磷銨裝置料漿加熱器嚴重結垢原因分析

李華飛，蘇小林

（1. 荊門市應急管理局，湖北 荊門 448000；2. 湖北大峪口化工有限責任公司，湖北 鐘祥 431910）

料漿法是磷銨生產的主流工藝，其生產過程中稀磷酸先與氣氨進行中和反應，生成的磷銨料漿再通過蒸發濃縮除去水分［1］。料漿法磷銨裝置的濃縮系統通常采用真空蒸發濃縮，其清洗周期是影響裝置長周期運行的關鍵［2］。某150 kt/a 料漿法磷銨裝置采用中和濃縮-造粒干燥流程，其濃縮系統料漿加熱器嚴重結垢，影響裝置運行周期。以下對其料漿加熱器嚴重結垢原因進行分析，并尋求應對措施。

1 料漿加熱器結垢問題

某150 kt/a 料漿法磷銨裝置濃縮系統采用兩效蒸發濃縮，料漿加熱器規格為?1 100 mm×7 054 mm，其中加熱管規格為?32 mm×2.5 mm、L=6 000 mm，共512根（單個加熱器）。生產中兩效料漿加熱器發生了嚴重結垢堵塞現象，有400多根加熱管發生了堵塞，僅剩數十根加熱管狀況良好。裝置停車清理五六天才勉強疏通，既花費了大量人工，又耽誤了開車進度。在清理過程中，使用高壓洗管機疏通時，由于加熱管內憋壓導致中間形成一個小孔，而且管壁上仍有大量垢層，裝置清理人員須使用機械進一步清理管壁上的垢層。

2 結垢原因分析

在與該裝置工藝人員溝通并查閱裝置生產記錄后，對該結垢問題從裝置投料情況、濃縮系統運行情況、料漿指標控制情況、低壓蒸汽情況等方面進行分析，特別是濃縮裝置生產操作模式與以前的差異方面進行分析。

2.1 低壓蒸汽溫度

該裝置使用0.49 MPa的低壓蒸汽，經過減溫減壓后進入濃縮系統Ⅰ效加熱器殼程。隨機抽取3 d的生產記錄，低壓蒸汽壓力和溫度如表1所示。

由表1可知，蒸汽溫度和壓力均不高，在操作規程要求的崗位工藝指標控制范圍內，與歷史正常數據吻合，所以基本排除低壓蒸汽溫度偏高造成加熱管結垢的可能。

表1 濃縮系統低壓蒸汽指標控制情況

2.2 磷酸指標

磷酸指標的變化是磷銨料漿加熱器結垢的重要因素之一。表2為磷銨裝置料漿加熱器嚴重結垢前（3—7月）料漿法磷銨產品產量情況，其中14-39-0產品是養分含量最低的產品。

表2 裝置料漿法產品產量情況 t

該裝置4 月生產14-39-0 產品2 145 t，共消耗折純稀磷酸696.30 t，消耗折純渣酸191.70 t，m（稀磷酸）/m（渣酸）=3.63。從歷史情況來看，渣酸比例遠高于此的情況比較普遍，養分含量低于該產品的情況也比較普遍（裝置以消耗渣酸為目的生產w（總養分）低于50%的粉狀磷銨產品），而料漿加熱器結垢情況遠優于此。所以磷酸指標變化造成加熱管結垢可以排除。

2.3 料漿指標

隨機抽取3 d 的生產記錄，料漿終點中和度和w（固）如表3所示。

表3 濃縮系統料漿指標控制情況

料漿終點w（固）設計值為68%～72%，中和度設計值為1.05～1.10，7 月料漿終點w（固）普遍較低，這是因為料漿加熱器結垢堵塞嚴重，料漿w（固）難以提升，在6 月之前，料漿w（固）大多在70%～73%，甚至更高。由于濃縮系統蒸發強度遠高于干燥系統，在料漿黏度可接受范圍內提高料漿終點w（固）有利于提高生產負荷、裝置能效，以及降低產品水含量。根據歷史經驗，料漿w（固）提高到75%以上，對系統沒有明顯影響，所以料漿指標控制造成加熱器結垢可以排除。

2.4 中和濃縮生產方式

濕法磷酸在氨化過程中會形成水溶性化合物、可溶性復合物、枸溶性復合物甚至不溶性羥基磷灰石等［3］。隨著料漿陳化時間延長，非水溶性復合物會向著更復雜、溶解性更低、分子團更大的復合物發展。

按照設計，兩級槽式中和反應時間約40 min，隨后料漿被泵送至兩效濃縮系統，達到所需濃度后進入噴漿造粒干燥系統，整體濕線投料和干線投料保持平衡。正常生產時中和槽溢流孔大約在中部，給料泵槽控制液位20%～80%，兩效閃蒸室控制液位20%～30%，整個中和濃縮系統有效容積大約125.52 m3，如表4 所示。按照噴漿量18 m3/h 估算（料漿從中和槽到料漿中間槽濃度依次降低），從投料到噴漿的濕線停留時間大約6.3 h。

表4 中和濃縮系統設備參數情況

目前，裝置為了準確控制渣酸與稀磷酸配比和穩定產品養分，調整了中和濃縮系統生產方式，采用中和系統間歇式生產和盡可能增加濕線緩存能力的操作方式，具體情況如下：中和槽B料漿溢流至給料泵槽，再從給料泵槽溢流至料漿收集槽，通過料漿收集槽泵送至兩效濃縮系統。中和系統采用間歇式生產，每次投料5～8 h，待料漿收集槽和兩效濃縮系統料漿都處于高液位后停車4～5 h，待收集槽和兩效濃縮系統料漿處于低液位后再恢復投料。當系統料漿質量偏離需求養分較大時，也可以讓中和系統重新投料并直接進入濃縮系統置換，養分調節較快。此種模式中和系統每天大約開停車2次。

統計裝置發生料漿加熱器嚴重結垢前一個生產周期情況，中和系統投料443 h，噴漿造粒系統運行722 h，中和系統投料時間只占造粒系統時間的61.4%。隨機抽取其中3 d的生產記錄，統計兩效閃蒸室液位如表5所示。

由表5 可以看出兩效閃蒸室液位波動非常大，液位控制非常高。液位波動大，說明料漿收集槽泵往兩效閃蒸室補液位或者兩效閃蒸室排放置換料漿；液位控制高，說明盡可能利用系統緩存能力以穩定養分。根據歷史經驗，兩效閃蒸室液位一般控制20%～30%（采用壓差式液位計，閃蒸室上下兩端封頭均不在液位量程范圍內），屬于低液位控制，主要有以下幾方面考慮：一是料漿循環泵容易超電流，控制低液位有利于確保設備工作電流在額定電流內；二是高液位不利于氣液分離，容易造成夾沫和假液位，特別是夾沫造成I效料漿進入II效加熱器和II效料漿進入混合冷凝器與循環水系統；三是低液位料漿置換快，養分調節快。

表5 濃縮系統閃蒸室液位情況 %

按照噴漿量18 m3/h 估算，改變中和濃縮生產方式后系統有效容積306.27 m3，從投料到噴漿的濕線停留時間大約15.1 h。由此可以看出，改變中和濃縮生產方式后，料漿停留時間延長至正常生產模式的2.4 倍。隨著料漿陳化時間的延長，料漿中非水溶性復合物會向著更復雜、溶解性更低、分子團更大的復合物發展，而后因為溫度降低、流速降低、水含量降低等因素繼續析出的物質容易黏附在析出的固體顆粒上，形成更厚的垢層。

由于改變生產方式，中和系統頻繁開停車，導致溫度頻繁波動；料漿通過料漿收集槽緩存，該槽屬于地下槽，熱損失較大，溫降較大；低溫料漿通過收集槽泵送至兩效閃蒸室，對濃縮系統溫度影響較大。中和濃縮系統溫度見表6。

表6 中和濃縮系統溫度情況 ℃

中和槽采用透平渦輪式攪拌槳強制攪拌加上劇烈的氨酸反應，屬于全混流混沌狀態；給料泵槽和料漿收集槽采用槳葉式攪拌，料漿流速較低，屬于層流狀態；兩效濃縮系統通過220 kW 的循環泵強制循環，流速較高，屬于湍流狀態。

由于改變生產方式，料漿溫度和流速頻繁波動，料漿停留時間延長，特別是在料漿溫度和流速降低的條件下，有利于凝膠物質的生成［4］。

綜上所述，由于改變中和濃縮生產方式，延長了料漿停留時間，頻繁改變料漿溫度和流速（主要是降低），均有利于料漿結晶析出、黏附，導致加熱管嚴重結垢。

2.5 料漿過濾器

為了緩解料漿加熱器的結垢堵塞問題，原始設計在中和槽B溢流至給料槽的彎管垂直段設置有罐式過濾器。該過濾器呈圓筒狀，?429 mm×9 mm，高1 238 mm，1 用1 備。正常生產時通常每小時更換一次，渣酸配比較高時過濾器中殘留物較多，更換不及時會造成中和槽漫槽，增加燙傷風險。使用過濾器時，兩效加熱器基本沒有堵管現象；取消過濾器后，兩效加熱器每次計劃停車檢查時發現每個加熱器有6～10根加熱管堵塞，尚可接受。

前已敘及，改變生產模式后，料漿在料漿收集槽內長時間停留，溫度和流速降低，特別有利于凝膠物質生成。由于料漿收集槽泵吸入口沒有設置過濾器，造成這些固相物通過料漿收集槽泵進入兩效濃縮系統，極易造成加熱器結垢堵塞。另外，濃縮區防酸地坪地面沖洗水直接進入料漿收集槽，諸如掃帚屑、循環泵密封填料破碎物、法蘭墊片破碎物等雜物也極易隨著衛生清理進入料漿收集槽，從而進入濃縮系統，造成加熱管堵塞。

3 結論

通過分析認為，造成料漿法磷銨裝置濃縮系統料漿加熱器嚴重結垢問題的主要因素是變更了中和濃縮系統連續生產模式，采用間歇式生產和盡可能增加濕線緩存能力的操作方式，延長了料漿滯留時間，利于磷銨料漿中凝膠物質的生成。為了有效避免料漿法磷銨裝置料漿加熱器結垢問題，應該恢復原有中和濃縮生產模式，料漿從給料槽直接進入II效閃蒸室，料漿收集槽僅作為事故槽；控制兩效閃蒸室液位一般不要超過30%，盡可能縮短磷銨料漿滯留時間；料漿收集槽回收泵增加過濾網或過濾器，杜絕回收事故排放料漿時將雜物帶入系統。

嚴格遵守生產操作規程，進行技改措施等工藝變更時認真進行風險分析是裝置長滿優運行的基礎。