强制循环泵入口阀门(XV02)；②打开浓缩循环酸进闪蒸罐入口阀门(XV03)；③关闭洗涤液排液阀门(XV04)；④关闭二次蒸汽冷凝液进强制循环泵入口阀门(XV01)；⑤恢复蒸汽的正常供给。

在生产系统连续运行时，岗位操作人员每3～4 d 进行一次自动洗效，洗效时长可控制在30 min内，较该技术实施前每天一次洗效大大减少了劳动负荷，同时取得了良好的洗效效果。

4 结论

自动洗效技术应用于无水亚硫酸钠生产的双效蒸发工序，具有以下优势：

1）利用强制循环泵对二次蒸汽冷凝液加压进行洗效，通过自动阀的切换，可在系统运行状态下，将循环浓缩主系统迅速切换至洗效系统，操作过程简单，避免了传统洗效大量繁复的操作。

2）较高温度的二次蒸汽冷凝液具有良好的洗涤效果，单次洗效时间不超过30 min，大大节省了洗效时间。

蒸发过程中自动洗效技术的应用实现了无水亚硫酸钠生产系统长周期的连续稳定运行，在保证了冶炼烟气达标治理的同时，还产生了可观的经济效益。