大型HF反應窯的優(yōu)化設計

邢桂萍 李 翔

（三門峽化工機械有限公司)

大型HF反應窯的優(yōu)化設計

邢桂萍*李 翔

（三門峽化工機械有限公司)

對困擾HF反應窯的嚴重腐蝕與結(jié)疤問題及夾套的密封問題進行分析，對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及夾套的密封進行優(yōu)化設計，成功地解決了HF生產(chǎn)中存在的難題。

反應窯 腐蝕 氫氟酸 夾套 密封 優(yōu)化設計

0 前言

氫氟酸 （HF）產(chǎn)品用途廣泛，主要用于生產(chǎn)氟里昂等制冷設備的媒體以及用于生產(chǎn)軍工產(chǎn)品。HF反應窯是HF工業(yè)生產(chǎn)中的關鍵設備，其設備及其配套設施占項目總投資的60%以上。經(jīng)調(diào)研，目前困擾HF生產(chǎn)的難題是反應窯的嚴重腐蝕與結(jié)疤。在200～400℃的高溫時，并且在H2SO4與HF的聯(lián)合腐蝕作用下，碳鋼和合金鋼均被腐蝕。CaF2與H2SO4在爐內(nèi)混合時，由于H2SO4的加入量很大，反應混合物成爛泥狀粘到窯壁上，不但使反應不能很好進行，而且對窯壁產(chǎn)生強腐蝕，影響傳熱，浪費大量能源。由于設備受損嚴重，經(jīng)常停車維修，設備的運轉(zhuǎn)率很低，維修費用很大，生產(chǎn)受到嚴重影響，產(chǎn)品成本相對較高，在很大程度上制約了HF的生產(chǎn)。

對反應窯的嚴重腐蝕與結(jié)疤問題，長期以來國內(nèi)外的專家們一直在研究尋找解決的方法：有的研究高性能的抗H2SO4與HF腐蝕的材料；有的改進生產(chǎn)工藝；有的采用窯外預反應器、預混器等辦法；有的在窯內(nèi)加入各種各樣的機械構(gòu)件 （如大螺旋等），用于破碎窯內(nèi)壁的結(jié)疤物料。這些方法雖然取得了一定程度的效果，但卻不能從根本上解決問題，特別是有些方法將使企業(yè)增加大量的設備投資，且設備運行成本較高，從而增加了生產(chǎn)成本。因此，結(jié)疤和腐蝕問題一直是困擾HF企業(yè)生產(chǎn)的最大問題之一。

另外，HF反應窯夾套內(nèi)加熱氣體 （大于600℃）的密封和保證加熱均勻從而使反應達到完全以及提高產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)能減排等，也都是HF生產(chǎn)中需要解決的重要課題。

1 大型HF反應窯的先進技術和科技創(chuàng)新點

我們的設計理念是從原來國內(nèi)外專家的思路中另辟蹊徑，即從內(nèi)返料裝置著手，設計了新的內(nèi)返料裝置。經(jīng)過一年的試生產(chǎn)，并經(jīng)過多次大的改進，終于找到了一個至少在目前看來是行之有效而又不使生產(chǎn)工藝復雜化、較為經(jīng)濟的解決辦法，其技術先進性和創(chuàng)新點如下：

（1）采用內(nèi)返料技術克服了結(jié)疤、腐蝕等難題，提高了產(chǎn)量，降低了成本，延長了設備壽命。

內(nèi)返料裝置由進料器、返料器、混料器、反應器等部件組成，結(jié)構(gòu)簡單緊湊。在HF反應窯的特定部位設置內(nèi)返料裝置，將該部位未完全反應的物料按最佳比例返回一部分至窯頭與進料混合，形成合理的固液比，這樣就有效地解決了CaF2與H2SO4混合反應時結(jié)疤的難題，同時使物料的腐蝕性大大降低，反應速度和轉(zhuǎn)化率有較大的提高。經(jīng)測試：產(chǎn)量提高40%以上，成本下降30%左右，物料轉(zhuǎn)化率提高25%以上，設備使用壽命延長了5倍。

（2）窯頭、窯尾密封處采用三道密封，解決了HF泄漏問題。

在HF反應窯的窯頭、窯尾動靜密封處采用了三道密封 （PTFE波紋管、機械密封、燕尾槽＋PTFE），確保設備在工作內(nèi)壓0.001 MPa下不漏氣（實驗壓力為0.002 MPa不漏氣），解決了HF反應窯普遍存在的漏氣問題，避免了HF泄漏對環(huán)境造成的污染和對人體造成的危害。

（3）夾套的密封采用三道石墨復合材料密封，確保加熱氣體不泄漏。

在轉(zhuǎn)動的筒體和靜止的夾套之間動靜密封處，采用三道石墨復合材料密封，密封結(jié)構(gòu)采用自緊式。隨著密封塊的磨損，自緊裝置始終壓緊密封塊，從而保證了密封效果。加熱氣體不泄漏可節(jié)能5%以上，同時還減少了對環(huán)境的污染。

（4）夾套加熱氣體采用多點進口，以保證窯內(nèi)處于最佳工作狀態(tài)。

在夾套的長度方向上設置4個加熱氣體進口，代替原來的一個進口，從而保證了窯內(nèi)工作溫度為200～400℃，避免了加熱氣體從一個進口進入后出現(xiàn)前段過熱、后段欠熱的現(xiàn)象，提高了窯內(nèi)物料的反應速度。

（5）在HF主要反應區(qū)域采用耐高溫H2SO4與HF等混酸聯(lián)合腐蝕的材料作內(nèi)襯 （最好是復合內(nèi)襯），用于防止氛圍腐蝕。

（6）反應窯配備硬齒面減速機、液力偶合器，托輪裝置采用重載軸承等，使設備運轉(zhuǎn)效果更好。

2 測試結(jié)果

我們將國內(nèi)某10 000 t/a HF生產(chǎn)裝置采用本文的改造技術前后的情況進行了對比，其結(jié)果如表1所示。

表1 某10 000t/aHF生產(chǎn)裝置改造前后情況對比

3 優(yōu)化后的大型HF反應窯取得的效果

通過近4年的生產(chǎn)實踐證明，優(yōu)化后的HF反應窯取得了如下效應：

（1）采用內(nèi)返料裝置的HF反應窯，成功地解決了HF生產(chǎn)中存在的嚴重腐蝕與結(jié)疤兩大難題，同時解決了HF出氣口積料的問題，反應接近完全，產(chǎn)量提高20%～40%；

（2）排出的尾渣中CaF2與H2SO4的殘余量很微小，生產(chǎn)過程中基本上不用加石灰來中和H2SO4（除非操作失誤），不僅可以甩掉笨重的大螺旋，減少爐內(nèi)內(nèi)襯面積，降低原材料消耗，而且大大地減少了腐蝕；

（3）減少了維修次數(shù)，提高了開工率，設備運行費用大幅度下降，從而使整個生產(chǎn)成本大大下降，增加了企業(yè)的利潤，生產(chǎn)管理也很輕松，又不污染環(huán)境，經(jīng)濟效益和社會效益顯著。

從目前用戶使用情況來看，只要采用合理的生產(chǎn)工藝、優(yōu)質(zhì)的原料，并且操作得當，設備的維修周期可延長至一年一次。整臺設備正常的年開車時間可達330 d以上。內(nèi)襯厚10 mm的鎳基合金在使用近4年后未發(fā)現(xiàn)腐蝕，估計其使用壽命在10年以上，內(nèi)返料裝置預計使用壽命在5年以上。此外，產(chǎn)生的社會效益將十分巨大。我們希望這個成功的技術能夠為國內(nèi)諸多的HF和AlF3生產(chǎn)企業(yè)服務，使大家都能夠受益。

[1]童景山.化工熱力學 ［M］.北京：清華大學出版社，1995.

[2]童景山，李敬.流體熱物理性質(zhì)的計算 ［M］.北京：清華大學出版社，1982.

[3]HG/T 20566—1994.化工回轉(zhuǎn)窯設計規(guī)定 [S].

Optimization of Large-scale Reaction Kiln for HF

Xing Guiping Li Xiang

This paper analyzes problems of HF reaction kiln including severe corrosion,scarring and jacket seals,optimizes the design of its internal structure and jacket seals,and successfully resolves the problems in HF production.

Reaction kiln;Corrosion;HF;Jacket;Seal;Optimization

TQ 054

*邢桂萍，女，1969年生，助理工程師。三門峽市，472000。

2011-10-13）