曼海姆法硫酸钾生产装置技术改造总结

黄 平

(金正大生态工程集团股份有限公司 山东临沂 276700)

1992 年,云南磷肥厂从日本引进了曼海姆法硫酸钾生产技术,建成了我国首套曼海姆法硫酸钾生产装置[1],由此拉开了曼海姆法技术和设备国产化的序幕。 经过近30 年的发展,国内企业已掌握该技术,生产设备已完全实现国产化。

采用曼海姆工艺生产硫酸钾的企业较多,但各企业对该技术的掌握水平参差不齐。 从生产技术角度看,很多生产企业仍然存在较多影响产品质量、产能、工艺稳定性、生产连续性、环保等方面的问题。 本文就某40 kt/a 曼海姆法硫酸钾生产装置在运行中存在的问题和解决措施进行总结。

1 生产中出现的问题及解决措施

曼海姆法硫酸钾生产工艺流程见图1。

图1 曼海姆法硫酸钾生产工艺流程

1.1 原料计量

1.1.1 氯化钾料仓和计量

(1)存在问题

氯化钾在30 ℃时的临界相对湿度为84%[2]。 该曼海姆法硫酸钾生产装置所在地年平均温度为29～32 ℃,环境平均湿度为71%～85%,仓库中的氯化钾容易吸潮。 设计中采用锥形底料仓贮存氯化钾,锥体倾斜度近70°,仍经常出现物料在料仓内起拱、搭桥的情况,导致下料不畅,操作工只能通过敲打料仓的方法予以缓解。 长时间敲击料仓会破坏其表面防腐层,造成料仓表面出现锈蚀;而且多次敲击后,在料仓表面留下深浅不一的凹坑,加剧了下料不畅,形成恶性循环。

设计中氯化钾采用螺旋给料机计量[3],该螺旋给料机无称重传感器,通过变频调速调节加料量。 在设备试运行阶段,通过测定螺旋给料机在不同转速下单位时间内的给料量,绘制转速与给料量的关系曲线,模拟得到经验公式。 在实际生产中,根据需要的氯化钾量,通过该经验公式计算出给料机的转速,然后完成转速设定即可。 但此种计量方式无法实时显示具体加料量且精度较差,一旦出现氯化钾下料不畅,进入螺旋给料机的物料量可能小于需求量,甚至出现螺旋给料机空转的情况,此时操作人员即使发现氯化钾加料量不足,也无法判断出具体偏差值,只能同时停止氯化钾和硫酸加料,待氯化钾下料不畅问题解决后重新开始向反应炉进料;如果操作人员未能及时采取措施,加入反应炉的硫酸将过量,不仅造成产品质量不合格,而且过量的硫酸容易损坏炉底,导致漏料堵塞下烟道。

(2)改造措施

将氯化钾料仓和螺旋给料机整体更换为失重秤。 失重秤由料斗、星型下料器、称重传感器、螺旋输送机、振打电机等组成,在料斗支撑点设置称重传感器,料斗通过其下部长方形出料口与螺旋输送机连接,形成一个整体,避免了堵料、架桥情况出现,解决了下料不畅的问题。 称重传感器称取整个失重秤系统的质量,单位时间内系统质量的减少值即为加入反应炉的氯化钾质量,可就地或远程监视和调节,计量精度大大提高。

1.1.2 硫酸计量

(1)存在问题

原设计中硫酸采用玻璃转子流量计计量。 玻璃转子流量计价格便宜,安装方便,但计量误差较大,流量数据无法对外传输和实时监控,且玻璃易碎,容易损坏。

(2)改造措施

将转子流量计更换为电动调节阀和电磁流量计,不仅提升了计量精度,而且可在控制室远程设定和调节流量,还可实现与氯化钾的加料量联锁。

1.2 反应炉系统

1.2.1 硫酸下酸管

(1)存在问题

硫酸经下酸管和分布器后进入反应炉炉床,反应炉内硫酸与氯化钾中的水分在高温下变成气体,导致下酸管腐蚀。 一般下酸管使用3 ～4 周就会严重腐蚀穿孔且难以修补,必须更换。

(2)改造措施

腐蚀下酸管的最大因素是高温和硫酸的强腐蚀特性。 将硫酸下酸管改为夹套结构,即在酸管外面制作一个夹套,向夹套内持续通入冷空气对下酸管进行冷却,降低下酸管温度,以延缓管道腐蚀速率。 改造后,夹套下酸管的使用寿命达3 个月以上,降低了更换和维修成本。

1.2.2 燃烧器

(1)存在问题

设计中采用传统的燃烧器[4],通过手动调节天然气和空气的流量来控制燃烧室温度,具有结构简单、价格便宜的优点。 但由于无流量计,操作人员只能根据燃烧室火焰颜色等大致判断天然气与空气的配比是否合适,容易产生天然气燃烧不充分,或因空气过量带走热量后造成热损失等问题。

如果燃烧器在使用中突然熄火,未燃烧的天然气将在燃烧室内聚集,浓度快速升高,甚至达到爆炸极限,此时如果燃烧器立即重新点火,就可能发生爆炸。 根据操作规程,燃烧器突然熄火后应该立即关闭天然气阀门,开启引风机抽风一定时间后,再重新点火。 由此可见,传统燃烧器在生产中存在安全风险。

(2)改造措施

将传统燃烧器更换为自动控制燃烧器,实现了天然气减压、计量、点火、火焰探测的自动控制。天然气和空气流量根据燃烧室温度设定值按配比自动调节,避免了天然气燃烧不充分或空气过量造成热损失的问题。 生产中如果燃烧器突然熄灭,天然气进气阀将自动关闭,并保持引风机继续运行至少3 min,可避免燃烧器重新点火时发生爆炸事故。

1.2.3 主减速机油泵

(1)存在问题

主减速机是反应炉主电机的减速设备,对保证耙臂稳定运行十分重要。 减速机齿轮的润滑采用安装在减速机机身上的油泵循环润滑油来实现。 油泵入口设有过滤网,可滤除润滑油中的杂质。 在运行过程中,因滤网堵塞、油管堵塞、油泵齿轮磨损等原因,造成润滑油流量不足甚至断流,进而导致主减速机齿轮磨损加速或损坏。

(2)改造措施

在主减速机油泵出口管上安装一块抗震压力表,压力表信号接入中控室,并设置油压失压报警。 如果出现油泵前滤网或油管堵塞、油泵故障,造成润滑油流量不足、压力下降,中控室分散控制系统将自动报警。

1.2.4 大齿轮

(1)存在问题

反应炉的主轴大齿轮暴露在外,没有防护隔离设施。 运行一段时间后,齿轮上会粘上一层粉尘和细沙,这将加快大齿轮的磨损。 大齿轮为动设备,暴露在外,存在发生人身安全事故的风险。

(2)改造措施

给主轴大齿轮安装防护罩,隔绝粉尘和风沙,减轻大齿轮的非工作性磨损,也可避免因人员不小心碰到大齿轮发生安全事故。

1.3 氯化氢吸收系统

1.3.1 盐酸泵

(1)存在问题

原设计盐酸泵采用玻璃钢材质的离心泵,但泵的机械密封频繁损坏,短则不到7 d 就开始漏酸,最长的也不超过2 个月。 机械密封损坏后,泄漏的盐酸造成泵基础、地坪和钢结构腐蚀,空气中弥漫着较重的氯化氢气味[5],操作环境较差,严重时出现烟囱冒白烟的现象。

(2)改造措施

磁力泵依靠磁力驱动,无机械密封,故将盐酸循环泵和输送泵更换为磁力泵。 更换后,盐酸泄漏问题得到解决,操作环境大为改善。 与离心泵相比,磁力泵虽采购成本较高,但故障率低,使用寿命长,盐酸吸收系统能稳定运行,备品、备件数量和维修人工成本降低,具有较高的性价比。

1.3.2 氯化氢管道

(1)存在问题

反应炉至石墨冷却器的氯化氢管道采用碳钢材质[6],但反应室温度为500 ～540 ℃,超过了碳钢正常使用温度(不高于425 ℃)。 一般情况下,该管道使用2～3 个月即因腐蚀严重,需拆下维修或更换。

(2)改造措施

将该管道材质更换为不锈钢,管道使用寿命延长至5 个月左右,有利于装置的连续运行。

1.3.3 降膜吸收塔

(1)存在问题

生产中发现降膜吸收塔端部有黑色油泥并堵塞部分列管,降低了氯化氢的吸收效果。

(2)改造措施

通过对黑色油泥成分的分析,判断其主要来自氯化钾中的防结块剂。 该防结块剂为有机物,高温下被硫酸碳化后随氯化氢气体进入降膜吸收塔,经冷却和洗涤后形成黑色油泥。 因此,禁止使用添加有机防结块剂的氯化钾作为生产原料。

1.3.4 氯化氢尾气风机

(1)存在问题

原设计选用固定转速的氯化氢尾气风机,难以根据生产负荷和氯化氢气体吸收系统阻力变化,实时调节反应室负压。

(2)改造措施

将固定转速风机更换为变频风机。 变频风机可以根据反应室负压、生产负荷和氯化氢吸收系统阻力的变化,实时自动调节风机风量,稳定炉膛压力,以满足实际工况的要求。

1.4 自动控制

(1)存在问题

原设计除氯化钾螺旋给料机转速采用PLC现场调节外,其他参数均采用手动控制,氯化钾与硫酸、天然气与空气配比无法实时精准控制,反应室负压、燃烧室负压、反应室温度、燃烧室温度、氯化钾加料量、硫酸流量、盐酸浓度、反应炉主电机运行状态等重要参数无法实现集中监控。

(2)改造措施

安装一套分散控制系统,将重要的流量、温度、压力、液位、浓度、电流等数据接入中控室,进行实时监视、控制,并根据需要设置自动报警。

按照工艺流程,在分散控制系统中对上下游的动设备启停顺序设置联锁。 此外,对氯化钾和硫酸、天然气和空气加料量设置自动配比调节并联锁,防止过量,提升计量精度,为产品质量的稳定提供有力保障。

2 改造后经济效益

40 kt/a 硫酸钾生产装置改造前后投资情况见表1。

表1 40 kt/a 硫酸钾生产装置改造前后投资情况 万元

从表1 可知,改造总投资增加了114.94 万元,按固定资产10 年折旧期计算,生产成本增加了2.87 元/t。 从投资主项看:①氯化钾料仓和螺旋给料机改为失重秤称重系统,投资少量增加;②硫酸现场转子流量计升级为电动调节阀和电磁流量计,投资增加了9.60 万元,实现了硫酸自动化和精确控制,有利于保证产品质量稳定;③自动控制燃烧器增加了较多投资,但安装后天然气与空气可按配比精确控制,避免了天然气燃烧不充分的问题,实现了点火控制器点火与燃烧室内天然气浓度联锁,消除了发生爆炸的隐患;④盐酸泵改为磁力泵后,虽然投资增加了8.80 万元,但磁力泵的故障率较离心泵的大幅降低,备品、备件费用大幅减少,泵的运行成本降低;⑤安装分散控制系统后,有助于稳定工艺操作,生产系统可保持在最优运行状态。

经测算,改造前硫酸钾的生产成本约4 342 元/t,改造增加的2.87 元/t 生产成本仅占总成本的0.066%。 由此可见,改造增加的生产成本对总成本影响很小,本次改造具有较好的经济效益和性价比。

3 结语

(1)将氯化钾计量改用失重秤、以电动阀和电磁流量计进行硫酸计量,大大提高了计量精度,实现了对原料的自动和精准控制,有利于产品质量的稳定。

(2)更换自动控制燃烧器、反应炉齿轮安装防护罩、主减速机油泵安装压力表后,提高了装置的安全性,有利于安全稳定生产。

(3)安装分散控制系统、更换氯化氢尾气风机有助于稳定工艺操作,使生产系统保持在最优运行状态。

(4)盐酸泵改为磁力泵,故障率大幅降低,有利于盐酸吸收系统的长时间连续运行。

(5)更换硫酸下酸管和氯化氢管道后,缩短了检修时间,提升了装置连续生产时间。

通过改造,很好地解决了原生产过程中存在的各种问题,增加的总投资仅使硫酸钾生产成本增加2.87 元/t,具有较好的经济效益和性价比。