浅谈重碱脱水工艺

浅谈重碱脱水工艺

随着国外大型离心分离器在我国的成功应用，以及国内大型离心分离器的研究和开发，大型多钟离心分离器在纯碱行业的应用越来越受欢迎。多级推料离心机应用于纯碱生产过程中的重碱脱水有两种工艺流程,即用于重碱的一次脱水和重碱二次脱水。推料离心机用于重碱一次脱水的技术研究,早在上世纪80、90年代,大连化工研究设计院就对重碱料浆用多级推料离心机直接脱水分离重碱进行研究试验。但是由于当时没有大型推料离心机,试验只能在小型推料离心机上进行试验,试验取得一定的进展。推料离心机用于重碱的二次脱水,是在上世纪90年代初首先由山东海化集团纯碱厂和青岛碱业股份有限公司引进了瑞士苏尔寿公司(现瑞士福莱姆公司)三级推料离心机并应用于实际生产。后又有唐山三友化工股份有限公司碱厂引进荷兰筛得力公司的两级推料离心机,连云港纯碱厂引进德国克玛公司的两级推料离心机。还有其他联碱厂采用国外的、直径1000mm的多级推料离心机。离心机用于重碱脱水的两种工艺流程都是为了降低重碱脱水后的水分含量,达到煅烧炉提高能力,降低蒸汽消耗的目的。经过近几年的技术不断改进,离心机用于重碱的二次脱水已经成为成熟的工艺技术,而且成为节能降耗技术改造的趋势。国外的离心机厂商近几年对推料离心机用于重碱一次脱水进行了不少的研究,其研究课题主要是针对离心机的性能。技术人员根据重碱的结晶质量和粒径分布,对离心机的筛网开孔率、筛网孔径、分离因数、布料盘等等进行了相当多的研究,并取得进展,获取了较多的技术数据,其离心机性能正逐渐满足重碱物化指标的要求。而多级推料离心机用于重碱的一次脱水的工艺技术仍然在研究之中,进展相对缓慢。要推动这种新工艺路线的发展,必须将两种工艺路线进行比较,提出问题所在及利弊比较,使得两种工艺路线都能在纯碱生产中发挥出作用。本文主要是对多级推料离心机用于重碱的一次脱水的工艺上需要考虑的问题进行分析,以引起行业中工程技术人员的重视,期待得以解决。1推料离心分离器用于重碱脱水过程1.1重碱二次脱水国内纯碱行业使用大型推料离心机用于重碱二次脱水工艺流程如图1。能力与指标:目前行业中某些纯碱厂使用较好的德国生产的直径1m的两级推料离心机用于重碱二次脱水,能力可达到37t/h(重碱),重碱二次脱水可降低水分5%~6%。重碱二次脱水后,一般水分可达到13%~14%。1.2推料式机械液的脱水工艺对于国外离心机技术的研究成果,国内纯碱工程技术人员提出用推料式离心机对碳化出碱液进行一次脱水工艺路线,直接得到水分约为12%的重碱。其工艺流程见图2。图2流程还只是一个设计流程,有待于进一步改进完善。2工艺设施的研究离心机生产厂家对离心机的研究主要是针对离心机的设备性能方面的研究,基于碳化出碱液的物化指标,对离心机的筛网结构、开孔率、分离因数、能力以及检修维护等等,都有与之相应的开发研究。但是离心机的作业与工序配套,需要其他工艺设施满足离心机的工况要求,这需要纯碱工艺工程师进行研究。需引起足够重视的有如下方面:2.1旋液稠厚器的设计碳化塔的后续工序必须要有足够的操作弹性以适用碳化塔的负荷波动。传统的工艺路线是碳化出碱液经出碱槽、流槽进各真空滤碱机的碱槽。出碱槽、流槽以及真空滤碱机碱液槽不仅起到了碱液的分配作用,同时因为有相当大的缓冲空间,缓解了碳化塔的负荷波动。而多级推料离心机对出碱液的固液比也要求比较严格,一旦进料固液比发生变化超出离心机允许的范围,推料离心机布料会受到严重影响,产生震动无法正常作业。特别是在固液比超出低限时,对推料离心机平稳作业影响更大。因此在推料离心机前必须配置有足够缓冲量并达到稠厚效率的稠厚装置,稠厚器的效率往往决定着离心机的能力大小和平稳作业的状况。多级推料离心机稠厚器的设计是比较困难的。稠厚器的设计必须兼顾碱液的固液比和缓冲能力。稠厚器的搅拌强度是根据碳化结晶质量而设计的,并且是依据碳化出碱液的总量设计稠厚器的停留时间。但是碳化塔的出碱量的波动是必然的,尤其是碳化塔在其他外部工艺条件发生变化时,碳化塔的结晶质量也随之发生变化,碱液量也发生相对变化。这种波动对稠厚器的影响是极大的。离心机的能力也是决定着碳化稠厚器的设计配置。当离心机处于正常的稳定作业时,对稠厚器的容积缓冲要求和搅拌强度是一个常数。但是如果当离心机出现震动不正常作业时,所采取的必须手段是停止离心机进液,当一台离心机停止作业时,稠厚器的缓冲作用必须能够满足减少一台离心机的作业量,而尽量减少碳化出碱液的收量。这对稠厚器的设计是相当困难的。设计不好会造成稠厚器晶浆溢流或稠厚器沉积堵塞。在液相法重质纯碱一水碱离心机的稠厚器设计时,有采用旋液稠厚器的工艺设计,这种旋液稠厚器经实际应用效果很好。而这种旋液稠厚器应用于碳化出碱液的工艺流程,存在一定的技术难度。液相法生产重质纯碱过程中,一水碱是经过一个结晶器生成的,而结晶器本身就是一个缓冲器,当离心机不能正常作业时,旋液稠厚器可停止作业,旋液泵可返回至结晶器。而如果碳化塔出碱液也采用旋液稠厚器的配置,每一台离心机要配置单独的旋液泵和旋液稠厚器;要配置单独的返回管线;要配置足够容积的碱液桶以作为旋液稠厚器停止作业时的缓冲容器。工艺流程比较复杂,设计难度也相对较高。推料离心机用于碳化出碱液一次脱水的稠厚器必须引起重视,各个纯碱厂的碳化出碱液的物化性质有所差异,在设计时需进行试验测定,避免影响整个碳化滤过工序的正常作业。2.2推料离心大型化和高效能与液相法生产重质纯碱工艺相比,重碱结晶粒径平均为80~100μm,而一水碱平均粒径是重碱的4~5倍。目前,一水碱使用进口φ1000大型推料离心机的能力约为25t/h,而用于碳化出碱液还没有准确的能力数据,如果按一水碱的离心机能力来看,由于碳化出碱液的结晶粒度小,离心机的筛网开孔率就要小,这势必影响离心机的能力。如果每台离心机能够达到18t/h重碱,一个60万t/a的纯碱厂要配置9台φ1000推料离心机,开8备1。这相对真空过滤机的配置,即配置4台20m2新型真空过滤机,开3备1,其数量增加1倍。而且需要有足够的安装空间。因此离心机的能力开发仍然是离心机生产厂家研发的目标,只有推料离心机大型化、高效能,才可实现替代真空滤碱机工艺路线。需要强调的是,如果采用推料离心机对重碱进行二次脱水,并达到比较理想的重碱含水分指标,60万t/a的纯碱厂至少要配置4台φ1000推料离心机。2.3变大于重碱细晶回收碳化出碱液分离后的母液含重碱细晶的问题,始终是一个难以解决的技术难题。几十年来,各个纯碱厂都曾经设计和实施了母液中重碱细晶的回收装置。但是使用效果不尽如意,到目前为止还没有成熟可靠的母液中重碱细晶回收装置。因此用离心机分离重碱后,母液中含有的重碱细晶不得不引起足够的重视。离心机的筛网缝隙与真空滤碱机的滤布相比,其网目数要大得多,况且离心机进液的布料盘是在高速运转中布料,其颗粒结晶对筛网的冲击力也远远大于真空吸附,这种布料时的冲击更会造成结晶颗粒从筛网上的穿透,增加了穿透损失。据一水碱和小苏打推料离心机的实际应用,结晶颗粒的穿透量≥10%。如果要提高离心机的能力,加大开孔率和开孔缝隙,那么结晶颗粒的穿透损失会更大。与一水碱和小苏打离心工艺不同的是,碳化滤过母液为非循环流程,因此离心母液中的重碱细晶回收是必须的。解决的办法只能是在离心机后再设真空过滤机,对离心后的母液进行二次分离。真空过滤机的配置数量需要根据不同离心机离心液的含固量进行试验配置,目前没有成熟的经验数据。而如果要配置更少的真空过滤机,则需要对离心机后的母液进行再稠厚,这更增加了工艺的复杂性。真空过滤机使用经验是结晶颗粒也不能太细,如果太细会造成过滤机碱饼表面出现龟裂,造成真空损失。同时还要进行二次洗涤,细晶的洗涤降低盐分是比较困难的,会浪费大量的工艺洗涤用水。要配置后续真空过滤机,也要配置真空泵,吹风机等等装备。因此离心机后再配置真空过滤机的工艺流程是不合理的。推料离心机离心液中细晶再分离还可以采用其他技术措施。如增设母液澄清桶、旋液稠厚器等装置,经稠厚的含固液比较高的细晶再回到离心机进行固液分离。如图3流程。上述工艺流程相对简化,节省了真空滤碱机的全套配置及操作。但是这个流程中最大的问题是母液澄清桶的设计,目前还没有成熟的技术和成型装置。设计不好会导致母液澄清桶积碱甚至会导致搅拌憋停,完全失去原设计意义。此外这种工艺流程中由于细晶再回到离心机,在进料布料上难以实现单独进料并通过滤层阻隔细晶穿透筛网,因此会使得一部分细晶在离心机——母液澄清桶——旋液稠厚器循环,造成过滤损失。当离心机进料中细晶量达到一定程度后,会影响离心机的滤饼均匀,甚至引起离心机的震动。总之,离心液中细晶必须引起重视,这是离心机生产厂商和纯碱工艺工程师共同研讨的技术问题。2.4碱饼去除盐的影响重碱过滤除脱水外,另外一个重要的作用是降低并控制重碱盐分。而降低并控制盐分的手段就是对碱饼的洗涤。根据离心机用于重碱的二次脱水生产经验,离心机对洗涤和降低盐分效果不尽理想。离心机的脱水性能很好,能够将碱饼中的母液与结晶很好地分离,但是也因为离心作用导致碱饼的密实性较好,洗水的穿透能力受到影响,洗水不能很好地置换碱饼中的母液,使得洗涤效果下降。离心机中碱饼在筛网上的停留时间是有限的,很难做到母液分离与洗涤交错进行,这也是对洗涤效果影响的一个因素。从重碱二次脱水的使用经验来看,重碱的盐分降低主要是碱饼中水分含量降低而残留的盐分降低。当碱饼盐分降低到一定程度,尤其是盐分较低时,碱饼盐分的进一步降低效果非常不理想。即使加水洗涤仍然不能达到理想的效果,这对于低盐分控制是一个难以解决的技术问题。重碱的二次脱水不能与重碱一次脱水相提并论,主要是离心机的分离因数不同,这也是相互矛盾的。较高的分离因数会提高脱水效率,降低含水量,但也会导致碱饼的密实程度增加,增加了洗涤和降低盐分的难度。这需要在实际应用中试验并取得数据,不同的重碱粒度分布,应设置不同的分离因数,因而推料离心机的能力也将受到影响。目前行业中对推料离心机一次脱水后重碱盐分试验数据还不充分,尤其是低盐纯碱的生产试验还不够充分,需要进一步进行试验。如果生产低盐纯碱,其重碱含Cl-≤0.2%,对于重碱一次脱水并控制盐分指标是比较困难的。这需要离心机生产厂家与之共同研发,如离心机的分离因数设计、洗水喷头设计与布置、洗水当量、推料频次与碱饼在筛网上的停留时间等。2.5采用离心液法重碱分离后的母液当量是纯碱工程技术人员非常重视的问题,尤其是联碱生产,母液平衡与洗水当量有密切关系。多年来工程技术人员致力于将洗涤后的液体与母液分离,以降低母液当量,这对于节能降耗与联碱母液平衡至关重要。采用真空过滤机或推料离心机对重碱一次脱水,其洗涤液难以与母液分离。但是真空过滤机的洗水与母液分离技术已经有较大的研究进展,尤其是真空带式过滤机,完全可以做到部分洗涤液与母液的分离,大大降低了母液当量。但是对于推料离心机洗涤液与母液的分离,技术难度要大得多。重碱二次脱水的离心液用于滤碱机的洗水已经成为成熟技术,这主要是二次脱水后的离心液含Cl-≤2tt,完全可用作真空转鼓滤碱机的第一道洗水,对节省洗涤用水有明显效果。而且离心液是单独系统,二次脱水后的液体不增加母液当量。而如果对重碱晶浆进行直接脱水并洗涤,洗后液直接混入母液中,很难将其单独分离,这部分分离的水分无疑增加了母液当量。离心机能够长周期运行的一个重要措施是离心机筛篮的背洗,就是说筛篮的背洗喷头要连续常开,这是为了防止碳化母液在筛篮的背面结晶析出而造成筛篮的结疤和筛网的堵塞。液相法重灰的一水碱和小苏打采用推料离心机的经验说明离心机筛篮的背洗是非常关键的技术措施。尤其是在温差变化的工况条件下饱和溶液中的固液分离。尽管碳化出碱液在分离过程中温差变化较小,但是温差和表面蒸发还是存在的。在筛篮上残留的母液浓度总是会发生变化,因此筛篮背面的结晶结疤现象是存在的。离心机的背洗是不可缺少的。但是筛篮背洗是要用工艺淡水的,这部分工艺用水不能用来洗涤碱饼降低盐分,对洗涤碱饼而言,这是一个无效的工艺水消耗。但是如果用推料离心机用于重碱的二次脱水,离心机的背洗不需要常开,只需在每次周期性洗车时开启即可。无论是洗涤碱饼还是背洗筛篮,洗涤水都进入母液,如果增加了背洗水量,无疑也是增加了母液的当量。另外,由于离心机的碱饼密实度远远大于真空滤碱机,这对于洗涤来说,由于洗涤水更加难于穿透碱饼,洗涤效果会大大降低,是否会导致洗涤用水量加大,目前没有充分的试验数据。对于联碱来说母液当量的增加是一个比较敏感的问题。2.6机筛网小磁体的稳定性能由于离心机的筛网设计一般要根据重碱结晶粒度进行设计和选取参数。而作为纯碱厂向离心机生产厂提供工艺参数时,一般提供正常作业时的重碱结晶参数。离心机生产厂要根据所提供的参数,兼顾能力和水分指标,设计了筛网的开孔率和筛网缝隙宽度。重碱结晶在离心机筛网上形成滤饼,除筛网缝隙宽度决定外,更重要的是依赖于重碱结晶在筛网上搭桥形成滤层。试验数据表明,能够正常平稳运行的离心机筛网缝隙宽度一般要大于重碱结晶体的平均粒径。小苏打和一水碱也是这样设计的。如小苏打的推料离心机两级筛网缝隙宽度参数选取范围为0.16~0.22mm。用于重碱推料离心机筛网缝隙约为0.12~0.14mm。这些参数的选取都已经超过了结晶的平均粒径。对于多级推料离心机,其筛网的开孔率和筛网缝隙宽度对离心机的能力和操作弹性起着决定性作用。一旦设定,离心机的能力和操作弹性便相对稳定。因此离心机的操作弹性与真空过滤机相比要小得多。但是,碳化塔在生产作业中的波动是存在的,尤其是清洗后改塔恢复阶段,或者遇到煅烧炉气浓度波动时,碳化塔的波动随之发生,而波动的后果往往是碳化结晶质量的变坏,结晶平均粒径降低,细晶多,沉降时间增加,出碱液固液比增大。当碳化塔波动时,下工序往往需要承载结晶质量引起的波动,其作业负荷也将随结晶质量的变化发生改变,如滤碱机的能力会下降20%~30%,严重时会导致整个滤碱机不挂碱。对于碳化塔的这种波动,采取的措施是碳化收量和增加备用滤碱机,尽管滤碱机的能力下降,但是仍然可维持低负荷生产,不至于损坏设备。使用多级推料离心机,当遇到碳化塔生产波动时,碳化结晶质量会变坏,细晶量增加,而离心机的筛网缝隙宽度相对于结晶粒径过大,造成细晶穿透量增加,出现离心机筛网挂碱不均匀,或不挂碱,会导致离心机震动甚至无法作业。解决的办法是离心机停车、洗车、再开车作业,这种状况不是系统减量能够解决的问题。同时大量的含有细晶的碱液到母液桶,固体结晶积存在母液桶底部。这种离心后细晶平均粒径又大于滤碱机滤布的穿透细晶。因此加大了设计母液桶细晶回收装置的难度。推料离心机的设计理念是要求前工序尽可能的满足离心机的稳定供料,其料浆的中的结晶粒度分布、含固量应相对稳定。从推料离心机的工作原理来看,离心机应付碳化塔波动能力是有限的,尤其很难满足碳化工序生产恢复阶段的工艺要求。如果不能承受碳化塔的波动,则离心机作为碳化系统后续工序的装置,存在较大的生产波动风险。一旦离心机造成碳化工序和煅烧工序的波动,会影响整个系统的生产稳定。3多级推料离心材料的研究多级推料离心机用于重碱脱水工艺,在纯碱行业中已经成为一种技术改造措施的趋势,尤其是对老厂的节能降耗、煅烧炉设备能力提高,多级推料离心机的作用非常显著。综观两种工艺流程,各有利弊。用于重碱的二次脱水,在技术上已经成熟,并且正在被广泛推广。其主要优点是:经过二次脱水后,水分可降低4%~5%;脱水后的离心液可返回真空过滤机用作洗水;同时可回收离心液中的重碱细晶。离心机的配置在重碱滤过工序与煅烧工序之间,改造空间相对容易,对原生产工艺流程不会造成较大的改动。改造后,离心机的生产波动不会影响碳化、滤过操作,对煅烧工序的影响只是煅烧炉的能力影响。因此,离心机的配置数量可不考虑备用设备,可减少投资和安装空间。多级推料离心机用于重碱的一次脱水,其优势在于可直接获得低水分的重碱,与真空过滤机相比,其工作效率更高,更节能。与之配套的真空泵、吹风泵等耗能设备可减少甚至可省掉。但是此项技术目前还在研发阶段,研发试验包括离心机的性能研究和与之配套的工艺路线中其他装置的研究,如稠厚器的设计、细晶分离技术、洗涤及盐分控制试验等。多级推料离心机用于重碱的一次脱水,前文列举了在技术上的问题必须引起重视,并要加以解决。离心机用于重碱的一次脱水,理论上是可行的,是重碱过滤脱水的发展方向。单从离心机技术的开发是完全可以做到的。但是制碱工艺技术上与之配套的研究若不能得到全面解决,多级推料离心机的开发将会因此而受到限制。由于这种技术改造是在碳化与煅烧工序之间,改造的风险和生产波动的风险目前还没有一个确定结论。对老厂的技术挖潜,存在较大的实施难度。但对于新建中小