曼海姆法硫酸鉀生產裝置技術改造總結

黃 平

(金正大生態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技術,建成了我國首套曼海姆法硫酸鉀生產裝置[1],由此拉開了曼海姆法技術和設備國產化的序幕。 經過近30 年的發展,國內企業已掌握該技術,生產設備已完全實現國產化。

采用曼海姆工藝生產硫酸鉀的企業較多,但各企業對該技術的掌握水平參差不齊。 從生產技術角度看,很多生產企業仍然存在較多影響產品質量、產能、工藝穩定性、生產連續性、環保等方面的問題。 本文就某40 kt/a 曼海姆法硫酸鉀生產裝置在運行中存在的問題和解決措施進行總結。

1 生產中出現的問題及解決措施

曼海姆法硫酸鉀生產工藝流程見圖1。

圖1 曼海姆法硫酸鉀生產工藝流程

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裝置所在地年平均溫度為29～32 ℃,環境平均濕度為71%～85%,倉庫中的氯化鉀容易吸潮。 設計中采用錐形底料倉貯存氯化鉀,錐體傾斜度近70°,仍經常出現物料在料倉內起拱、搭橋的情況,導致下料不暢,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。

設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,通過變頻調速調節加料量。 在設備試運行階段,通過測定螺旋給料機在不同轉速下單位時間內的給料量,繪制轉速與給料量的關系曲線,模擬得到經驗公式。 在實際生產中,根據需要的氯化鉀量,通過該經驗公式計算出給料機的轉速,然后完成轉速設定即可。 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,甚至出現螺旋給料機空轉的情況,此時操作人員即使發現氯化鉀加料量不足,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爐進料;如果操作人員未能及時采取措施,加入反應爐的硫酸將過量,不僅造成產品質量不合格,而且過量的硫酸容易損壞爐底,導致漏料堵塞下煙道。

(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,解決了下料不暢的問題。 稱重傳感器稱取整個失重秤系統的質量,單位時間內系統質量的減少值即為加入反應爐的氯化鉀質量,可就地或遠程監視和調節,計量精度大大提高。

1.1.2 硫酸計量

(1)存在問題

原設計中硫酸采用玻璃轉子流量計計量。 玻璃轉子流量計價格便宜,安裝方便,但計量誤差較大,流量數據無法對外傳輸和實時監控,且玻璃易碎,容易損壞。

(2)改造措施

將轉子流量計更換為電動調節閥和電磁流量計,不僅提升了計量精度,而且可在控制室遠程設定和調節流量,還可實現與氯化鉀的加料量聯鎖。

1.2 反應爐系統

1.2.1 硫酸下酸管

(1)存在問題

硫酸經下酸管和分布器后進入反應爐爐床,反應爐內硫酸與氯化鉀中的水分在高溫下變成氣體,導致下酸管腐蝕。 一般下酸管使用3 ～4 周就會嚴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構,即在酸管外面制作一個夾套,向夾套內持續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

設計中采用傳統的燃燒器[4],通過手動調節天然氣和空氣的流量來控制燃燒室溫度,具有結構簡單、價格便宜的優點。 但由于無流量計,操作人員只能根據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,就可能發生爆炸。 根據操作規程,燃燒器突然熄火后應該立即關閉天然氣閥門,開啟引風機抽風一定時間后,再重新點火。 由此可見,傳統燃燒器在生產中存在安全風險。

(2)改造措施

將傳統燃燒器更換為自動控制燃燒器,實現了天然氣減壓、計量、點火、火焰探測的自動控制。天然氣和空氣流量根據燃燒室溫度設定值按配比自動調節,避免了天然氣燃燒不充分或空氣過量造成熱損失的問題。 生產中如果燃燒器突然熄滅,天然氣進氣閥將自動關閉,并保持引風機繼續運行至少3 min,可避免燃燒器重新點火時發生爆炸事故。

1.2.3 主減速機油泵

(1)存在問題

主減速機是反應爐主電機的減速設備,對保證耙臂穩定運行十分重要。 減速機齒輪的潤滑采用安裝在減速機機身上的油泵循環潤滑油來實現。 油泵入口設有過濾網,可濾除潤滑油中的雜質。 在運行過程中,因濾網堵塞、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,并設置油壓失壓報警。 如果出現油泵前濾網或油管堵塞、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將自動報警。

1.2.4 大齒輪

(1)存在問題

反應爐的主軸大齒輪暴露在外,沒有防護隔離設施。 運行一段時間后,齒輪上會粘上一層粉塵和細沙,這將加快大齒輪的磨損。 大齒輪為動設備,暴露在外,存在發生人身安全事故的風險。

(2)改造措施

給主軸大齒輪安裝防護罩,隔絕粉塵和風沙,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生安全事故。

1.3 氯化氫吸收系統

1.3.1 鹽酸泵

(1)存在問題

原設計鹽酸泵采用玻璃鋼材質的離心泵,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、地坪和鋼結構腐蝕,空氣中彌漫著較重的氯化氫氣味[5],操作環境較差,嚴重時出現煙囪冒白煙的現象。

(2)改造措施

磁力泵依靠磁力驅動,無機械密封,故將鹽酸循環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,鹽酸吸收系統能穩定運行,備品、備件數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

反應爐至石墨冷卻器的氯化氫管道采用碳鋼材質[6],但反應室溫度為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 個月即因腐蝕嚴重,需拆下維修或更換。

(2)改造措施

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

1.3.3 降膜吸收塔

(1)存在問題

生產中發現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塊劑。 該防結塊劑為有機物,高溫下被硫酸碳化后隨氯化氫氣體進入降膜吸收塔,經冷卻和洗滌后形成黑色油泥。 因此,禁止使用添加有機防結塊劑的氯化鉀作為生產原料。

1.3.4 氯化氫尾氣風機

(1)存在問題

原設計選用固定轉速的氯化氫尾氣風機,難以根據生產負荷和氯化氫氣體吸收系統阻力變化,實時調節反應室負壓。

(2)改造措施

將固定轉速風機更換為變頻風機。 變頻風機可以根據反應室負壓、生產負荷和氯化氫吸收系統阻力的變化,實時自動調節風機風量,穩定爐膛壓力,以滿足實際工況的要求。

1.4 自動控制

(1)存在問題

原設計除氯化鉀螺旋給料機轉速采用PLC現場調節外,其他參數均采用手動控制,氯化鉀與硫酸、天然氣與空氣配比無法實時精準控制,反應室負壓、燃燒室負壓、反應室溫度、燃燒室溫度、氯化鉀加料量、硫酸流量、鹽酸濃度、反應爐主電機運行狀態等重要參數無法實現集中監控。

(2)改造措施

安裝一套分散控制系統,將重要的流量、溫度、壓力、液位、濃度、電流等數據接入中控室,進行實時監視、控制,并根據需要設置自動報警。

按照工藝流程,在分散控制系統中對上下游的動設備啟停順序設置聯鎖。 此外,對氯化鉀和硫酸、天然氣和空氣加料量設置自動配比調節并聯鎖,防止過量,提升計量精度,為產品質量的穩定提供有力保障。

2 改造后經濟效益

40 kt/a 硫酸鉀生產裝置改造前后投資情況見表1。

表1 40 kt/a 硫酸鉀生產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10 年折舊期計算,生產成本增加了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,投資少量增加;②硫酸現場轉子流量計升級為電動調節閥和電磁流量計,投資增加了9.60 萬元,實現了硫酸自動化和精確控制,有利于保證產品質量穩定;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,實現了點火控制器點火與燃燒室內天然氣濃度聯鎖,消除了發生爆炸的隱患;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安裝分散控制系統后,有助于穩定工藝操作,生產系統可保持在最優運行狀態。

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

3 結語

(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,實現了對原料的自動和精準控制,有利于產品質量的穩定。

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

(3)安裝分散控制系統、更換氯化氫尾氣風機有助于穩定工藝操作,使生產系統保持在最優運行狀態。

(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的長時間連續運行。

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

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