曼海姆法硫酸鉀裝置綜合改造及建議

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單，設(shè)備數(shù)量少，但也時常會出現(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費力。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生產(chǎn)裝置進行優(yōu)化和改進，在源頭上杜絕或減少影響生產(chǎn)的狀況發(fā)生，使生產(chǎn)得以順利進行。

1 裝置工藝流程

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)室出口進入密閉的推料冷卻機內(nèi)進行冷卻，然后經(jīng)中和、粉碎、篩分后進入料倉，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。

2 曼海姆爐改造及建議

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)量是否達標主要在于曼海姆爐。曼海姆爐出現(xiàn)的主要問題是產(chǎn)品質(zhì)量不達標，表現(xiàn)在硫酸根離子含量超標。此外，還存在內(nèi)件腐蝕嚴重、耙齒磚易掉落、爐床漏酸、熱量損失大等問題，嚴重影響生產(chǎn)正常進行。因此，需對曼海姆爐進行優(yōu)化和改造，才能保證曼海姆爐穩(wěn)定運行，進而保證硫酸鉀優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。

2.1 改造措施

2.1.1 采用耐高溫導(dǎo)熱性能優(yōu)異的碳化硅磚

為達到曼海姆爐物料反應(yīng)所需熱量，降低燃氣消耗，內(nèi)襯采用耐高溫導(dǎo)熱性能優(yōu)異的碳化硅磚，此磚1 000 ℃時導(dǎo)熱系數(shù)為11.4，碳化硅質(zhì)量分數(shù)為88%～90%，氣孔率小于18%，密度為2.6 g/cm3，高溫抗折強度1 500 ℃時耐壓45 MPa以上，該磚可使用4～5 a。一般來說，在達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。為更好地阻止爐體熱量向外擴散，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。對于邊齒，夾磚器焊接加強筋，把更換下來的廢舊護瓦割成條形，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時間處于高溫灼燒狀態(tài)，該部位最高溫度可達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，對火道下部爐磚起到保護作用，防止火道下部爐磚長時間高溫灼燒產(chǎn)生裂縫，延長該磚使用時間。

2.2 改進建議

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，減少了煙氣對煙氣引風(fēng)機的高溫灼燒，延長了煙氣引風(fēng)機的使用周期。

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順著該縫隙進入煙道室，流入煙道管、復(fù)熱器以及引風(fēng)機造成腐蝕，使生產(chǎn)無法進行。泄漏不嚴重的時候，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。泄漏嚴重時，將煙道管接到防爆口，維持生產(chǎn)，待檢修時處理[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1 200 ℃以上；若塌陷范圍較大，在塌陷處放進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 嚴禁燃燒室正壓

若燃燒室正壓，火焰會順著燃燒口往爐外噴火。長時間燃燒室正壓，會對燃燒室爐頂磚造成損壞。在煙氣引風(fēng)機閥門全開的情況下，正壓產(chǎn)生的原因有：①燃氣閥門開得過大；②燃氣中有效組分含量不夠；③助燃空氣配比過多。應(yīng)根據(jù)實際情況進行處理，防止燃燒室正壓。處于燃燒室火焰正上部的高鋁磚長期處于1 000 ℃以上高溫灼燒會導(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，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)進行，二者在反應(yīng)室爐床上進行反應(yīng)，溫度可達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，爐門應(yīng)交替使用，用一個爐門清理耙齒1～2個月，再使用另一個爐門清理耙齒1～2個月。

3 氯化氫氣體吸收系統(tǒng)改造及建議

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，其運行效果直接影響環(huán)保達標。氯化氫氣體吸收效果不好，尾氣煙尾較長，廠房內(nèi)彌漫較重的氯化氫氣味，既不符合環(huán)保要求，也對職工身心健康造成損害。

3.1 改造措施

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φ500 mm × 3 925 mm降膜塔基礎(chǔ)上增加1臺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臺尾氣吸收塔和2臺混酸塔裝填瓷環(huán)時，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，風(fēng)量為4 800 m3/h，功率11 kW，采用變頻調(diào)速，風(fēng)機風(fēng)壓可調(diào)。應(yīng)注意防止風(fēng)機頻率過高，而使爐中熱量帶走太多，致使爐中溫度降低。

3.2 改進建議

3.2.1 增加1臺尾氣吸收塔

夏季氣溫超過38 ℃的地區(qū)，應(yīng)增加1臺尾氣吸收塔，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，尤其太陽升起后，溫度提高更為明顯。

3.2.3 增大鹽酸儲存能力

為防止鹽酸脹庫而停車，應(yīng)增大鹽酸儲存能力，按照2臺爐子產(chǎn)75 t/d鹽酸計算，鹽酸儲存能力應(yīng)達到20 d的儲存量即1 500 t及以上。很多企業(yè)因儲存能力的不足，而后期不得不上大容量儲罐。

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個中和池。酸性水流入中和池，加堿中和后排放。也可增加1個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號塔，作為制取混酸的補充液。這樣既回收了酸性水，又節(jié)省作為2號混酸塔補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

廠房內(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鋼筋對降膜塔列管內(nèi)壁附著的油泥類物質(zhì)進行清理；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]。

4 上料和出料系統(tǒng)改造及建議

上料和出料系統(tǒng)容易出現(xiàn)堵料及運轉(zhuǎn)設(shè)備故障，影響生產(chǎn)正常進行，是增加職工勞動強度最大的地方。該處設(shè)備布局、選型及運行都至關(guān)重要。因此，曼海姆硫酸鉀廠家應(yīng)借鑒其他廠家的先進經(jīng)驗，減少裝置故障率。

4.1 改造措施

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、螺旋出料器、皮帶機、斗提機、粉碎機、成品推料機進入料倉。從爐子出來的硫酸鉀410 ℃，進入推料冷卻機冷卻后，實測物料96 ℃(夏季)。如果出料系統(tǒng)流程短，熱量散發(fā)不出去，包裝過程中就會燙壞包裝袋。有幾種解決方式：①廠家根據(jù)自身出料設(shè)備及成品料倉位置的實際情況，在粉碎機后加設(shè)成品螺旋推料機和斗提機，以及振動篩或者滾筒篩等，增長出料流程，起到自然降溫作用；②用刮板機代替皮帶，刮板機底部有冷卻水套，通入冷卻水可對物料起冷卻作用，效果非常好；③也可增加1臺鼓風(fēng)機，通入空氣降溫。

4.1.2 增大粉碎機處理能力

生產(chǎn)過程中選用11 kW粉碎機，粉碎能力小，正常出料狀況，能滿足生產(chǎn)需要。實際生產(chǎn)中添加返料和石灰粉以及收塵器物料返回等，粉碎機頻繁堵料跳車。采用2套出料系統(tǒng)，即物料從皮帶機進入2臺斗提機、2臺粉碎機、2臺成品螺旋推料機后進入料倉，可極大緩解粉碎機堵料跳車，使生產(chǎn)穩(wěn)定進行。

4.1.3 增大斗提機能力

成品斗提能力小，雖能夠滿足2臺爐子生產(chǎn)負荷，但影響返料加入速度，成品（原料）斗提機能力最好能增大至最大生產(chǎn)負荷1.5～2倍，由原來處理量2.5 t/h，增大為4～5 t/h。斗提機能力增大，傳動裝置可采用齒輪減速機，以取代擺線減速機，減速機輸入端和輸出端通過皮帶輪帶動。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 ×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，滾筒篩或者震動篩的運用遠沒有在粉碎機內(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°，并縮短出料管長度，由長度40 cm縮短至30 cm，降低出料器對物料造成的阻力，并增大電機功率，采用3.0 kW電機。

4.2 改進建議

4.2.1 更改上料斗提機位置

原設(shè)計上料斗提機垂直于4樓輸送機，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)使斗提正對著4樓輸送機，二者成一字型，叉車叉料開進廠房后無需拐彎，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的斗提機軸承

斗提機軸承的選擇也很重要。生產(chǎn)中，無論是上料斗提機還是成品斗提機，時常發(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）以上型號的，寧愿“大馬拉小車”，也要防止軸承損壞。

5 公用設(shè)施改造及建議

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轉(zhuǎn)的必要條件。

5.1 改造措施

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（個別廠家也有使用白鋼管），硫酸管線長時間使用，硫酸對管子進行沖刷和腐蝕極易泄漏，補焊有難度，因管內(nèi)硫酸放凈后含有氫氣，焊接時容易爆燃。采用襯氟塑料鋼管，多管段采用法蘭連接，更換方便，長時間使用效果良好。

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，冷水池水位高時溢流到熱水池，此孔洞一定要大于200 mm × 200 mm，最好設(shè)置長方形孔洞3～4個（隔墻長6 m），長×寬為200 mm × 200 mm。夏季熱水泵水流量大，熱水冷卻后流進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，該泵無機封，全密閉，可有效避免原來所用的離心泵機封泄漏。

5.2 改進建議

5.2.1 增加廠房兩端的長度

在用的廠房長度為42.5 m，原料上料和成品包裝位于廠房兩端?，F(xiàn)今裝置都采用叉車叉托盤上料和出料，廠房兩端就顯得狹窄。新建裝置應(yīng)將廠房兩側(cè)各加長3 m，方便使用叉車。

5.2.2 新建工廠應(yīng)注意用電負荷

曼海姆法硫酸鉀裝置（2套曼海姆爐）用電負荷基本上為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)生過總電機功率達到255 kW（統(tǒng)計所用電機功率），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)電機容量最好選用300 kW（額定電流540 A）以上（包含辦公用電）。

6 結(jié)語

對于曼海姆法硫酸鉀裝置，對設(shè)備進行改造，對影響生產(chǎn)之處進行改進，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)實際狀況的工藝、設(shè)備、電氣等，既能減輕職工勞動強度，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)定運行創(chuàng)造條件。