唐宗壽，劉海燕，顏學(xué)倫

（華融化學(xué)股份有限公司，四川 成都 611933）

華融化學(xué)股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱“華融化學(xué)”）2 萬(wàn)t/a 聚合氯化鋁裝置于2021 年11 月投入運(yùn)行，該裝置包含2 條生產(chǎn)線，分別為0.5 萬(wàn)t/a 的高純聚合氯化鋁和1.5 萬(wàn)t/a 的飲用水級(jí)聚合氯化鋁。裝置在試生產(chǎn)初期出現(xiàn)了不少問題，經(jīng)過(guò)整改、優(yōu)化后，取得了較好效果，目前裝置總體運(yùn)行情況良好。

1 項(xiàng)目建設(shè)背景

華融化學(xué)現(xiàn)有7 萬(wàn)t/a 離子膜法氫氧化鉀裝置，生產(chǎn)31%、48%、90%和95%的高品質(zhì)氫氧化鉀，副產(chǎn)氯氣、氫氣。氫氣大部分用作原料生產(chǎn)鹽酸，其余的放空；氯氣除用作原料生產(chǎn)鹽酸和次氯酸鈉外，剩余液化成液氯后銷售。

根據(jù)華融化學(xué)發(fā)展規(guī)劃，公司將充分利用現(xiàn)有工藝裝置及輔助設(shè)施的優(yōu)勢(shì)資源，生產(chǎn)安全型食品添加劑、水處理劑、環(huán)保催化劑、超凈高純?cè)噭?、電子化學(xué)品等系列精細(xì)化學(xué)品，實(shí)現(xiàn)危化品向非?；返霓D(zhuǎn)變，并完成產(chǎn)品提檔升級(jí)；通過(guò)“降風(fēng)險(xiǎn)，促轉(zhuǎn)型”改造項(xiàng)目的實(shí)施，推動(dòng)公司從生產(chǎn)型企業(yè)向生產(chǎn)服務(wù)型企業(yè)轉(zhuǎn)型，從制造型企業(yè)向研發(fā)型企業(yè)轉(zhuǎn)型。

2 萬(wàn)t/a 聚合氯化鋁裝置屬于華融化學(xué)“降風(fēng)險(xiǎn)，促轉(zhuǎn)型”一期改造項(xiàng)目范圍。

2 聚合氯化鋁工藝

制備PAC 的方法有多種，根據(jù)生產(chǎn)原料的不同，可分為四大類，即金屬鋁法、氫氧化鋁法、氯化鋁法和含鋁礦物法[1]；根據(jù)處理方式的不同，可分為酸法、堿法、中和法和原電池法；根據(jù)酸法反應(yīng)步驟的不同，又可分為一步法和二步法[2]。華融化學(xué)0.5 萬(wàn)t/a高純聚合氯化鋁采用酸溶一步法，即僅酸溶氫氧化鋁；1.5 萬(wàn)t/a 飲用水級(jí)聚合氯化鋁采用酸溶二步法，即先酸溶氫氧化鋁，再酸溶鋁酸鈣。

酸溶一步法生產(chǎn)PAC 的反應(yīng)式如下。

溶解反應(yīng)：

聚合反應(yīng)：

酸溶二步法生產(chǎn)PAC 的反應(yīng)式如下。

半成品反應(yīng)：

聚合反應(yīng)：

2.1 酸溶一步法工藝流程

首先將氫氧化鋁和鹽酸按一定比例加入配料釜，攪拌均勻后，用配料泵轉(zhuǎn)移至搪瓷反應(yīng)釜內(nèi)，通入蒸汽進(jìn)行升溫反應(yīng)，達(dá)到工藝要求150 ℃后，保溫3 h，得到聚鋁成品漿液，用漿液泵打入脫色罐，脫色后的漿料通過(guò)脫色泵打入板框壓濾機(jī)進(jìn)行固液分離，得到高純PAC 濃溶液，高純PAC 濃溶液既可稀釋復(fù)配得到氧化鋁含量10%的外銷高純PAC 液體，也可送至噴霧干燥裝置制成固體PAC；壓濾得到的濾渣與水?dāng)嚢杈鶆?，通過(guò)高純洗渣泵轉(zhuǎn)移至飲用水級(jí)PAC 生產(chǎn)線再次利用。酸溶一步法工藝流程簡(jiǎn)圖見圖1。

圖1 酸溶一步法工藝流程簡(jiǎn)圖

2.2 酸溶二步法工藝流程

首先將31%鹽酸和自來(lái)水按一定比例加入到復(fù)合反應(yīng)罐中，配制成濃度為24%～26%的鹽酸，再將5 t 氫氧化鋁加入到反應(yīng)罐中，通入蒸汽加熱至90 ℃進(jìn)行酸溶反應(yīng)，得到半成品—三氯化鋁溶液，將計(jì)量好的鋁酸鈣粉投入半成品中，進(jìn)行聚合反應(yīng)，得到PAC 成品漿液，成品漿液通過(guò)板框壓濾機(jī)進(jìn)行固液分離，得到飲用水級(jí)PAC 濃溶液，濃溶液通過(guò)泵輸送至稀釋復(fù)配池進(jìn)行冷卻稀釋，得到氧化鋁含量10%的稀溶液，完成后再通過(guò)泵輸送至飲用水成品儲(chǔ)罐；濃溶液也可送至噴霧干燥裝置制成固體PAC；壓濾得到的濾渣落入壓濾機(jī)底部洗渣桶，加水?dāng)嚢柘礈?，洗滌后的漿液用泵打入廢渣壓濾機(jī)，濾液進(jìn)入壓濾回收池回收利用，濾渣輸送至渣場(chǎng)，定期處理。酸溶二步法工藝流程簡(jiǎn)圖見圖2。

圖2 酸溶二步法工藝流程簡(jiǎn)圖

2.3 PAC 干燥工藝流程

PAC 干燥工藝是用送料泵將原料液打入離心塔頂?shù)撵F化器，在離心盤的高速作用下，將物料分散為霧滴，并用熱空氣干燥霧滴而獲得產(chǎn)品的一種干燥方法。裝置為立式上噴下并流型，并采用聯(lián)鎖自動(dòng)調(diào)節(jié)（PLC/DCS）控制方法，干燥介質(zhì)為干熱空氣?？諝庥伤惋L(fēng)機(jī)和供熱裝置（燃煤熱風(fēng)爐/天然氣爐/蒸汽換熱器等）通過(guò)干燥塔頂部的熱風(fēng)分配器，均勻地旋轉(zhuǎn)向下吹入干燥室，與高速旋轉(zhuǎn)的離心盤形成的微小料液霧點(diǎn)相遇，表面水分迅速蒸發(fā)（恒速干燥階段），然后進(jìn)入降速干燥階段，短時(shí)間內(nèi)干燥成空心球狀產(chǎn)品。氣固混合物下行至干燥塔底，大部分成品在內(nèi)旋風(fēng)分離后排出，微粉再經(jīng)高效旋風(fēng)分離器收集，尾氣經(jīng)三級(jí)濕式除塵器捕集收集，達(dá)標(biāo)尾氣由引風(fēng)機(jī)引至煙囪。

噴霧干燥塔出來(lái)的尾氣溫度110～120 ℃，為了更好地節(jié)省和利用能源，首先將氧化鋁含量13%的液體PAC 加入一級(jí)噴淋塔，水分蒸發(fā)后得到氧化鋁含量大于15%的液體，此時(shí)的排風(fēng)65 ℃左右，相對(duì)濕度55%（空氣濕度未飽和），蒸發(fā)水分可達(dá)總蒸發(fā)量的20%～30%，使一級(jí)噴淋塔起到了利用廢熱濃縮物料的作用。

3 PAC 生產(chǎn)工藝技術(shù)要點(diǎn)

3.1 酸溶一步法工藝技術(shù)要點(diǎn)

（1）暖管和暖釜。第一次開啟蒸汽管道輸送蒸汽，為防止驟熱對(duì)管道和設(shè)備造成損壞，并降低水錘效應(yīng)，需要暖管和暖釜并排放冷凝水。

（2）開啟尾氣處理系統(tǒng)。首先將一級(jí)水洗塔、二級(jí)水洗塔加水至60%液位，三級(jí)堿洗塔加氫氧化鈉溶液至60%液位，再開啟各塔的循環(huán)噴淋泵和引風(fēng)機(jī)。當(dāng)一級(jí)水洗塔和二級(jí)水洗塔的氯化氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別達(dá)到5%和3%時(shí)更換洗滌液；當(dāng)堿洗塔的pH值達(dá)到9 時(shí)，更換新的氫氧化鈉溶液，確保尾氣達(dá)標(biāo)排放。

（3）配料。配料前，檢查配料釜和反應(yīng)釜內(nèi)是否干凈，將稱重控制器置0，打開配料釜放空閥，使配料釜為微負(fù)壓。DCS 設(shè)置好鹽酸加入量后，啟動(dòng)鹽酸進(jìn)料，加入量約2.0～3.0 m3時(shí)，開啟配料釜攪拌，并陸續(xù)將計(jì)算好的噸包氫氧化鋁原料從加料口投入配料釜，投料完成后攪拌10 min，之后將混合液用泵轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜，轉(zhuǎn)移完成后開啟沖洗水閥門，對(duì)殘留在管道和泵內(nèi)的混合液進(jìn)行沖洗，防止渣料沉積堵塞管道。

（4）聚合反應(yīng)。開啟反應(yīng)釜蒸汽調(diào)節(jié)閥，保持蒸汽在0.1 MPa 以下，預(yù)熱15 min，再逐步增加到0.6 MPa，釜內(nèi)溫度從90 ℃升至140 ℃過(guò)程中，反應(yīng)比較劇烈，溫度和壓力上升較快，需密切關(guān)注溫度和壓力變化，直到溫度達(dá)到155 ℃，關(guān)閉蒸汽調(diào)節(jié)閥，并開始記錄聚合反應(yīng)時(shí)間，聚合反應(yīng)時(shí)間維持3 h。整個(gè)過(guò)程中，反應(yīng)釜的壓力嚴(yán)禁超過(guò)0.4 MPa，如果超過(guò)，DCS 將報(bào)警，操作人員應(yīng)及時(shí)遠(yuǎn)程手動(dòng)打開放空閥泄壓，泄壓時(shí)放空調(diào)節(jié)閥的開度保持在6%～10%，切記不可大開放空閥，否則物料在高溫高壓下會(huì)猛烈噴到釜外。

（5）降溫。聚合反應(yīng)完成后，物料溫度約150 ℃，不能直接進(jìn)行壓濾，需先對(duì)物料進(jìn)行降溫，因搪瓷反應(yīng)釜耐受的急變溫度不能超過(guò)110 ℃，利用65 ℃熱水將物料降溫至90 ℃。

（6）脫色。將90 ℃的物料轉(zhuǎn)移至盛裝有鋁排的脫色罐中，通過(guò)鋁的酸性溶解及金屬鋁表面腐蝕原電池反應(yīng)，氧化還原溶液中的金屬離子及有機(jī)雜質(zhì)，達(dá)到脫色的目的。

（7）壓濾。用壓縮空氣對(duì)脫色罐出料閥反吹5～10 s，完畢后啟動(dòng)壓濾泵，控制泵的壓力在0.10～0.35 MPa，往壓濾機(jī)中送料，壓濾結(jié)束后開啟沖洗水閥門，將管道內(nèi)殘余物料沖洗干凈，持續(xù)一兩分鐘。成品PAC 濾液進(jìn)入高純PAC 成品中轉(zhuǎn)桶，濾渣卸入洗渣桶中，累計(jì)到一定量后轉(zhuǎn)移至飲用水級(jí)聚合氯化鋁生產(chǎn)線。

3.2 酸溶二步法工藝技術(shù)要點(diǎn)

（1）開啟尾氣處理系統(tǒng)。同酸溶一步法。

（2）配料。開啟反應(yīng)罐注水閥，通過(guò)水流量計(jì)向反應(yīng)罐注入定量的水，使水沒過(guò)鹽酸插入管管口，防止鹽酸加入時(shí)產(chǎn)生大量酸霧，最終配制成濃度為24%～26%的鹽酸，再將計(jì)算稱量好的噸包氫氧化鋁原料分多次投入反應(yīng)罐內(nèi)。

（3）一次反應(yīng)。開啟蒸汽閥門，開始10 min 控制閥門開度在10%左右，緩慢升溫，逐步提高閥門開度，防止蒸汽流量過(guò)大造成物料噴濺。當(dāng)罐內(nèi)物料溫度達(dá)到90 ℃時(shí)，關(guān)閉蒸汽閥門，利用反應(yīng)放出的熱量使溫度升至100 ℃，反應(yīng)3.0～3.5 h，得到半成品—三氯化鋁溶液。

（4）聚合反應(yīng)。將計(jì)算好的鋁酸鈣粉分多次加入反應(yīng)罐中，若投料過(guò)程中溫度太高，漿料會(huì)劇烈反應(yīng)，可暫緩?fù)读?，同時(shí)加入少量自來(lái)水壓制反應(yīng)劇烈程度，投料結(jié)束，待溫度到100 ℃時(shí)開始計(jì)算，保溫1 h，聚合反應(yīng)完成后，加入3.0～4.0 t 自來(lái)水降溫至90 ℃，準(zhǔn)備壓濾。

（5）壓濾。用壓縮空氣對(duì)反應(yīng)罐出料閥反吹5～10 s，完畢后啟動(dòng)壓濾泵，通過(guò)壓濾機(jī)的變頻器控制過(guò)濾壓力在0.02～0.35 MPa，壓濾完成后向反應(yīng)罐中加入2.0～3.0 t 自來(lái)水，啟動(dòng)壓濾泵，對(duì)壓濾泵和管道進(jìn)行沖洗。成品PAC 濾液進(jìn)入飲用水級(jí)PAC 成品中轉(zhuǎn)桶，濾渣卸入洗渣桶中，加水洗滌后轉(zhuǎn)移至濾渣壓濾機(jī)再次壓濾，濾液返回系統(tǒng)再次利用，濾渣轉(zhuǎn)移至渣廠。

4 試生產(chǎn)出現(xiàn)的問題及解決措施

4.1 高純PAC 配料釜物料配比誤差大

高純PAC 配料過(guò)程中，氫氧化鋁加入量采用吊鉤秤稱量方式，比較準(zhǔn)確，而鹽酸加入量則是采用流量計(jì)的計(jì)量方式，鹽酸密度受溫度和濃度影響較大，且鹽酸儲(chǔ)槽與配料釜之間有較長(zhǎng)管道，一定量鹽酸會(huì)殘存在管道中，使鹽酸的加入量變少，不利于氫氧化鋁充分反應(yīng)。

解決措施：在配料釜上安裝高精度稱重模塊，所有與配料釜管口連接的管道改為柔性連接，并將稱重模塊與鹽酸泵的停止聯(lián)鎖，即當(dāng)鹽酸加入量達(dá)到設(shè)定值時(shí)，泵自動(dòng)停止運(yùn)行，保證了鹽酸加入量的準(zhǔn)確性。

4.2 耐酸陶瓷砂漿泵葉輪損壞

飲用水級(jí)PAC 生產(chǎn)線配有2 個(gè)反應(yīng)釜，每個(gè)反應(yīng)釜容積50 m3，每個(gè)反應(yīng)釜配有2 臺(tái)流量為60 m3/h，揚(yáng)程60 m 的耐酸陶瓷砂漿泵，該類型泵具有耐腐蝕、耐磨損、耐溫和維修方便等優(yōu)點(diǎn)，適用于輸送含有懸浮固體顆粒的各種腐蝕性介質(zhì)，使用溫度不能超過(guò)100 ℃，溫度急變需小于50 ℃。飲用水級(jí)PAC聚合反應(yīng)完成后的成品漿料溫度約100 ℃，為保護(hù)泵，同時(shí)提高生產(chǎn)效率，不能讓漿料長(zhǎng)時(shí)間自然冷卻到常溫，溫度冷卻到約90 ℃開始過(guò)濾，過(guò)濾完成后，為防止渣漿料沉積在管道中造成堵塞，立刻就用自來(lái)水沖洗管道，自來(lái)水溫度約20 ℃，陶瓷砂漿泵溫度約90 ℃，溫度急變約70 ℃，遠(yuǎn)大于要求的小于50 ℃，長(zhǎng)期在這種工況下使用，導(dǎo)致陶瓷砂漿泵葉輪碎裂。

解決措施：將耐酸陶瓷砂漿泵更換為過(guò)流部件均為超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）泵，UHMW-PE具有以下優(yōu)異性能：（1）強(qiáng)大的耐磨性，比尼龍66（PA66）、聚四氟乙烯（PTFE）高4 倍，是碳鋼、不銹鋼耐磨性的7～10 倍；（2）強(qiáng)大的耐沖擊性，耐沖擊強(qiáng)度居通用工程塑料之首，是聚丙烯、聚丁二烯和聚苯乙烯等的5 倍，且能在-196 ℃下保持穩(wěn)定；（3）優(yōu)良的耐腐蝕性，UHMW-PE 在-5～100 ℃溫度范圍內(nèi)能耐一定濃度各種腐蝕性介質(zhì)（酸、堿、鹽）及有機(jī)溶劑；（4）摩擦系數(shù)低，僅為0.07～0.11；（5）抗粘性好，抗粘附能力與PTFE 相當(dāng)。

4.3 高純PAC 生產(chǎn)線操作繁瑣

高純PAC 生產(chǎn)線操作流程包括配料、轉(zhuǎn)料、聚合反應(yīng)、降溫和成品壓濾等。

轉(zhuǎn)料前，需要對(duì)配料釜底閥進(jìn)行吹掃，防止沉積在釜底的渣漿堵塞出口，吹掃完成再打開轉(zhuǎn)料泵，轉(zhuǎn)料完成后，關(guān)閉配料釜底閥，開啟自來(lái)水閥門對(duì)泵和管道進(jìn)行沖洗，以防殘留在泵和管道內(nèi)的渣漿沉積堵塞泵和管道。

聚合反應(yīng)階段首先需要打開排污閥，排掉反應(yīng)釜夾套內(nèi)的水，排盡后將排污閥的開度置于10%，以便排出前期加熱產(chǎn)生的大量冷凝水；對(duì)反應(yīng)釜內(nèi)物料進(jìn)行加熱時(shí)，首先需要蒸汽在0.1 MPa 以下預(yù)熱15 min，再逐步加大到0.6 MPa，避免驟熱損壞搪瓷反應(yīng)釜，反應(yīng)釜內(nèi)溫度到達(dá)100 ℃時(shí)，打開疏水閥，關(guān)閉排污閥，再持續(xù)用蒸汽給物料加熱到規(guī)定溫度。

聚合反應(yīng)完成后，得到的成品漿料溫度較高，約150 ℃，不能直接打入壓濾機(jī)進(jìn)行過(guò)濾，應(yīng)進(jìn)行降溫，首先打開夾套熱水進(jìn)水閥和回水閥，啟動(dòng)熱水泵，用約65 ℃的熱水給釜內(nèi)物料降溫至120 ℃，之后停止熱水泵，關(guān)閉熱水進(jìn)水和回水閥，打開循環(huán)水進(jìn)水和回水閥，用循環(huán)水將釜內(nèi)物料降溫至90 ℃后，準(zhǔn)備過(guò)濾。

以上流程，操作步驟多，每一步都要操作人員手動(dòng)操作，操作繁瑣，工作量大，不符合智能工廠的設(shè)計(jì)要求。

解決措施：將轉(zhuǎn)料、聚合反應(yīng)、降溫和成品壓濾等過(guò)程控制模塊化，將手動(dòng)閥門改為自動(dòng)閥門，DCS操作人員只需與現(xiàn)場(chǎng)操作人員確認(rèn)需要手動(dòng)開啟或關(guān)閉的閥門或其他需要現(xiàn)場(chǎng)操作的情況，僅在電腦屏幕上點(diǎn)擊一下編制好的對(duì)應(yīng)步驟的模塊控制按鈕，就可以按編制的程序自動(dòng)進(jìn)行。

4.4 飲用水級(jí)PAC 加鋁酸鈣沸溢

飲用水級(jí)PAC 生產(chǎn)是在常壓條件下進(jìn)行，首先用蒸汽將反應(yīng)釜中的鹽酸與氫氧化鋁的混合物料加熱至90 ℃，并保溫3 h，在此條件下進(jìn)行酸溶氫氧化鋁反應(yīng)，得到PAC 半成品，之后投加鋁酸鈣粉進(jìn)行聚合反應(yīng)，在鋁酸鈣粉投料過(guò)程中，若投料速度過(guò)快，漿料會(huì)劇烈反應(yīng)，放出大量熱使?jié){料沸騰，此時(shí)需要加入冷水對(duì)漿料進(jìn)行冷卻，若冷卻不及時(shí)，導(dǎo)致高溫漿料從加料口溢出，若冷水加入過(guò)多，超過(guò)反應(yīng)釜容積或使成品聚鋁濃度不達(dá)標(biāo)。

解決措施：鋁酸鈣粉采用螺旋給料機(jī)加入到反應(yīng)釜，同時(shí)用螺旋加料機(jī)的加料速度控制冷水流量調(diào)節(jié)閥，讓鋁酸鈣反應(yīng)放出的熱量與冷水吸收的熱量平衡，使物料溫度穩(wěn)定在95 ℃附近，既保證了反應(yīng)的溫度要求和產(chǎn)品質(zhì)量，也保證了操作的安全性。

4.5 脫色桶脫色效果差

高純PAC 在生產(chǎn)過(guò)程中，溶液中溶解了顯色的無(wú)機(jī)離子和有機(jī)物的發(fā)色基團(tuán)，特別是重金屬離子Fe3+、Fe2+，使產(chǎn)品呈現(xiàn)為淡黃色，目前的脫色方法是將壓濾后的PAC 液體打入脫色桶，脫色桶中放有鋁錠，通過(guò)鋁的酸性溶解和金屬鋁表面腐蝕原電池反應(yīng)，氧化還原PAC 溶液中的金屬離子及有機(jī)雜質(zhì)，達(dá)到純化脫色的目的。但在實(shí)際生產(chǎn)中，鋁錠相對(duì)表面積小，而PAC 液體產(chǎn)量約200 m3/d，導(dǎo)致PAC 液體在脫色桶停留時(shí)間短，與鋁錠接觸不充分，金屬離子及有機(jī)雜質(zhì)未反應(yīng)就離開脫色桶。

解決措施：將鋁錠換為鋁制DN25 鮑爾環(huán)，增加PAC 液體與鋁表面的接觸面積，使脫色反應(yīng)進(jìn)行得更充分，脫色完成后，再打入壓濾機(jī)進(jìn)行過(guò)濾，得到的濾液為無(wú)色液體，白度顯著提高。

5 物料及能源消耗

高純PAC 使用的原料為氫氧化鋁、31%鹽酸和自來(lái)水，用到的能源有低壓蒸汽和電；飲用水級(jí)PAC 使用的原料為氫氧化鋁、鋁酸鈣、31%鹽酸和自來(lái)水，能源為低壓蒸汽和電；PAC 干燥裝置以高純PAC 或飲用水級(jí)PAC 生產(chǎn)線的液體PAC 為原料，消耗的能源為天然氣和電。生產(chǎn)的液體高純PAC 和液體飲用水級(jí)PAC 以氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的產(chǎn)品計(jì)算單耗，干燥后的固體PAC 折算為氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的產(chǎn)品計(jì)算產(chǎn)量。經(jīng)性能考核后，得出的物料及能源單耗見表1。

表1 物料及能源單耗

6 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)半年多的試生產(chǎn)和改進(jìn)，華融化學(xué)2 萬(wàn)t/a聚合氯化鋁裝置達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果，生產(chǎn)工藝具有自動(dòng)化程度高、安全環(huán)保性能好、操作方便和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定等特點(diǎn)。2 萬(wàn)t/a 聚合氯化鋁裝置投產(chǎn)后，優(yōu)化了華融化學(xué)氯產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，緩解了“氯”在氯堿企業(yè)難平衡的通病，為公司創(chuàng)造效益1 000 萬(wàn)元/a，同時(shí)也為西南片區(qū)的飲用水安全提供了有力保障。