淺析制堿裝置單法蘭液位計水箱的現(xiàn)場清洗實踐

摘要 ：本文闡述了制堿工業(yè)中的重堿工段單法蘭液位計水箱的工業(yè)清洗，通過對單法蘭液位計水箱清洗的現(xiàn)場分析與實踐總結(jié)，研究出一種合理的清洗方案，確定了一種比較經(jīng)濟的單法蘭液位計水箱清洗方法，滿足清洗現(xiàn)場的實際要求。碳化工序是純堿生產(chǎn)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(nèi)各物質(zhì)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(jié)晶反應更是整個裝置單元所需控制的關(guān)鍵，為保證碳化反應的有效進行，尤其是要保證結(jié)晶反應的高效，此因素極大影響著碳化轉(zhuǎn)化率的高低�？刂平Y(jié)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(nèi)循環(huán)水熱交換的控制程度，要求工藝設(shè)備的熱交換效率高，而水箱內(nèi)鈦管內(nèi)壁經(jīng)過長期運行，產(chǎn)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(nèi)壁的水垢進行清除是通常的檢修辦法。

1 設(shè)備現(xiàn)狀及結(jié)垢分析

1.1 目前設(shè)備現(xiàn)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(shè)備，冷卻水箱配置為8 個，采用了業(yè)界比較先金的鈦冷卻管，通過循環(huán)冷卻水將塔內(nèi)的氨鹽水的溫度降低，傳熱效率大為提高，單塔減少冷卻水箱至 8 個為一組，設(shè)備參數(shù)如表 1。通過現(xiàn)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(nèi)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(jié)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(nèi)壁結(jié)垢情況見圖 1。

1.2 設(shè)備垢樣分析

單法蘭液位計配置了循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，主要靠冷卻水帶走塔內(nèi)多余的溫度。在化工生產(chǎn)工藝中，循環(huán)水冷卻系統(tǒng)內(nèi)均存在結(jié)垢現(xiàn)象。堿廠循環(huán)水所用原水為當?shù)厣顚拥叵滤�，礦化度高，含大量鈣、鎂、鹽類，當冷卻管內(nèi)循環(huán)水因溫度和溶解度的交替變化，這些物質(zhì)便沉積在鈦管內(nèi)壁上形成混合型污垢。其形成原因大概包括幾類 ：地衣類，隨溫度升高鹽類的溶解度降低而析出；第二類，礦物質(zhì)膠狀物的沉淀 ；第三類，不同分散度的某些物質(zhì)固體顆粒的粘結(jié)等。

由于冷卻水內(nèi)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(jié)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(shè)備在以往的檢修清洗經(jīng)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(shè)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(nèi)鈦管進行清洗。按照業(yè)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(tǒng)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。

2.1 高壓水清洗施工工藝

系統(tǒng)停車及沖洗置換、系統(tǒng)隔離的工作均由業(yè)主方完成。清洗施工內(nèi)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(yè) ；（2）拆除過程遇高處作業(yè)搭設(shè)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(jié)合的方法 ；（3）高壓水清洗時采用柔型槍線 + 拋光型旋轉(zhuǎn)槍頭的清洗方法，對于內(nèi)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(huán)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(xiàn)場作業(yè)面狹窄，吊裝作業(yè)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(yè)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(yè)前對設(shè)備及配件進行安檢及隱患排查，確保不出現(xiàn)意外失控的事故 ；嚴格遵守高壓水射流安全操作規(guī)程，建立健全現(xiàn)場管理制度。高壓水清洗工序設(shè)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

箱蓋吊裝存在風險，清洗質(zhì)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(chǎn)需要和經(jīng)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(jié)垢原理的分析，基本判定水箱鈦管內(nèi)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(xiàn)為結(jié)晶致密、質(zhì)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(shù)人員大量的現(xiàn)場實踐數(shù)據(jù)總結(jié)與類似設(shè)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(nèi)壁水垢完全剝離呈現(xiàn)金屬光面，從而達到高效換熱的目的。技術(shù)人員進行了一系列的溶垢及清洗小型試驗，以確定#佳清洗方案。

3.1 小型溶垢試驗及結(jié)果

溶垢試驗的樣品是從鈦管內(nèi)直接提取的，將一定質(zhì)量的垢樣分別放入不同的清洗溶劑內(nèi)，進行浸泡清洗實驗，實驗中各燒杯內(nèi)掛入 TA2 腐蝕試片，根據(jù)各組配方溶解程度的快慢來判斷清洗現(xiàn)場清洗的效果，表 3 為各組配方溶垢結(jié)果。編號 6 對應的配方，各種原材料比例均衡。通過試驗數(shù)據(jù)得知，在 40 ℃的溶液溫度下經(jīng)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(jù)各類清洗原材料的優(yōu)缺點篩選，依照小型試驗數(shù)據(jù)，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(xiàn)場存儲及保管方便安全，施工操作簡便等優(yōu)點。

3.3 于硅酸鹽的處理

根據(jù)污垢的成份判斷及試驗結(jié)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(nèi)，試驗數(shù)據(jù)證明是安全可靠的。

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(nèi)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(huán)清洗的工藝方法。清洗工序步驟為：碳化單塔系統(tǒng)停車—置換、隔離—建立清洗臨時系統(tǒng)—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(shè)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(huán)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(gòu)成一個密閉的可正反循環(huán)清洗的系統(tǒng)。清洗設(shè)備應選擇耐腐蝕的離心泵，泵的流量選擇應根據(jù)guojia及相關(guān)行業(yè)標準中對化學清洗的有關(guān)規(guī)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(shè)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(nèi)多格柵的設(shè)計，滿足了清洗的工藝中對清洗液#低流速的要求。

4.2 洗控制條件及注意事項

（1）控制鈦管內(nèi)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(nèi)，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#佳結(jié)束節(jié)點 ；（4）不參與清洗的設(shè)備部件，如調(diào)節(jié)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(tǒng)要確認能夠有效隔離 ；（5）酸洗結(jié)束后應由下而上先金行水頂酸的沖洗，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(shè)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(jiān)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 ；確保化學清洗時，水箱基體及鈦管的腐蝕速率應小于guojia標準規(guī)定以下 ；（7）不同的單塔內(nèi)鈦管因工況不同而結(jié)垢程度不一，應事前了解或直接開蓋檢查鈦管結(jié)垢情況，進而調(diào)節(jié)清洗工藝或清洗控制參數(shù)，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(chǎn)生大量氫氣，酸霧嚴重，影響環(huán)境及損害操作人員的健康。由于水垢含硫，清洗時會產(chǎn)生 H 2 S 氣體，要求清洗泵站及設(shè)備區(qū)域進行有毒有害氣體的監(jiān)測，防止人員中毒事件 ；另外酸洗會產(chǎn)生大量氫氣等可燃性氣體，需加強現(xiàn)場管理，防止發(fā)生意外。

5 清洗效果及經(jīng)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(jīng)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(huán)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(jīng)過化學清洗后的表面狀況，污垢清洗干凈，鈦管光潔如初。

 

 

單法蘭液位計的化學清洗對冷卻水無任何污染，對設(shè)備材質(zhì)及鈦管均無破壞。清洗廢液經(jīng)中和處理后直排入堿廠污、濁水回用系統(tǒng)。

因堿廠的污水系統(tǒng)本身含有氨、石灰成分的性質(zhì)，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(huán)境不構(gòu)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(yōu)勢與特性。表 5 為高壓水清洗與化學清洗經(jīng)濟效益與社會效益的比較。

通過初步試驗清洗積累了技術(shù)數(shù)據(jù)，在掌握技術(shù)要領(lǐng)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(jīng)濟效益和社會效益。