氟化氫反應爐吐酸的原因及處理措施

魏學 安浩俊

摘 要：反應爐吐酸不僅腐蝕設備，還降低反應效率且惡化工作環境，本文通過工藝、設備、原材料、三方面進行原因分析并尋求解決辦法，從根本上解決氟化氫反應爐吐酸的問題。氟化氫反應爐吐酸就是：螢石和硫酸在氟化氫反應爐內混合后，物料呈稀糊狀時從氟化氫反應爐爐頭動靜環處的縫隙中擠出的稀糊狀酸泥。

關鍵詞：氟化氫反應爐;吐酸;結殼;溫度;填充率

1 工藝簡介及反應機理

氟化氫反應爐是氟化氫制取的關鍵反應設備，一般是外熱式反應爐。氟化氫反應爐在生產過程中，通過電機傳動按順時針方向轉動，采用動靜環密封，防止氟化氫氣體溢出。將螢石與硫酸送入內返渣反應爐后，發生的化學反應方程式為：

CaF2+H2SO4=CaSO4+2HF↑

反應物料性狀從稀糊狀變成粘稠狀，最后成為干燥狀。物料在反應過程中的影響因素有：原材料質量、給料量的精確度、反應溫度、物料停留時間、爐內尾渣填充率、設備密封完好等因素影響。

2 氟化氫反應爐吐酸的原因

2.1 原材料影響

2.1.1 原材料水分影響

生產氟化氫要求螢石中氟化鈣》97%，碳酸鈣《0.6%，水份《0.1%，原料中過高的水分會造成爐內尾渣變潮，流動性變差，排渣困難，進而造成氟化氫反應爐填充量大大增加，即反應爐電流偏高，造成進料困難，出現爐頭吐酸的現象。

2.1.2 螢石中碳酸鈣影響

碳酸鈣在反應爐內發生反應為：

CaCO3+H2SO4→CaSO4+H2O+CO2

該反應在高溫條件下劇烈反應，該反應加速硫酸與螢石的反應，造成物料在爐頭快速劇烈反應，直接生成堅固的硫酸鈣包裹在物料的表面，形成巨大的擴散阻力，造成其內部未反應完全的HF氣體無法溢出，同時物料性狀從粘稠狀直接成為表面堅固的大塊，粘連在爐壁上形成大面積結殼，嚴重的甚至形成“渣墻”。該現象一方面造成反應爐傳熱不良，降低反應效率;另一方面造成反應爐爐頭填充量增加，渣層高度升高，稀糊狀物料易從動靜環處擠出，出現爐頭吐酸的現象。

2.2 設備方面

①反應爐密封不嚴空氣漏入系統及計量設備不準確。該工藝生產過程是將螢石通過申克稱計量后進入反應爐參與反應，生產過程中常常由于螢石細或潮，造成下料不穩定，計量不準確。硫酸是通過離心泵輸出后經過流量計計量后進入反應爐參與反應，流量波動較大，給料酸不精確。反應爐密封裝置在爐體的長時間連續運轉過程中硬連接，接觸面磨損嚴重受力不均，不能完全嚙合，甚至出現動靜環缺口斷裂，從而導致空氣不定量的進入反應系統。造成給料酸偏多且水分偏高，物料潮且粘，不僅易粘連爐壁且造成排渣困難，填充量增加，爐頭吐酸;

②由于大量的水分進入反應爐系統，加速了設備的腐蝕，內返渣筒子及內返渣螺旋腐與筒子磨損嚴重，形成漏渣，阻礙尾渣的正常運動軌跡，造成反應爐負荷增大電流升高，反應完全的尾渣不能通過內返渣返回到要求位置，降低反應效率且爐頭吐酸;

③導氣管是將制取的HF氣體引入洗滌系統的通道，同時給料酸從導氣管四通處噴淋進入反應爐，氣體和液體的逆向接觸噴淋，達到降低氣體攜帶的粉塵量的目的。導氣管為襯四氟耐酸材質。為了保證給料酸進入反應爐后與螢石充分混合，杜絕酸溢出反應爐，導氣管上帶有一舌頭，伸入反應爐端蓋500mm，但是在生產過程中由于原材料質量變化造成給料酸濃度變化，大量水分的帶入加速了導氣管“舌頭”的腐蝕，給料酸從端蓋動靜環處溢出，爐頭吐酸。

2.3 工藝方面

氟化氫氣體的制取反應為吸熱反應，反應熱為25.6kJ/mol需要連續的熱能來完成。采用內返渣式反應爐，通過天然氣燃燒提供熱量，高溫風機熱風夾套加熱提供反應所需熱量。內返渣是爐內有內返料螺旋，與反應爐反向旋轉，將反應基本完全的石膏渣輸送至爐頭。其作用：一是可以提高熱利用率，二是提高反應率，三是可減少對爐頭腐蝕。該反應是通過溫度控制不同，將?3.5m*35m的氟化氫反應爐分為四段，分別為：混料段、予反應段、反應段、擴散段。但反應爐溫度過高反而會產生負作用，如予凈化系統的設備襯四氟鼓包、脫落容易破損;同時H2SO4的大量蒸發和分解，影響氟化氫氣體質量，增加尾氣中SO2含量，增大環保設備負荷。

隨著物料的逐步反應，在反應進行到40～70%，硫酸基本上與氟化鈣反應成氟磺酸鈣，物料由料漿狀態轉變成粉末狀。物料隨著反應爐的轉動，不斷由爐頭向爐尾方向移此反應階段一般在距爐頭1.2～7m的位置。在此過程中，主要是將前段反應好的氟磺酸鈣進行加熱、破碎的過程。在此過程中物料溫度被加熱到200℃以上，反應進行到70～80%，氟磺酸鈣分解，此過程物料由粉狀物料逐步變成漿狀物料，此反應階段一般在距爐頭7～20m的位置進行。物料在分解過程中軟化成漿狀物料時，具有一定的腐蝕性，但是物料下部有一部分干渣墊底，可以阻止物料對爐壁的腐蝕性，從而避免了與濕物料的接觸，腐蝕程度相對較小。待氟磺酸鈣分解完成后，物料基本上完全變成CaSO4，物料由漿狀轉變成粉末狀及顆粒狀。此反應階段發生在距爐頭20～35m處。氟磺酸鈣分解過程基本完成的時候，物料已走到內返料的尾部。內返料挖勺將一部分熱渣返回，這部分熱渣在與物料混合接觸時，利用余熱加速物料反應，縮短了反應時間，從而相應的延長了物料在爐內的逸出時間。而返回的熱渣中還有殘余的未完全反應的物料仍可以繼續參與反應，提高的轉化率。

在生產控制過程中，當反應爐檢修完畢后開車時，需要對反應爐溫度按照《作業指導書》要求進行升溫。由于反應爐是夾套加熱，填充量不同，升溫的過程中吸收的熱量從在差異，造成反應爐夾套溫度已達到要求，但是膨脹量不夠，從而不能為反應提供充足的熱量，反應爐爐頭易結殼，爐頭吐酸，膨脹量是間接體現反應爐內溫度的一個準確參考參數。

正常生產時，反應爐溫度根據投料量的不同控制范圍也不同，但是如果螢石與給料酸計量不準確，就是變相的增加或降低投料量，而反應爐溫度按照給定投料量控制，造成反應熱量不夠尾渣易黏且潮，爐頭結殼吐酸。同時生產控制過程中爐溫控制不易大幅度波動或調整，爐溫的急劇降低，容易形成“渣墻”，物料從爐頭向爐尾運動困難，加上內返渣返回的尾渣，大量堆積在爐頭，爐頭填充量過高，給料困難爐頭吐酸。且“渣墻”大而堅固不易脫落，必須檢修清理。因此反應爐溫度是工藝控制的關鍵參數，必須通過摸索確定適宜的溫度范圍，一般原材料單耗和尾渣中硫酸和螢石含量可以反映反應爐溫度是否適宜，該工藝要求尾渣中氟化鈣含量低于2%，硫酸含量低于0.5%，既能保證單耗又能減少設備腐蝕。

3 解決反應爐吐酸的措施

①生產中應盡量選擇主含量高，雜質少的螢石，尤其是螢石中碳酸鈣和水分含量越低越好;

②硫酸與煙酸的計量不準確，可以生產線增加相應儲槽，溢流后經流量計計量進入反應系統，能夠保證給料酸計量的準確性;

③改進反應爐密封方式，采用氣缸密代替現在的硬連接，密封于反應爐在連續運轉過程中，由于高溫作用及填充量的變化，反應爐膨脹量會隨之變化，膨脹量過大時，由于是硬連接動靜環與反應爐摩擦力增大，不僅加速密封接觸面的磨損而且增加反應爐負荷，膨脹量太小密封不嚴空氣易計入系統，采用氣缸密封可以杜絕這種弊端;

④我公司導氣管為斜插管式，無有效辦法將粉塵及酸泥推入反應爐，因此采用給料酸與HF氣體逆向接觸洗滌，達到降低氣體攜帶粉塵的目的，導氣管插入管內再襯入純四氟插入管延伸至舌頭處，杜絕給料管與鋼件的直接接觸，大大降低了對鋼件的直接腐蝕，檢修是定期檢查并更換，減少導氣管舌頭腐蝕爐頭吐酸的情況;

⑤投料及生產過程中關注膨脹量參數的控制及準確性，與反應爐溫度控制進行比對，確保反應溫度達到要求，過程參數嚴格按照工藝要求控制范圍進行穩定控制，勤查看、勤調整，確保反應按要求進行;

⑥改進工藝使用預反應器，預反應器的使用可以從根本上杜絕反應爐結殼的問題，進而大大降低爐頭吐酸的可能性。

參考文獻：

[1]李波.無水氟化氫反應轉爐的腐蝕與防護[J].化工管理， 2017（02）：5-6.

[2]顏鑫.論新型干法氟化鋁生產工藝與主要設備[J].輕金屬， 2010（04）：12-15.