曼海姆法硫酸鉀生產(chǎn)裝置技術(shù)改造總結(jié)

黃 平

(金正大生態(tài)工程集團股份有限公司 山東臨沂 276700)

1992 年,云南磷肥廠從日本引進了曼海姆法硫酸鉀生產(chǎn)技術(shù),建成了我國首套曼海姆法硫酸鉀生產(chǎn)裝置[1],由此拉開了曼海姆法技術(shù)和設(shè)備國產(chǎn)化的序幕。 經(jīng)過近30 年的發(fā)展,國內(nèi)企業(yè)已掌握該技術(shù),生產(chǎn)設(shè)備已完全實現(xiàn)國產(chǎn)化。

采用曼海姆工藝生產(chǎn)硫酸鉀的企業(yè)較多,但各企業(yè)對該技術(shù)的掌握水平參差不齊。 從生產(chǎn)技術(shù)角度看,很多生產(chǎn)企業(yè)仍然存在較多影響產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)能、工藝穩(wěn)定性、生產(chǎn)連續(xù)性、環(huán)保等方面的問題。 本文就某40 kt/a 曼海姆法硫酸鉀生產(chǎn)裝置在運行中存在的問題和解決措施進行總結(jié)。

1 生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題及解決措施

曼海姆法硫酸鉀生產(chǎn)工藝流程見圖1。

圖1 曼海姆法硫酸鉀生產(chǎn)工藝流程

1.1 原料計量

1.1.1 氯化鉀料倉和計量

(1)存在問題

氯化鉀在30 ℃時的臨界相對濕度為84%[2]。 該曼海姆法硫酸鉀生產(chǎn)裝置所在地年平均溫度為29～32 ℃,環(huán)境平均濕度為71%～85%,倉庫中的氯化鉀容易吸潮。 設(shè)計中采用錐形底料倉貯存氯化鉀,錐體傾斜度近70°,仍經(jīng)常出現(xiàn)物料在料倉內(nèi)起拱、搭橋的情況,導(dǎo)致下料不暢,操作工只能通過敲打料倉的方法予以緩解。 長時間敲擊料倉會破壞其表面防腐層,造成料倉表面出現(xiàn)銹蝕;而且多次敲擊后,在料倉表面留下深淺不一的凹坑,加劇了下料不暢,形成惡性循環(huán)。

設(shè)計中氯化鉀采用螺旋給料機計量[3],該螺旋給料機無稱重傳感器,通過變頻調(diào)速調(diào)節(jié)加料量。 在設(shè)備試運行階段,通過測定螺旋給料機在不同轉(zhuǎn)速下單位時間內(nèi)的給料量,繪制轉(zhuǎn)速與給料量的關(guān)系曲線,模擬得到經(jīng)驗公式。 在實際生產(chǎn)中,根據(jù)需要的氯化鉀量,通過該經(jīng)驗公式計算出給料機的轉(zhuǎn)速,然后完成轉(zhuǎn)速設(shè)定即可。 但此種計量方式無法實時顯示具體加料量且精度較差,一旦出現(xiàn)氯化鉀下料不暢,進入螺旋給料機的物料量可能小于需求量,甚至出現(xiàn)螺旋給料機空轉(zhuǎn)的情況,此時操作人員即使發(fā)現(xiàn)氯化鉀加料量不足,也無法判斷出具體偏差值,只能同時停止氯化鉀和硫酸加料,待氯化鉀下料不暢問題解決后重新開始向反應(yīng)爐進料;如果操作人員未能及時采取措施,加入反應(yīng)爐的硫酸將過量,不僅造成產(chǎn)品質(zhì)量不合格,而且過量的硫酸容易損壞爐底,導(dǎo)致漏料堵塞下煙道。

(2)改造措施

將氯化鉀料倉和螺旋給料機整體更換為失重秤。 失重秤由料斗、星型下料器、稱重傳感器、螺旋輸送機、振打電機等組成,在料斗支撐點設(shè)置稱重傳感器,料斗通過其下部長方形出料口與螺旋輸送機連接,形成一個整體,避免了堵料、架橋情況出現(xiàn),解決了下料不暢的問題。 稱重傳感器稱取整個失重秤系統(tǒng)的質(zhì)量,單位時間內(nèi)系統(tǒng)質(zhì)量的減少值即為加入反應(yīng)爐的氯化鉀質(zhì)量,可就地或遠(yuǎn)程監(jiān)視和調(diào)節(jié),計量精度大大提高。

1.1.2 硫酸計量

(1)存在問題

原設(shè)計中硫酸采用玻璃轉(zhuǎn)子流量計計量。 玻璃轉(zhuǎn)子流量計價格便宜,安裝方便,但計量誤差較大,流量數(shù)據(jù)無法對外傳輸和實時監(jiān)控,且玻璃易碎,容易損壞。

(2)改造措施

將轉(zhuǎn)子流量計更換為電動調(diào)節(jié)閥和電磁流量計,不僅提升了計量精度,而且可在控制室遠(yuǎn)程設(shè)定和調(diào)節(jié)流量,還可實現(xiàn)與氯化鉀的加料量聯(lián)鎖。

1.2 反應(yīng)爐系統(tǒng)

1.2.1 硫酸下酸管

(1)存在問題

硫酸經(jīng)下酸管和分布器后進入反應(yīng)爐爐床,反應(yīng)爐內(nèi)硫酸與氯化鉀中的水分在高溫下變成氣體,導(dǎo)致下酸管腐蝕。 一般下酸管使用3 ～4 周就會嚴(yán)重腐蝕穿孔且難以修補,必須更換。

(2)改造措施

腐蝕下酸管的最大因素是高溫和硫酸的強腐蝕特性。 將硫酸下酸管改為夾套結(jié)構(gòu),即在酸管外面制作一個夾套,向夾套內(nèi)持續(xù)通入冷空氣對下酸管進行冷卻,降低下酸管溫度,以延緩管道腐蝕速率。 改造后,夾套下酸管的使用壽命達3 個月以上,降低了更換和維修成本。

1.2.2 燃燒器

(1)存在問題

設(shè)計中采用傳統(tǒng)的燃燒器[4],通過手動調(diào)節(jié)天然氣和空氣的流量來控制燃燒室溫度,具有結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜的優(yōu)點。 但由于無流量計,操作人員只能根據(jù)燃燒室火焰顏色等大致判斷天然氣與空氣的配比是否合適,容易產(chǎn)生天然氣燃燒不充分,或因空氣過量帶走熱量后造成熱損失等問題。

如果燃燒器在使用中突然熄火,未燃燒的天然氣將在燃燒室內(nèi)聚集,濃度快速升高,甚至達到爆炸極限,此時如果燃燒器立即重新點火,就可能發(fā)生爆炸。 根據(jù)操作規(guī)程,燃燒器突然熄火后應(yīng)該立即關(guān)閉天然氣閥門,開啟引風(fēng)機抽風(fēng)一定時間后,再重新點火。 由此可見,傳統(tǒng)燃燒器在生產(chǎn)中存在安全風(fēng)險。

(2)改造措施

將傳統(tǒng)燃燒器更換為自動控制燃燒器,實現(xiàn)了天然氣減壓、計量、點火、火焰探測的自動控制。天然氣和空氣流量根據(jù)燃燒室溫度設(shè)定值按配比自動調(diào)節(jié),避免了天然氣燃燒不充分或空氣過量造成熱損失的問題。 生產(chǎn)中如果燃燒器突然熄滅,天然氣進氣閥將自動關(guān)閉,并保持引風(fēng)機繼續(xù)運行至少3 min,可避免燃燒器重新點火時發(fā)生爆炸事故。

1.2.3 主減速機油泵

(1)存在問題

主減速機是反應(yīng)爐主電機的減速設(shè)備,對保證耙臂穩(wěn)定運行十分重要。 減速機齒輪的潤滑采用安裝在減速機機身上的油泵循環(huán)潤滑油來實現(xiàn)。 油泵入口設(shè)有過濾網(wǎng),可濾除潤滑油中的雜質(zhì)。 在運行過程中,因濾網(wǎng)堵塞、油管堵塞、油泵齒輪磨損等原因,造成潤滑油流量不足甚至斷流,進而導(dǎo)致主減速機齒輪磨損加速或損壞。

(2)改造措施

在主減速機油泵出口管上安裝一塊抗震壓力表,壓力表信號接入中控室,并設(shè)置油壓失壓報警。 如果出現(xiàn)油泵前濾網(wǎng)或油管堵塞、油泵故障,造成潤滑油流量不足、壓力下降,中控室分散控制系統(tǒng)將自動報警。

1.2.4 大齒輪

(1)存在問題

反應(yīng)爐的主軸大齒輪暴露在外,沒有防護隔離設(shè)施。 運行一段時間后,齒輪上會粘上一層粉塵和細(xì)沙,這將加快大齒輪的磨損。 大齒輪為動設(shè)備,暴露在外,存在發(fā)生人身安全事故的風(fēng)險。

(2)改造措施

給主軸大齒輪安裝防護罩,隔絕粉塵和風(fēng)沙,減輕大齒輪的非工作性磨損,也可避免因人員不小心碰到大齒輪發(fā)生安全事故。

1.3 氯化氫吸收系統(tǒng)

1.3.1 鹽酸泵

(1)存在問題

原設(shè)計鹽酸泵采用玻璃鋼材質(zhì)的離心泵,但泵的機械密封頻繁損壞,短則不到7 d 就開始漏酸,最長的也不超過2 個月。 機械密封損壞后,泄漏的鹽酸造成泵基礎(chǔ)、地坪和鋼結(jié)構(gòu)腐蝕,空氣中彌漫著較重的氯化氫氣味[5],操作環(huán)境較差,嚴(yán)重時出現(xiàn)煙囪冒白煙的現(xiàn)象。

(2)改造措施

磁力泵依靠磁力驅(qū)動,無機械密封,故將鹽酸循環(huán)泵和輸送泵更換為磁力泵。 更換后,鹽酸泄漏問題得到解決,操作環(huán)境大為改善。 與離心泵相比,磁力泵雖采購成本較高,但故障率低,使用壽命長,鹽酸吸收系統(tǒng)能穩(wěn)定運行,備品、備件數(shù)量和維修人工成本降低,具有較高的性價比。

1.3.2 氯化氫管道

(1)存在問題

反應(yīng)爐至石墨冷卻器的氯化氫管道采用碳鋼材質(zhì)[6],但反應(yīng)室溫度為500 ～540 ℃,超過了碳鋼正常使用溫度(不高于425 ℃)。 一般情況下,該管道使用2～3 個月即因腐蝕嚴(yán)重,需拆下維修或更換。

(2)改造措施

將該管道材質(zhì)更換為不銹鋼,管道使用壽命延長至5 個月左右,有利于裝置的連續(xù)運行。

1.3.3 降膜吸收塔

(1)存在問題

生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)降膜吸收塔端部有黑色油泥并堵塞部分列管,降低了氯化氫的吸收效果。

(2)改造措施

通過對黑色油泥成分的分析,判斷其主要來自氯化鉀中的防結(jié)塊劑。 該防結(jié)塊劑為有機物,高溫下被硫酸碳化后隨氯化氫氣體進入降膜吸收塔,經(jīng)冷卻和洗滌后形成黑色油泥。 因此,禁止使用添加有機防結(jié)塊劑的氯化鉀作為生產(chǎn)原料。

1.3.4 氯化氫尾氣風(fēng)機

(1)存在問題

原設(shè)計選用固定轉(zhuǎn)速的氯化氫尾氣風(fēng)機,難以根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷和氯化氫氣體吸收系統(tǒng)阻力變化,實時調(diào)節(jié)反應(yīng)室負(fù)壓。

(2)改造措施

將固定轉(zhuǎn)速風(fēng)機更換為變頻風(fēng)機。 變頻風(fēng)機可以根據(jù)反應(yīng)室負(fù)壓、生產(chǎn)負(fù)荷和氯化氫吸收系統(tǒng)阻力的變化,實時自動調(diào)節(jié)風(fēng)機風(fēng)量,穩(wěn)定爐膛壓力,以滿足實際工況的要求。

1.4 自動控制

(1)存在問題

原設(shè)計除氯化鉀螺旋給料機轉(zhuǎn)速采用PLC現(xiàn)場調(diào)節(jié)外,其他參數(shù)均采用手動控制,氯化鉀與硫酸、天然氣與空氣配比無法實時精準(zhǔn)控制,反應(yīng)室負(fù)壓、燃燒室負(fù)壓、反應(yīng)室溫度、燃燒室溫度、氯化鉀加料量、硫酸流量、鹽酸濃度、反應(yīng)爐主電機運行狀態(tài)等重要參數(shù)無法實現(xiàn)集中監(jiān)控。

(2)改造措施

安裝一套分散控制系統(tǒng),將重要的流量、溫度、壓力、液位、濃度、電流等數(shù)據(jù)接入中控室,進行實時監(jiān)視、控制,并根據(jù)需要設(shè)置自動報警。

按照工藝流程,在分散控制系統(tǒng)中對上下游的動設(shè)備啟停順序設(shè)置聯(lián)鎖。 此外,對氯化鉀和硫酸、天然氣和空氣加料量設(shè)置自動配比調(diào)節(jié)并聯(lián)鎖,防止過量,提升計量精度,為產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定提供有力保障。

2 改造后經(jīng)濟效益

40 kt/a 硫酸鉀生產(chǎn)裝置改造前后投資情況見表1。

表1 40 kt/a 硫酸鉀生產(chǎn)裝置改造前后投資情況 萬元

從表1 可知,改造總投資增加了114.94 萬元,按固定資產(chǎn)10 年折舊期計算,生產(chǎn)成本增加了2.87 元/t。 從投資主項看:①氯化鉀料倉和螺旋給料機改為失重秤稱重系統(tǒng),投資少量增加;②硫酸現(xiàn)場轉(zhuǎn)子流量計升級為電動調(diào)節(jié)閥和電磁流量計,投資增加了9.60 萬元,實現(xiàn)了硫酸自動化和精確控制,有利于保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定;③自動控制燃燒器增加了較多投資,但安裝后天然氣與空氣可按配比精確控制,避免了天然氣燃燒不充分的問題,實現(xiàn)了點火控制器點火與燃燒室內(nèi)天然氣濃度聯(lián)鎖,消除了發(fā)生爆炸的隱患;④鹽酸泵改為磁力泵后,雖然投資增加了8.80 萬元,但磁力泵的故障率較離心泵的大幅降低,備品、備件費用大幅減少,泵的運行成本降低;⑤安裝分散控制系統(tǒng)后,有助于穩(wěn)定工藝操作,生產(chǎn)系統(tǒng)可保持在最優(yōu)運行狀態(tài)。

經(jīng)測算,改造前硫酸鉀的生產(chǎn)成本約4 342 元/t,改造增加的2.87 元/t 生產(chǎn)成本僅占總成本的0.066%。 由此可見,改造增加的生產(chǎn)成本對總成本影響很小,本次改造具有較好的經(jīng)濟效益和性價比。

3 結(jié)語

(1)將氯化鉀計量改用失重秤、以電動閥和電磁流量計進行硫酸計量,大大提高了計量精度,實現(xiàn)了對原料的自動和精準(zhǔn)控制,有利于產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。

(2)更換自動控制燃燒器、反應(yīng)爐齒輪安裝防護罩、主減速機油泵安裝壓力表后,提高了裝置的安全性,有利于安全穩(wěn)定生產(chǎn)。

(3)安裝分散控制系統(tǒng)、更換氯化氫尾氣風(fēng)機有助于穩(wěn)定工藝操作,使生產(chǎn)系統(tǒng)保持在最優(yōu)運行狀態(tài)。

(4)鹽酸泵改為磁力泵,故障率大幅降低,有利于鹽酸吸收系統(tǒng)的長時間連續(xù)運行。

(5)更換硫酸下酸管和氯化氫管道后,縮短了檢修時間,提升了裝置連續(xù)生產(chǎn)時間。

通過改造,很好地解決了原生產(chǎn)過程中存在的各種問題,增加的總投資僅使硫酸鉀生產(chǎn)成本增加2.87 元/t,具有較好的經(jīng)濟效益和性價比。