酸再生熱堿液清洗硅泥系統的設計與應用

林孟華，楊學斌

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北 唐山 063200）

0 引言

冷軋酸軋產線DP、Trip 鋼及微合金鋼種排產增加，由于產品中硅及其化合物含量增加，它們在酸中的溶解度很小，因此酸洗液在循環過程中會產生含硅雜質，含硅雜質的冷卻固化形成的硅垢易堵塞系統中管道和設備（石墨換熱氣器及過濾器），同時硅垢附著于儀表檢測表面，影響檢測精度，嚴重影響設備的正常運行。ISSI 酸再生接收的廢酸中硅泥含量高、雜質多，運行生產過程中，造成廢酸加熱器、冷卻器、罐體、管道等設備系統淤堵嚴重，換熱器換熱效率下降，能耗上升，嚴重影響系統安全穩定運行，制約氧化鐵紅品質提升[1]。酸泵、罐體、管道出現淤堵需停車分段拆卸后人工清理和對淤堵管道進行更換，費時、費力并且成本較高，加熱器和冷卻器淤塞換熱效率下降能耗升高，需外委專業清洗廠家解體后逐個處理石墨塊，修復費用昂貴。

1 酸再生脫硅工藝

1.1 工藝流程

廢酸經加熱器加熱后進入浸溶塔內，與浸溶塔內加入的鐵屑反應以去除廢酸中的游離HCl 和Fe3+，中和后的廢酸經冷卻器進入1 號、2 號pH 調節罐，調節罐中加入的定量氨水，同時鼓入一定量的壓縮空氣，調節pH 值，產生Fe（OH）2并使部分Fe（OH）2轉化為Fe（OH）3，使SiO2等雜質包裹在Fe（OH）3的空間點陣結構中進入絮凝罐。絮凝罐中加入稀釋的絮凝劑，使氫氧化鐵顆粒和SiO2顆粒以沉淀泥漿形式經沉淀罐沉淀分離出來，從而達到脫硅的目的[2]。

沉淀罐底部的泥漿經過濾擠壓機進行過濾、擠壓，濾液和沉淀罐上方溢流下來的清液流入凈化鐵液收集罐，再用泵送到罐區的凈化鐵液儲罐作為鹽酸再生生產使用，脫硅工藝見圖1。

圖1 脫硅工藝流程圖

1.2 硅泥的形成

廢酸液中高濃度的硅化物溶液易吸附在高溫設備表面，酸液與管道設備接觸面處的硅化物局部濃度達到一定時，難溶于酸液的硅化物從酸液中沉淀下來，像絮凝劑一樣使酸液中的SiO2顆粒吸附在設備的表面和管道內壁。隨著酸洗工藝的進行，設備表面的硅化物不斷與SiO2顆粒聚合，形成網狀結構，該狀態下通常稱其為硅泥，隨環境溫度的降低，松軟狀的硅泥進一步結晶從而形成又硬又厚的硅垢，圖2 為沖洗后硅垢的狀態。硅泥問題是目前最困擾酸洗酸再生產線正常穩定運行的問題之一，硅化物的化學性質比較活潑，在高溫下能與氧氣等多種元素化合，不溶于水、硝酸和鹽酸，溶于氫氟酸和堿液。

圖2 硅垢（經水沖洗后硅垢的變化狀態）

1.3 硅泥堵塞設備

1.3.1 管道

管道是連接各個設備的主要部件，硅泥的產生直接影響系統的脫硅系統處理能力，導致系統流量降低。由于管路內的酸液處于流動與靜止、高溫與低溫的變化狀態，因此硅泥極易附著于管道內并結晶固化成硅垢，造成脫硅處理量受限（見圖3）。

圖3 廢酸管道硅泥

1.3.2 酸再生機組

通常酸再生機組多采用圓塊孔式石墨換熱器，硅泥極易附著于酸液通道孔內，形成堆積，造成酸介質流量降低換熱效率下降，通道孔堵塞嚴重時脫硅系統無法提量，嚴重制約機組產能發揮（見圖4）。

圖4 加熱器石墨塊堵塞

1.3.3 各類儀表

脫硅系統中各類儀表對酸液各種參數進行實時檢測，檢測數據控制相關設備進行聯動，保障脫硅質量。由于硅泥的存在，各類檢測儀表的檢測精度受到影響，與實際值偏差較大的數據參數將影響酸系統的控制，導致關聯設備誤動作（見圖5）。

圖5 儀表檢測膜片硅泥

1.4 熱堿液應用

堿液清洗是目前國內較為普遍的清洗硅泥方式，通過參考資料，及行業內對硅泥清除技術的借鑒，堿液對硅泥清洗有著至關重要的作用，通過取樣硅泥和熱堿液實驗顯示，同一溫度下，堿液的濃度越高，效果越佳，硅泥溶解時間越短，堿液同一濃度情況下，溫度越高，效果越佳，溶解時間越短（見圖6）。

圖6 硅泥在在堿液中溶解對比圖

酸再生機組采用片堿利用1 號pH 罐配置氫氧化鈉溶液，溶液配置好后，通過排放管道排入UIL 罐，通過UIL 泵打入系統進行清洗，堿液通過系統中換熱器加熱，達到設定溫度，隨著堿液在系統不斷循環,堿液和硅泥發生化學反應，生成能溶于熱水的硅酸鈉?；瘜W反應降低硅泥和硅垢的堅硬程度，硅泥隨著流體的沖擊而掉落，最后一起隨著廢堿液排出系統。清洗后對系統進行脫鹽水清洗，排入廢水收集槽，防止這些殘留的物質影響酸液的濃度，影響氧化鐵粉質量（見圖7）。

圖7 堿液清洗系統工藝圖

2 堿液清洗系統

2.1 堿液清洗系統設計

原美國ISSI 公司設計的脫硅系統未設計有清洗系統，通過對脫硅管道系統改造和調整，利用現有設備形成循環清洗的回路，無需額外增加配藥設備、儲藥設備和清洗加熱設備，利用UIL 罐（玻璃鋼材質）作為清洗藥劑溶液的緩存罐，1 號pH 調節罐（帶攪拌機的玻璃鋼材質）作為清洗藥劑配制罐，原廢酸加熱器（耐酸耐堿）作為清洗藥劑加熱設備[3-5]，UIL 泵（耐酸耐堿）作為熱堿水循環清洗的動力源對整個系統進行有效的循環清洗，清洗廢水排放至廢水處理站處理，詳見圖8 綠色路線為熱堿水循環清洗路由。

圖8 堿液清洗系統工藝圖

2.2 堿液清洗系統應用

2.2.1 工藝流程

工藝流程：廢酸輸送管道—廢酸加熱器—中和罐廢酸循環管道—UIL 液管道—UIL 罐—UIL 泵—廢酸冷卻器—1 號pH 調節罐[6]。

2.2.2 清洗步驟和流程

2.2.2.1 清洗前準備

1）根據清洗方案要求，對廢酸管道系統設備、排污閥門、補水閥門等逐一進行確認，以滿足清洗工藝要求；若不能滿足工藝要求，采取臨時措施等。

2）預備足夠片堿約300～500 kg。

3）參加清洗工作的全部人員做好安全教育，熟悉清洗系統，需穿戴好防護用品。

4）清洗之前選取廢酸管道系統中淤堵最嚴重的是任意兩個彎頭處，拆開進行檢查，確認污泥。

2.2.2.2 離線清洗步驟

1）排液和閥門切換。脫硅系統停機，利用放空閥將廢酸管道、加熱器、冷卻器、UIL 罐等設備內的酸液排凈，將閥門切換至循環清洗管路。

2）水洗和試漏。在UIL 罐通入5 m3脫鹽水，啟動UIL 泵循環清洗2 h，主要目的是將附著力較差的部分污泥清理排放出來，并確認循環清洗系統無漏點。

3）清洗藥劑配:在1#pH 調節罐內注入3 m3脫鹽水，投加300 kg 片堿，啟動攪拌機配制堿液，約30 min待用。

2.2.2.3 系統清洗

1）向UIL 罐內注入堿液，到達起泵液位后，起動UIL 泵，清洗藥劑開始循環清洗，緩慢打開廢酸加熱器蒸汽控制閥門，對清洗溶液進行加熱，清洗液溫度控制85 ℃。

2）清洗液溫度加熱至85 ℃后，將蒸汽控制閥門置于自動控制位置，進行循環清洗，時間24 h，期間設置專人對清洗系統進行巡檢，發現問題及時處理。

3）清洗過程中，每4 h 取樣觀察清洗液情況，根據清洗液污濁情況，排液置換和補充藥劑。

4）熱堿液清洗24 h 之后，安排對原廢酸管道系統中淤堵最嚴重的兩個彎頭處拆卸檢查清洗效果，若彎頭處硅泥清理不徹底，需延長清洗時間，直至達到干凈清潔，方可進行下一步操作。

5）確認熱堿洗效果滿足要求后，排出清洗藥液，補充脫鹽水對系統進行置換清洗，直至排出清水為止。

6）拆開加熱器冷卻器接口，及管道彎頭，確認清洗后效果（見圖9）。

圖9 加熱器、管道清洗后效果

3 結論

1）通過熱堿洗系統，脫硅能夠實現脫硅工藝系統設備安全、穩定運行，為氧化鐵紅品質穩定和提升提供重要保障。

2）提高換熱設備換熱效率，降低能耗,提高設備使用壽命。

3）通過熱堿洗系統，減小廢酸管道系統檢修更換的人力成本和員工勞動強度，減少檢修作業安全風險。