雷 亮,雷高明,高亞娟
(1.新疆海德姆化工有限公司,新疆哈密 839000;2.盤錦北方瀝青股份有限公司,遼寧盤錦 124022)
曼海姆法硫酸鉀工藝以氯化鉀和濃硫酸為原料在曼海姆爐內(nèi)進(jìn)行復(fù)分解反應(yīng)生成硫酸鉀和氯化氫氣體。曼海姆法硫酸鉀裝置雖然工藝操作簡(jiǎn)單,設(shè)備數(shù)量少,但也時(shí)常會(huì)出現(xiàn)各種問題,尤其是新建裝置。依靠后期改造消缺無疑是勞時(shí)費(fèi)力。筆者從生產(chǎn)角度出發(fā),為曼海姆法硫酸鉀裝置改造提供有效措施和合理建議,以便于曼海姆法硫酸鉀廠家對(duì)生產(chǎn)裝置進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn),在源頭上杜絕或減少影響生產(chǎn)的狀況發(fā)生,使生產(chǎn)得以順利進(jìn)行。
曼海姆法硫酸鉀裝置工藝流程如圖1。
圖1 曼海姆法硫酸鉀裝置工藝流程
生產(chǎn)采用固定床復(fù)分解反應(yīng)法。原料氯化鉀與w(H2SO4)98%硫酸以一定比例經(jīng)各自專用分布器連續(xù)注入φ6 000 mm曼海姆爐床反應(yīng)區(qū)表面上,在520~540 ℃高溫下由耙臂帶動(dòng)耙齒連續(xù)不斷地將反應(yīng)物料勻速攪拌混合,并以一定速度將物料由爐中心擴(kuò)散到周邊,確保物料反應(yīng)完全。生成的硫酸鉀粗料由反應(yīng)室出口進(jìn)入密閉的推料冷卻機(jī)內(nèi)進(jìn)行冷卻,然后經(jīng)中和、粉碎、篩分后進(jìn)入料倉(cāng),得到成品硫酸鉀。反應(yīng)生成的氯化氫氣體被石墨冷卻器冷卻至50 ℃以下,經(jīng)混酸塔洗滌后制得w(HCl)為31%鹽酸和w(H2SO4)為4%硫酸的混合酸。剩余氯化氫氣體進(jìn)入降膜塔,制得w(HCl)為31%的副產(chǎn)品鹽酸,尾氣經(jīng)尾氣吸收塔洗滌后放空。
曼海姆爐是曼海姆法生產(chǎn)硫酸鉀的關(guān)鍵設(shè)備,硫酸鉀質(zhì)量和產(chǎn)量是否達(dá)標(biāo)主要在于曼海姆爐。曼海姆爐出現(xiàn)的主要問題是產(chǎn)品質(zhì)量不達(dá)標(biāo),表現(xiàn)在硫酸根離子含量超標(biāo)。此外,還存在內(nèi)件腐蝕嚴(yán)重、耙齒磚易掉落、爐床漏酸、熱量損失大等問題,嚴(yán)重影響生產(chǎn)正常進(jìn)行。因此,需對(duì)曼海姆爐進(jìn)行優(yōu)化和改造,才能保證曼海姆爐穩(wěn)定運(yùn)行,進(jìn)而保證硫酸鉀優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。
2.1.1 采用耐高溫導(dǎo)熱性能優(yōu)異的碳化硅磚
為達(dá)到曼海姆爐物料反應(yīng)所需熱量,降低燃?xì)庀?,?nèi)襯采用耐高溫導(dǎo)熱性能優(yōu)異的碳化硅磚,此磚1 000 ℃時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)為11.4,碳化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為88%~90%,氣孔率小于18%,密度為2.6 g/cm3,高溫抗折強(qiáng)度1 500 ℃時(shí)耐壓45 MPa以上,該磚可使用4~5 a。一般來說,在達(dá)到相同的爐中溫度的情況下,使用該碳化硅磚,爐頂溫度可下降20~30 ℃。
2.1.2 爐墻保溫磚和普通紅磚之間涂抹保溫膏
曼海姆爐體熱量損失約45%,造成燃料的消耗高。為降低燃料消耗,防止墻體熱量損失過大,原砌筑爐外墻時(shí)在普通紅磚和保溫磚之間鋪設(shè)陶瓷纖維毯。為更好地阻止?fàn)t體熱量向外擴(kuò)散,提高曼海姆爐熱量利用率,用保溫膏取代陶瓷纖維毯,在墻體保溫磚和普通紅磚之間的縫隙涂抹保溫膏,保溫膏厚度30 mm。
2.1.3 加固耙齒磚
為防止耙齒磚短時(shí)間使用掉落,加固耙齒磚。在夾磚器和耙齒磚縫隙內(nèi)灌注碳化硅泥,碳化硅泥受熱干燥后使夾磚器和耙齒磚固定在一起,耙齒磚不易斷裂。對(duì)于邊齒,夾磚器焊接加強(qiáng)筋,把更換下來的廢舊護(hù)瓦割成條形,焊接在邊齒上部掛鉤和下部放置邊齒磚部件中間的薄弱位置[1]。
2.1.4 燃燒室火道下部鋪設(shè)耐高溫陶瓷纖維毯
燃燒室火道下部爐磚長(zhǎng)時(shí)間處于高溫灼燒狀態(tài),該部位最高溫度可達(dá)1 200 ℃以上。在燃燒室火道下部鋪設(shè)含鋯陶瓷纖維毯,厚度為20 mm,并在此毯上部鋪設(shè)10 mm厚薄片型高鋁磚,對(duì)火道下部爐磚起到保護(hù)作用,防止火道下部爐磚長(zhǎng)時(shí)間高溫灼燒產(chǎn)生裂縫,延長(zhǎng)該磚使用時(shí)間。
2.2.1 使用下煙道
燃料燃燒產(chǎn)生的熱量只有15%~16%被物料所吸收,煙氣帶走40%熱量。為降低煙氣帶走的熱量,應(yīng)使用曼海姆爐下煙道(有的廠家把下煙道堵死),煙氣經(jīng)下煙道后可為曼海姆爐床提供保溫。使用下煙道后,在保證爐中溫度520 ℃情況下,熱量能回收1%~2%,爐頂溫度能降低30~50 ℃,爐底溫度能降低40~50 ℃,提高了熱量利用率。同時(shí)爐底溫度的降低,也預(yù)示著出爐煙氣溫度的降低,減少了煙氣對(duì)煙氣引風(fēng)機(jī)的高溫灼燒,延長(zhǎng)了煙氣引風(fēng)機(jī)的使用周期。
2.2.2 爐床泄漏處理
爐床磚由里到外共5圈,爐床泄漏主要是第2圈和第3圈爐床磚之間因熱脹冷縮以及硫酸浸泡開裂而產(chǎn)生縫隙,泄漏的硫酸氫鉀液體會(huì)順著該縫隙進(jìn)入煙道室,流入煙道管、復(fù)熱器以及引風(fēng)機(jī)造成腐蝕,使生產(chǎn)無法進(jìn)行。泄漏不嚴(yán)重的時(shí)候,停酸15 min,也就是僅氯化鉀投入15 min,然后停止氯化鉀投入,爐子經(jīng)過保溫2 h后再投料投酸。泄漏嚴(yán)重時(shí),將煙道管接到防爆口,維持生產(chǎn),待檢修時(shí)處理[2]。
2.2.3 爐頂塌陷處理
爐頂塌陷,主要是爐頂磚最外圈和燃燒火道連接部位塌陷。若范圍較小,可在塌陷處鋪入陶瓷纖維毯維持生產(chǎn),該毯耐高溫可達(dá)1 200 ℃以上;若塌陷范圍較大,在塌陷處放進(jìn)一塊高鋁磚起支撐作用,鋪上鐵板,上蓋含鋯陶瓷纖維毯,維持生產(chǎn)。
2.2.4 嚴(yán)禁燃燒室正壓
若燃燒室正壓,火焰會(huì)順著燃燒口往爐外噴火。長(zhǎng)時(shí)間燃燒室正壓,會(huì)對(duì)燃燒室爐頂磚造成損壞。在煙氣引風(fēng)機(jī)閥門全開的情況下,正壓產(chǎn)生的原因有:①燃?xì)忾y門開得過大;②燃?xì)庵杏行ЫM分含量不夠;③助燃空氣配比過多。應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行處理,防止燃燒室正壓。處于燃燒室火焰正上部的高鋁磚長(zhǎng)期處于1 000 ℃以上高溫灼燒會(huì)導(dǎo)致其損壞[3]。
2.2.5 硫酸鉀下料口增加白鋼條形板
因生產(chǎn)中耙齒可能脫落,為防止其掉入推料機(jī),可在下料口處焊接白鋼條形板,板寬及厚度均為20 mm,板間距為120 mm,由此既不影響下料,又能阻擋耙齒磚掉落至推料機(jī)內(nèi)。
2.2.6 爐門交替打開清理耙齒
氯化鉀和硫酸的復(fù)分解反應(yīng)在反應(yīng)室內(nèi)進(jìn)行,二者在反應(yīng)室爐床上進(jìn)行反應(yīng),溫度可達(dá)540 ℃。反應(yīng)室易出現(xiàn)的問題是靠近爐門上部碳化硅磚產(chǎn)生裂縫,是由于經(jīng)常打開爐門使冷空氣進(jìn)入,使碳化硅磚經(jīng)常熱脹冷縮造成的。生產(chǎn)中打開爐門清理耙齒時(shí),爐門應(yīng)交替使用,用一個(gè)爐門清理耙齒1~2個(gè)月,再使用另一個(gè)爐門清理耙齒1~2個(gè)月。
氯化氫氣體吸收裝置作為曼海姆法硫酸鉀的重要組成部分,其運(yùn)行效果直接影響環(huán)保達(dá)標(biāo)。氯化氫氣體吸收效果不好,尾氣煙尾較長(zhǎng),廠房?jī)?nèi)彌漫較重的氯化氫氣味,既不符合環(huán)保要求,也對(duì)職工身心健康造成損害。
反應(yīng)所生成的氯化氫氣體主要是被水吸收制成w(HCl)為31%的鹽酸。氯化氫氣體的吸收采用 “混酸塔+小填料塔+降膜塔+尾氣吸收塔” 4級(jí)吸收。采取下述改造措施,可有效提高氯化氫氣體吸收效率。
1) 增加降膜塔吸收能力。降膜塔由φ500 mm ×3 925 mm增大為φ700 mm × 4 025 mm,既增大了傳質(zhì)傳熱面積,又增加了降膜吸收能力。也可在3臺(tái)φ500 mm × 3 925 mm降膜塔基礎(chǔ)上增加1臺(tái)φ700 mm × 4 025 mm降膜塔,二者串聯(lián),但后者必須增大列管數(shù)。
2) 小填料塔內(nèi)裝瓷環(huán)可采用25 mm × 25 mm矩鞍型瓷環(huán),以取代原來所用的50 mm × 50 mm型瓷環(huán),增大接觸面積,有利于傳質(zhì)和傳熱,提高吸收效率。
3) 4臺(tái)尾氣吸收塔和2臺(tái)混酸塔裝填瓷環(huán)時(shí),底部可規(guī)整擺放3層,中間散堆裝填50 mm × 50 mm瓷環(huán),頂部400 mm高可散堆裝填25 mm × 25 mm瓷環(huán)。
4) 二次混酸塔上部除沫器內(nèi)裝填25 mm × 25 mm矩鞍型瓷環(huán),瓷環(huán)堆密度大,可有效阻擋氯化氫氣體夾帶的混酸液滴進(jìn)入小填料塔影響成品鹽酸質(zhì)量,防止成品鹽酸中硫酸根含量增高。
5) 一般廠家所用氯化氫風(fēng)機(jī)風(fēng)量為3 500 m3/h,功率7.5 kW,全壓2 300 Pa??筛鼡Q大風(fēng)量氯化氫風(fēng)機(jī),風(fēng)量為4 800 m3/h,功率11 kW,采用變頻調(diào)速,風(fēng)機(jī)風(fēng)壓可調(diào)。應(yīng)注意防止風(fēng)機(jī)頻率過高,而使?fàn)t中熱量帶走太多,致使?fàn)t中溫度降低。
3.2.1 增加1臺(tái)尾氣吸收塔
夏季氣溫超過38 ℃的地區(qū),應(yīng)增加1臺(tái)尾氣吸收塔,即尾氣吸收塔由原來的4塔變?yōu)?塔,增大吸收能力。需在建設(shè)前期,根據(jù)本地氣溫情況提前做出決定。
3.2.2 制酸區(qū)坐落于廠房南面
新建工廠制酸裝置宜坐落于廠房南面,冬天廠房能夠擋住北風(fēng),為制酸區(qū)起到很好的防凍作用。制酸區(qū)設(shè)備坐落廠房南面比坐落廠房北面可使制酸區(qū)整體溫度提高5 ℃左右,尤其太陽(yáng)升起后,溫度提高更為明顯。
3.2.3 增大鹽酸儲(chǔ)存能力
為防止鹽酸脹庫(kù)而停車,應(yīng)增大鹽酸儲(chǔ)存能力,按照2臺(tái)爐子產(chǎn)75 t/d鹽酸計(jì)算,鹽酸儲(chǔ)存能力應(yīng)達(dá)到20 d的儲(chǔ)存量即1 500 t及以上。很多企業(yè)因儲(chǔ)存能力的不足,而后期不得不上大容量?jī)?chǔ)罐。
3.2.4 制酸區(qū)設(shè)立中和池
為防止地面和設(shè)備的沖洗水及雨水所產(chǎn)生的酸性水無處排放,在制酸區(qū)附近應(yīng)設(shè)置1個(gè)中和池。酸性水流入中和池,加堿中和后排放。也可增加1個(gè)PVC材質(zhì)的止逆閥插入池底,并連接1條管線接入中間槽A酸泵入口,把池內(nèi)酸性水送入混酸2號(hào)塔,作為制取混酸的補(bǔ)充液。這樣既回收了酸性水,又節(jié)省作為2號(hào)混酸塔補(bǔ)充液的鹽酸和中和劑工業(yè)堿[4]。
3.2.5 增大硫酸卸車泵和鹽酸裝車泵流量
為縮短硫酸卸車和鹽酸裝車時(shí)間,最好增大硫酸卸車泵和鹽酸裝車泵流量。硫酸卸車泵和鹽酸裝車泵一般額定流量為25 m3/h,應(yīng)增大為35~40 m3/h?;蛘哌x擇入口管線為DN80,出口管線為DN65的泵,并注意泵額定流量。一般罐車容積為25~28 m3,裝1車鹽酸或者卸1車硫酸40 min較為合適。
3.2.6 廠房氯化氫氣味大的處理措施
廠房?jī)?nèi)氯化氫氣味大的處理措施有:①檢查氯化氫氣體彎管處和石墨上封頭處是否積料堵塞,若積料堵塞,拆除彎管,清理彎管和石墨上封頭處積料;②小填料塔和二次混酸塔上部除沫器內(nèi)瓷環(huán)拿出清理干凈或者更換新瓷環(huán);③采用φ10 mm鋼筋對(duì)降膜塔列管內(nèi)壁附著的油泥類物質(zhì)進(jìn)行清理;④檢查混酸塔和尾氣吸收塔上部噴淋器是否掉落,若掉落,則稀酸在分布器上分布不均勻,會(huì)影響傳質(zhì)和傳熱。有些洗滌塔無分布器,噴淋器上分布孔徑為φ4 mm孔眼,應(yīng)檢查孔眼是否堵塞,若堵塞,應(yīng)立即疏通[5]。
上料和出料系統(tǒng)容易出現(xiàn)堵料及運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備故障,影響生產(chǎn)正常進(jìn)行,是增加職工勞動(dòng)強(qiáng)度最大的地方。該處設(shè)備布局、選型及運(yùn)行都至關(guān)重要。因此,曼海姆硫酸鉀廠家應(yīng)借鑒其他廠家的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn),減少裝置故障率。
4.1.1 降低硫酸鉀成品溫度
物料出爐后,經(jīng)過推料冷卻機(jī)、螺旋出料器、皮帶機(jī)、斗提機(jī)、粉碎機(jī)、成品推料機(jī)進(jìn)入料倉(cāng)。從爐子出來的硫酸鉀410 ℃,進(jìn)入推料冷卻機(jī)冷卻后,實(shí)測(cè)物料96 ℃(夏季)。如果出料系統(tǒng)流程短,熱量散發(fā)不出去,包裝過程中就會(huì)燙壞包裝袋。有幾種解決方式:①?gòu)S家根據(jù)自身出料設(shè)備及成品料倉(cāng)位置的實(shí)際情況,在粉碎機(jī)后加設(shè)成品螺旋推料機(jī)和斗提機(jī),以及振動(dòng)篩或者滾筒篩等,增長(zhǎng)出料流程,起到自然降溫作用;②用刮板機(jī)代替皮帶,刮板機(jī)底部有冷卻水套,通入冷卻水可對(duì)物料起冷卻作用,效果非常好;③也可增加1臺(tái)鼓風(fēng)機(jī),通入空氣降溫。
4.1.2 增大粉碎機(jī)處理能力
生產(chǎn)過程中選用11 kW粉碎機(jī),粉碎能力小,正常出料狀況,能滿足生產(chǎn)需要。實(shí)際生產(chǎn)中添加返料和石灰粉以及收塵器物料返回等,粉碎機(jī)頻繁堵料跳車。采用2套出料系統(tǒng),即物料從皮帶機(jī)進(jìn)入2臺(tái)斗提機(jī)、2臺(tái)粉碎機(jī)、2臺(tái)成品螺旋推料機(jī)后進(jìn)入料倉(cāng),可極大緩解粉碎機(jī)堵料跳車,使生產(chǎn)穩(wěn)定進(jìn)行。
4.1.3 增大斗提機(jī)能力
成品斗提能力小,雖能夠滿足2臺(tái)爐子生產(chǎn)負(fù)荷,但影響返料加入速度,成品(原料)斗提機(jī)能力最好能增大至最大生產(chǎn)負(fù)荷1.5~2倍,由原來處理量2.5 t/h,增大為4~5 t/h。斗提機(jī)能力增大,傳動(dòng)裝置可采用齒輪減速機(jī),以取代擺線減速機(jī),減速機(jī)輸入端和輸出端通過皮帶輪帶動(dòng)。或者采用上述4.1.2措施,增加1套出料設(shè)備。
4.1.4 降低硫酸鉀成品中顆粒
若因物料顆粒大而采用滾筒篩,應(yīng)注意篩網(wǎng)材質(zhì)和孔徑的選擇,篩網(wǎng)應(yīng)選用白鋼材質(zhì)(硫酸鉀成品中含有硫酸根,腐蝕篩網(wǎng)),篩網(wǎng)孔徑選擇長(zhǎng) ×寬為 1.0 mm × 1.0 mm~3.0 mm × 3.0 mm,生產(chǎn)期間若孔眼被物料膩死,可用鋼絲刷清理,滾筒篩或者震動(dòng)篩的運(yùn)用遠(yuǎn)沒有在粉碎機(jī)內(nèi)加篩框、篩框內(nèi)加篩片合適,篩片可選用φ1.0~3.0 mm。
4.1.5 螺旋出料器改造
螺旋出料器頻繁跳車,可采取降低出料管仰角角度,由45°降至30°,并縮短出料管長(zhǎng)度,由長(zhǎng)度40 cm縮短至30 cm,降低出料器對(duì)物料造成的阻力,并增大電機(jī)功率,采用3.0 kW電機(jī)。
4.2.1 更改上料斗提機(jī)位置
原設(shè)計(jì)上料斗提機(jī)垂直于4樓輸送機(jī),二者成L型,叉車上料過程中,無論是噸包還是托盤小袋,需要叉車拐彎才能把噸包和托盤放到斗提溜槽上面,同時(shí)受樓板限制,空間狹小,不便于操作。新建工廠應(yīng)使斗提正對(duì)著4樓輸送機(jī),二者成一字型,叉車叉料開進(jìn)廠房后無需拐彎,可直接把噸包放置到溜槽上邊或者把托盤小袋物料放置在溜槽側(cè)邊,操作便利,即防止剮蹭叉車,又減輕職工操作難度。
4.2.2 更換內(nèi)徑超過 50 mm的斗提機(jī)軸承
斗提機(jī)軸承的選擇也很重要。生產(chǎn)中,無論是上料斗提機(jī)還是成品斗提機(jī),時(shí)常發(fā)生軸承損壞,軸承的損壞和其承載有很大關(guān)系。因此,對(duì)于單列向心球軸承來說,宜選用內(nèi)徑50 mm(6210或6310)以上型號(hào)的,寧愿“大馬拉小車”,也要防止軸承損壞。
公用設(shè)備的問題主要有硫酸管線腐蝕泄漏、制酸區(qū)稀酸水無處排放等。合理解決公用設(shè)備出現(xiàn)的問題,也是保證曼海姆法硫酸鉀裝置正常運(yùn)轉(zhuǎn)的必要條件。
5.1.1 硫酸管線采用襯氟鋼管
硫酸管線大多為φ57 mm × 5 mm厚壁無縫鋼管(個(gè)別廠家也有使用白鋼管),硫酸管線長(zhǎng)時(shí)間使用,硫酸對(duì)管子進(jìn)行沖刷和腐蝕極易泄漏,補(bǔ)焊有難度,因管內(nèi)硫酸放凈后含有氫氣,焊接時(shí)容易爆燃。采用襯氟塑料鋼管,多管段采用法蘭連接,更換方便,長(zhǎng)時(shí)間使用效果良好。
5.1.2 增大冷水池和熱水池隔墻溢流孔洞
熱水池?zé)崴?jīng)熱水泵打入冷水塔風(fēng)扇降溫后進(jìn)入冷水池。冷水池和熱水池中間有一隔墻,隔墻上部有孔洞,冷水池水位高時(shí)溢流到熱水池,此孔洞一定要大于200 mm × 200 mm,最好設(shè)置長(zhǎng)方形孔洞3~4個(gè)(隔墻長(zhǎng)6 m),長(zhǎng)×寬為200 mm × 200 mm。夏季熱水泵水流量大,熱水冷卻后流進(jìn)冷水池通過孔洞溢流到熱水池,防止因孔洞太小,使冷水池冷卻水溢到池外。
5.1.3 硫酸泵采用磁力泵
硫酸泵采用磁力泵,該泵無機(jī)封,全密閉,可有效避免原來所用的離心泵機(jī)封泄漏。
5.2.1 增加廠房?jī)啥说拈L(zhǎng)度
在用的廠房長(zhǎng)度為42.5 m,原料上料和成品包裝位于廠房?jī)啥恕,F(xiàn)今裝置都采用叉車叉托盤上料和出料,廠房?jī)啥司惋@得狹窄。新建裝置應(yīng)將廠房?jī)蓚?cè)各加長(zhǎng)3 m,方便使用叉車。
5.2.2 新建工廠應(yīng)注意用電負(fù)荷
曼海姆法硫酸鉀裝置(2套曼海姆爐)用電負(fù)荷基本上為260 kW,總電流360 A。根據(jù)該數(shù)值,選用合適的變壓器容量值。某工廠發(fā)生過總電機(jī)功率達(dá)到255 kW(統(tǒng)計(jì)所用電機(jī)功率),而變壓器容量只有250 kVA的狀況,只因三相電流分別為340 A(額定電流360 A),才沒有發(fā)生大事故。變壓器容量應(yīng)選擇為260 kW/0.8(功率因數(shù))即325 kVA以上。備用發(fā)電機(jī)容量最好選用300 kW(額定電流540 A)以上(包含辦公用電)。
對(duì)于曼海姆法硫酸鉀裝置,對(duì)設(shè)備進(jìn)行改造,對(duì)影響生產(chǎn)之處進(jìn)行改進(jìn),都是企業(yè)適應(yīng)發(fā)展的需要。曼海姆法硫酸鉀生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)采取積極措施,選擇適合自己企業(yè)實(shí)際狀況的工藝、設(shè)備、電氣等,既能減輕職工勞動(dòng)強(qiáng)度,又能減少設(shè)備事故發(fā)生率,為曼海姆法硫酸鉀裝置優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行創(chuàng)造條件。