Изучение причин образования накипи на оборудовании варочных установок «Камюр»

М.В. Постникова, О.В. Фоминых, В.М. Ермашева

Пермский государственный технический университет

ИЗУЧЕНИЕ ПРИЧИН ОБРАЗОВАНИЯ НАКИПИ НА ОБОРУДОВАНИИ ВАРОЧНЫХ УСТАНОВОК «КАМЮР»

Рассмотрены вопросы накипеобразования в технологии производства целлюлозы в установках непрерывного действия типа «Ка-мюр». Изучено влияние технологических факторов (состав варочного раствора, температурного режима, качества сырья) на отложение накипи при варке сульфатной целлюлозы и проведено исследование возможности снижения отложения накипи за счет проведения термоактивации щелока и применения антинакипинов.

Сульфатный метод получения целлюлозы благодаря его таким преимушествам, как возможность переработки древесины любых пород и древесных отходов, высокие прочностные показатели целлюлозы, отработанный процесс регенерации химикатов и другие, получил более широкое применение в технологии производства целлюлозы, чем сульфитный метод получения целлюлозы. Доля сульфатной целлюлозы в общем объеме получаемой целлюлозы составляет около 70 %. Для производства сульфатной целлюлозы используется высокопроизводительное непрерывнодействующее оборудование - варочные установки «Камюр». Однако при выработке целлюлозы в установках «Камюр» возникают трудности в работе этих установок, связанные с образованием накипи. Усиленное отложение накипи происходит на щелоковом тракте, образование накипи набдюдается на внутренней поверхности аппарата, на циркуляционных сетках, на трубах подогревателей и в других местах, соприкасающихся со щелоком.

Это явление отмечается на многих установках, работающих как на отечественных, так и на зарубежных предприятиях.

Основными видами отложений на сульфатцеллюлозных заводах являются минеральные соли и вещества органического происхождения (смолы, лигнин).

Накипь на оборудовании отличается по составу. Количество минеральной накипи составляет 20-85 %, а органической - 15-80 % от всей накипи [1].

Образование накипи в варочном аппарате вызывает местный перегрев, неравномерное распределение щелока, снижение качества целлюлозы, увеличение расхода тепла и электроэнергии. Проводимое периодическое удаление отложений путем промывки соляной кислотой (при остановке аппарата) приводит к локальным видам коррозии металла оборудования, для восстановления которого требуются дополнительные затраты [2].

С целью снижения минеральных и органических отложений (накипи) на оборудовании сульфатцеллюлозного производства авторами проводилось изучение причин накипеобразования в варочных аппаратах «Камюр» и методов противодействия образованию накипи в них. Осадки, образующиеся в варочных аппаратах «Камюр», состоят в основном из карбоната кальция и неиндентифицированных производных магния и марганца, источником которых являются древесина, варочный раствор, который состоит обычно из свежего белого щелока и добавки черного щелока.

Черный щелок кроме остатков минеральных вешеств содержит и органические вещества типа лигнина и его продуктов, перешедших в раствор при предыдущих варках. Поэтому можно предполагать,что органические вещества черного щелока способны откладываться на поверхности как получаемой целлюлозы, так и на поверхности оборудования совместно с солями жесткости воды и компонентов варочного раствора.

В работе изучено: влияние технологических факторов варочного процесса (температурный режим варки, состав варочного раствора, качество сырья) на процесс накипеобразования; снижение накипеобразования за счет проведения термоактивации щелока и применения антинакипинов.

Проведена серия сульфатных варок в лабораторных условиях по режиму: подъем температуры от 115 до 170 °С - 110 мин, стоянка на 170 °С - 80 мин.

Для варок применялась щепа хвойной древесины (сосна, ель) с добавкой 10 % лиственной древесины (береза), использовался варочный раствор (щелок) сульфидностью 26 и 30 % с содержанием активной щелочи 40 и 60 г/л (в ед. №20) при различном содержании в составе щелока сульфида натрия, едкого натра, соды и сульфата натрия. Гидромодуль составлял 1 : 6. Количество отлагаемой накипи при варке определялось с помощью металлических образцов из нержавеющей стали (20 см), помещенных в автоклав с щепой и варочным раствором. Определялось также количество образующейся накипи от одного варочного раствора (без щепы).

Белый щелок готовили из химических реактивов (едкого натра, безводной соды, сульфата натрия) и технического сульфида натрия. Свежий белый щелок, применяемый для варки сульфатной целлюлозы, содержит в качестве активного варочного реагента - смесь гидроксида и сульфида натрия (№ОН + Ка2Б). Суммарное количество активной шелочи, выраженное в единицах №ОН или №2О, относят в процентах к массе абсолютно сухой шепы - расход активной щелочи на варку. Кроме активной щелочи, в белом щелоке обязательно содержится некоторое количество карбоната натрия (№2СО3) вследствие неполноты прохождения реакции каустизации зеленого щелока (при регенерации отработанного черного щелока). Сумму активной щелочи и карбоната №ОН + Ка2Б + Ш2СО3 называют общей титруемой щелочью. Кроме того, в белом щелоке содержится в небольшом количестве ряд других солей натрия: сульфат (Ка2БО4), сульфит и некоторые другие. Сумма всех солей натрия, имеющихся в белом щелоке, образует всю щелочь.

В соответствии с показателями степенью сульфидности, степенью каустизации, степенью восстановления и показателем активности был проведен расчет навесок компонентов (реагентов) для приготовления белого щелока для проведения опытных варок по режиму, приведенному выше.

Результаты изучения влияния компонентного состава щелока на накипеобразование приведены в табл. 1. Для сравнения была проведена серия опытов температурной выдержки варочного раствора по режиму варки.

Из данных табл. 1 можно видеть, что при варках с одинаковой сульфидностью и одинаковым расходом щелочи при одинаковом показателе степени восстановления на накипеобразование влияет концентрация соды в растворе, которая зависит от степени каустизации. Так, при концентрации соды 11,1 г/л (варки 1 и 2) при содержании в щелоке активной щелочи 60 г/л (в ед. №2О) и степени восстановления 90 % количество накипи составляет 6,8 • 10-3 г (без щепы - 3,2 • 10-3 г), а при концентрации соды 4,5 г/л можно наблюдать снижение накипи до 5,4 • 10-3 г (2,8 • 10-3 г - без щепы). Можно видеть, что более высокая степень каустизации щелока (в варке 2-90 %, а в варке 1-80 %) способствует снижению накипи, так как снижается содержание карбонатов при каустизации соды в процессе регенерации и в белый щелок меньше попадает соды на варку.

275

Влияние компонентного состава щелока на накипеобразование

Характеристика щелока Содержание в щелоке, г/л в ед. Ыа20 Накипь, г • 10 3

Номер степень степень степень активная

варки сульфид-ности, % каустиза- ции,% восстановления, % щелочь, г/л ед. Ыа20 №28 ЫаОН Ыа2С03 Ыа250| без щепы с щепой

1 26 80 90 60 15,6 44,4 11,1 1,7 3,2 6,8

2 26 90 90 60 15,6 44,4 4,5 1,7 2,8 5,4

3 26 80 90 40 10,4 29,6 7,4 1,2 3,0 4,9

4 26 90 90 40 10,4 29.6 3,3 1,2 2,6 3,3

5 26 80 87 60 15,6 44,4 11,1 2,3 3,5 7,4

6 26 90 87 60 15,6 44,4 4,9 2,3 2,9 6,0

7 26 80 87 40 10,4 29,6 7,4 1,6 3,4 6,3

8 26 90 87 40 10,4 29,6 4,1 1,6 2,7 4,1

9 30 80 90 60 18,0 42,0 10,5 2,0 3,6 7,0

10 30 90 90 60 18,0 42,0 4,7 2,0 3,1 5,0

11 30 80 90 40 12,0 28,0 7,0 1,3 3,4 6,7

12 30 90 90 40 12,0 28,0 3,1 1,3 3,0 3,8

13 30 80 87 60 18,0 42,0 10,5 2,7 4.2 6,8

14 30 90 87 60 18,0 12,0 28,0 4,7 2,7 2,8 5,4

15 30 80 87 40 12,0 7,0 1,8 2,4 6,3

16 30 90 87 40 12,0 28,0 3,1 1,8 1,9 4,5

17 26 100(усл.) 100(усл.) 60 15,6 14,4 - - 1,9 2,1

18 26 100(усл.) 100(усл.) 40 10,1 29,6 - - 1,2 1,7

19 30 100 100(усл.) 60 18,0 42,0 - - 2,3 1,5

20 30 100(усл.) 100(усл.) 40 12,0 28,0 - - 1Д 1,7

Повышенное количество накипи можно наблюдать при варках с меньшим показателем степени восстановления. Так, при варке 5 (степень каустизации 80 %, степень восстановления 87 %) содержание накипи составляет 7,4 • 10 (3,5 • 10- г - без щепы). При более низком значении показателя восстановления присутствует большее количество сульфата натрия, который используется для получения сульфида натрия. Сульфид натрия и гидроксид натрия - активная часть варочного раствора для делигнификации древесины при сульфатной варке, а сульфат способствует образованию сульфатов кальция и способствует образованию накипи, что можно и наблюдать в варках 5, 13.

Варки 17-20 (см. табл. 1) выполнены с белым щелоком без добавок соды и сульфата натрия, т.е. степень каустизации и степень восстановления щелока условно принята за 100 %. По данным табл. 1 можно видеть, что при варках без карбонатов и сульфатов наблюдается снижение накипи.

Таким образом, можно видеть, что количество образуемой накипи зависит от качества белого щелока, используемого на варку, в большей мере от степени каустизации и степени восстановления, а, кроме того, щелок на варку должен содержать низкое количество солей жесткости. Щелок должен контролироваться перед подачей на варку по содержанию в нем СаСО3 (карбоната кальция), т.е. степень каустизации и степень восстановления должны быть максимальными. Вероятно, щелок перед подачей на варку должен проходить тщательную подготовку и очистку (фильтрование).

Результаты изучения влияния температурного режима варки приведены в табл. 2. Проведены сульфатные варки при различных конечных температурах: 160, 165 и 170 °С, остальные условия аналогичные.

Анализ этих варок показал, что снижение конечной температуры способствует снижению отложения накипи. Однако снижение конечной температуры при одинаковой продолжительности стоянки вызывает повышение жесткости целлюлозы (при 170 °С 49 ед. Каппа, а при 160 °С 65 ед. Каппа). Поэтому была увеличена продолжительность стоянки. В этом случае наблюдается некоторое снижение содержание накипи. Более значительное снижение накипи наблюдалось при варке 4 г (см. табл. 2), когда активная щелочь была введена в два приема.

На основании результатов проведенной серии варок сульфатной целлюлозы и изучения нами технологии производства сульфатной целлюлозы на установках «Камюр» можно рекомендовать, что с целью снижения накипеобразования необходимо проводить сульфатную варку

в установках «Камюр» в более мягких условиях, т.е. при пониженной температуре и при сокращении избытка щелочи, задаваемой на варку. Перед началом варки должна задаваться лишь часть активной щелочи, остальная часть должна добавляться в варочный котел в одну или две другие точки, расположенные ниже точек входа щепы в котел. Это будет способствовать выравниванию концентрации щелочи в течение варки, т.е. уменьшать в начале и повышать к концу, что должно способствовать снижению накипи. Повышение концентрации щелочи к концу варки будет способствовать уменьшению концентрации лигнина на конечной стадии варки, что позволяет избежать осаждения щелочного лигнина на ситах варочного котла, одного из компонентов органической накипи.

Таблица 2

Влияние конечной температуры варки на накипеобразование

Номер варки Продолжительность стоянки, мин Выход, % от абс. сух. древесины Степень делигнифи-кации, ед. Каппа Накипь, г  10-3

170 °С 160 °С 165 °С целлю- лозы непровара общий

"1 80 - - 44,0 2,3 46,3 49 4,9

3а - 80 - 43,2 5,0 48,2 65 3,1

3б - 100 - 44,1 2,9 47,0 54 4,0

4 80 - - 44,0 3,2 47,4 55 3,3

4а - 80 - 42,9 5,4 48,3 68 2.4

4б - 100 - 44,4 3,3 47,7 57 2,9

3в - - 90 44,7 3,2 47,9 58 3,8

4в - - 90 43,0 5,0 48,0 63 2,7

1 70 43,1 0,5 43,6 25 6,8

2. 70 - - 44,0 0,7 44,7 31 5,4

1а - 70 44,5 1,5 46,0 46 4,5

1б - 90 - 43,8 1,0 44,8 37 5,3

2а - 70 45,2 1,4 46,9 51 4,5

4г 80 - - 43,5 3,3 46,3 30 1,8

Была выполнена серия сульфатных варок с применением термоактивации щелока во время варки. Осуществлялся отбор щелока во время варки и подвергался нагреву. Ожидаемого положительного результата по снижению накипеобразования не было получено.

На основании изучения литературных и патентных источников по проблеме накипеобразования нами было установлено, что для снижения накипи могут быть использованы антинакипины, химические вещества типа комплексонов, ПАВ и полиэлектролитов [3-5].

В качестве антинакипинов нами были изучены технические лиг-ниосульфанаты (ЛСТ) моносульфитного щелока, а также модифицированные ЛСТ, а также некоторые комплексоны. При использовании модифицированных ЛСТ и комплексонов наблюдалось снижение накипи. Технические лигносульфонаты являются поверхностно-активными веществами. Эффективность действия лигносульфонатов на снижение образования накипи обусловлена тем, что молекулы ЛСТ могут адсорбироваться на частицах образующейся накипи и способствуют устойчивости образующейся коллоидной системы. В этих условиях молекулы лигносульфонатов могут связывать катионы кальция, магния и другие, предупреждая образование накипи на оборудовании.

Таким образом, проведенное изучение методов противодействия образованию отложений на оборудовании при варке сульфатной целлюлозы показало, что для снижения накипеобразования необходимо следующее: оптимизация процесса варки, каустизации и регенерации, исключение местных перегревов, проведение варки в более мягких условиях, т.е. при пониженной температуре, сокращении избытка щелочи на начальной ступени варки и при регулировании концентрации щелочи в течение варки, а также применение комплексонов и модифицированных ЛСТ.

Список литературы

1. Нипенин Ю. Н. Производство сульфатной целлюлозы: учеб. пособие для вузов. М.: Лесн. пром-ть, 1990. 600 с.

2. Фенгел Д. Древесина (химия, ультраструктура, реакции): [пер. с англ.]. М.: Лесн. пром-ть, 1982. 512 с.

3. Чудаков М. И. Промышленное использование лигнина. М.: Лесн. пром-ть, 1983. 200 с.

4. Применение комплексонов для отмывки и ингибирования соле-отложений в различных энерго- и теплосистемах: обзор. информ., сер. «Реактивы и особо чистые вещества» / НИИТЭХИМ. М., 1986. 35 с.

5. Применение ингибиторов накипеобразования в свеклосахарном производстве: обзор. информ., сер. «Сахарная промышленность» / АгроНИИТЭИПП. М., 1990. Вып. 4. 31 с.

Получено 17.06.2009