孫藝飛

(北京中科格瑞特科技有限公司 北京 101100)

鉀是植物生長所必需的三大元素之一。硫酸鉀(SOP)主要用于煙草、甜菜、甘蔗、馬鈴薯、葡萄、西瓜、菠蘿、茶葉等喜鉀忌氯作物，其不但能提高農(nóng)作物產(chǎn)量，而且還能提高農(nóng)作物質(zhì)量，如提高煙草的可燃性，提高葡萄、西瓜的糖度，提高薯類的淀粉含量等，在干旱地區(qū)施用硫酸鉀還能避免作物對有害氯化物的積累，保持穩(wěn)定高產(chǎn)[1-3]。

曼海姆法是農(nóng)用SOP的主要生產(chǎn)方法，以氯化鉀(MOP)和工業(yè)濃硫酸(SA)為原料，在反應(yīng)爐中通過高溫反應(yīng)(500～600 ℃)，直接生成SOP并釋放出氯化氫(HCl)氣體，SOP經(jīng)冷卻、粉碎并添加石粉后即可得到成品。HCl氣體經(jīng)冷卻、凈化、水吸收得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)31.0%的工業(yè)鹽酸。曼海姆法除了工藝成熟、能耗低、產(chǎn)品質(zhì)量好之外，還可以得到副產(chǎn)品工業(yè)鹽酸[4-5]。為了進一步提高曼海姆裝置的使用壽命和可操作性，針對裝置存在的不足，本文對曼海姆法的工藝和設(shè)備布置等進行了優(yōu)化。

1 反應(yīng)爐攪拌推料系統(tǒng)的優(yōu)化

曼海姆反應(yīng)爐的攪拌推料系統(tǒng)主要由電動機、減速機、主軸、耙臂以及耙齒等組成(見圖1)，原設(shè)計通過皮帶輪、減速機、大小齒輪等，最終將攪拌速率控制在1.1 r/min，一旦整個攪拌推料系統(tǒng)減速比確定后，反應(yīng)爐的攪拌速率將被固定。反應(yīng)爐耙臂上的耙齒磚呈螺旋狀布置，一方面主軸帶動耙臂及耙齒能起到攪拌的作用，使MOP與SA充分接觸，增加物料的接觸面積，加快熱傳遞，以促進反應(yīng)能快速高效地進行；另一方面由于耙齒的螺旋布置，主軸帶動耙臂及耙齒還起到推料的作用，將反應(yīng)物料由反應(yīng)爐中心逐漸推至出料口，整個反應(yīng)進行4.0～4.5 h。

圖1 曼海姆反應(yīng)爐傳動示意

原料粒度、物料配比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力、攪拌速率、停留時間等都會影響化學(xué)反應(yīng)的進行。如果選用固定減速比，將造成攪拌推料系統(tǒng)的速率不可調(diào)，即不能控制攪拌的速率和停留時間。當(dāng)原料的粒度等發(fā)生變化時，操作人員就無法根據(jù)原料特性來選擇合適的停留時間。原料粒度越大，SA擴散至MOP顆粒內(nèi)部的時間就越長，即反應(yīng)需要更長的時間或在反應(yīng)爐中停留更長的時間。如果停留時間固定，操作人員只能通過調(diào)節(jié)溫度、降低負荷或增加SA用量等方法，來保證反應(yīng)能夠較好地完成，以得到合格的產(chǎn)品。

此外，司爐工每隔一段時間就要對耙齒等部位進行清理打疤，打疤時需要暫時關(guān)閉主電動機，以保護反應(yīng)爐和操作人員，防止在打疤過程中運轉(zhuǎn)的耙臂與打疤工具相碰產(chǎn)生危害。但是，長時間停爐會造成反應(yīng)爐內(nèi)物料變硬結(jié)塊，再次啟動時有可能會損壞耙臂或主軸。

為了解決以上問題，項目選用變頻電機，增加變頻器，仍采用皮帶輪、減速機、大小齒輪等控制減速，使主軸的轉(zhuǎn)速控制在1.4 r/min，操作人員可根據(jù)原料特性、溫度等，通過增大或減小變頻器頻率,將推料系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制在1.0～1.2 r/min，通過改變物料在反應(yīng)爐內(nèi)的停留時間，獲得最佳反應(yīng)效果。增設(shè)變頻裝置后，司爐工打疤時可通過減小變頻速率，降低耙臂的轉(zhuǎn)速來增加打疤時間，而不必停主電動機。項目實施13個月以來，產(chǎn)品的合格率從89%提升至95%，同時也大大減輕了司爐工的工作強度，提高了反應(yīng)爐的可操作性。

2 HCl氣體出口增加旋風(fēng)分離器

曼海姆法產(chǎn)生的HCl氣體從反應(yīng)爐尾部的鹵化氫氣體箱通過管道與石墨換熱器相連，由風(fēng)機將HCl氣體引至吸收系統(tǒng)。盡管HCl氣體出口箱能夠起到一定的沉降作用，但是仍會有一部分反應(yīng)室內(nèi)的粉塵進入反應(yīng)爐與石墨換熱器之間的管道，隨著運行時間的延長，粉塵在管道內(nèi)積累會堵塞管道，增加尾氣風(fēng)機的負荷，進而破壞反應(yīng)爐內(nèi)的負壓，造成打疤時HCl氣體外泄。為了防止堵塞，司爐工要定期清理該部分管道。由于該部分管道溫度較高，清理比較困難，因此在反應(yīng)爐與石墨換熱器之間增加旋風(fēng)分離器(見圖2)，司爐工只需定期打開旋風(fēng)分離器的卸料閥，就可隨時清理該部分管道，既減輕了司爐工的工作量，又可以保持系統(tǒng)尾氣風(fēng)機穩(wěn)定運行，減少反應(yīng)爐內(nèi)HCl氣體的外泄。

3 硫酸下料管增設(shè)夾套管

SA作為反應(yīng)原料從反應(yīng)爐頂部通過插入到爐內(nèi)的硫酸下料管進入爐內(nèi)的硫酸分布器，再由硫酸分布器將硫酸投送到固定的位置與MOP混合。反應(yīng)爐內(nèi)反應(yīng)室的平均溫度為550 ℃，室溫的SA進入高溫的爐內(nèi)部，由于溫差太大，大大縮短了硫酸下料管的使用壽命，平均每40 d就需要更換一次。為了延長硫酸下料管的使用壽命，將原來的單管改為帶夾套的夾套管，用鼓風(fēng)機引來的空氣作為冷卻媒介對硫酸下料管進行冷卻，控制SA沿下料管進入反應(yīng)爐時的溫度在150 ℃左右，大大降低了SA在低溫環(huán)境下對硫酸下料管的腐蝕速率。硫酸下料管改用帶夾套的結(jié)構(gòu)后，其使用壽命延長至8個月，降低了裝置的運行成本。

圖2 增設(shè)旋風(fēng)分離器前后的對比

4 MOP計量的優(yōu)化

MOP加入量的精確控制能夠提高產(chǎn)品的質(zhì)量和反應(yīng)爐的可操作性。項目在MOP中間料倉下方(見圖3a)和MOP進料螺旋之間增設(shè)了皮帶計量秤，該皮帶計量秤可以精確控制MOP的加入量，皮帶秤的引入提高了反應(yīng)爐的可操作性。但由于打疤或者誤操作造成爐區(qū)HCl氣體外泄，酸性氣體會腐蝕皮帶秤的傳感器，經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)的情況，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定；使用一段時間后，皮帶秤就需調(diào)校，甚至更換稱重傳感器。為了解決上述問題，對原設(shè)計進行了改造。原設(shè)計MOP中間料倉和皮帶秤都在反應(yīng)爐的正上方，此區(qū)域酸性氣體的含量較高，氣體發(fā)生泄漏的概率較大，易造成皮帶秤敏感元件腐蝕。將MOP料倉移到反應(yīng)爐的側(cè)面(見圖3b)，料倉和皮帶秤遠離腐蝕性氣體，通過增設(shè)隔擋的方式，有效降低了酸性氣體對皮帶秤中敏感元件的腐蝕，皮帶秤可以長期無故障地工作，大大延長了皮帶秤的使用壽命，徹底解決了皮帶秤高故障率的問題。改造后皮帶秤已使用13個月，未發(fā)生重力傳感器腐蝕的情況，大大節(jié)省了項目的運行成本，同時也提高了SOP生產(chǎn)裝置的穩(wěn)定性。

圖3 優(yōu)化前后MOP給料系統(tǒng)對比

5 除塵系統(tǒng)的優(yōu)化

在SOP生產(chǎn)過程中，不可避免地會產(chǎn)生粉塵，為了有效降低粉塵含量，減輕粉塵污染，項目配置2臺反吹袋式除塵器，對成品斗提機、振動篩、粉碎機進行收塵，布置圖如圖4所示。2臺除塵器支撐在二層樓面上，除塵器出口氣體含塵質(zhì)量濃度低于100 mg/m3。除塵器收集的粉塵通過星形卸料閥經(jīng)由遛管返回成品輸送皮帶機，再經(jīng)過成品斗提機和振動篩進入成品料倉。由于SOP粒度較細且有一定的黏度，因此容易造成遛管堵塞，需要定期清理維護遛管。另外，除塵器收集的粉塵返回成品皮帶輸送機，然后進入成品斗提機和振動篩，會再次形成粉塵，增大了除塵器的負荷，影響除塵效果。粒度越細的粉塵越容易附著在振動篩的篩網(wǎng)上，造成振動篩堵塞，影響生產(chǎn)，因此對除塵器的布置進行了調(diào)整(見圖4b)，除塵器被支撐到了四層樓面，位于SOP成品料倉的正上方，除塵器收集的粉塵通過垂直遛管直接輸送至成品料倉，這樣不僅避免了除塵器下料管的堵塞，還可以避免二次揚塵，減輕成品斗提機和振動篩的負荷，避免振動篩因細粉過多而發(fā)生堵塞。除塵器位置調(diào)整后，在實際運行過程中未發(fā)現(xiàn)下料管堵塞，且除塵器附近的空氣含塵量明顯下降，優(yōu)化了操作環(huán)境。

圖4 調(diào)整前后除塵系統(tǒng)對比

6 結(jié)語

(1)通過對曼海姆反應(yīng)爐的主減速機電動機增設(shè)變頻器，實現(xiàn)了對反應(yīng)物料停留時間的控制，極大地提高了反應(yīng)爐的可操作性，產(chǎn)品的合格率由89%提高至95%。

(2)通過增設(shè)空冷夾套管，延長了硫酸下料管的使用壽命，減少了反應(yīng)爐停料的次數(shù)，下料管的更換時間由40 d更換一次，延長至8個月更換一次。

(3)通過增設(shè)旋風(fēng)分離器，解決了HCl氣體出口管道易堵及不易清理的問題。

(4)通過調(diào)整MOP料倉位置，解決了皮帶秤壽命過短、不穩(wěn)定的問題。

(5)通過調(diào)整除塵器位置，解決了除塵器卸灰口易堵的問題，有效降低了除塵器附近空氣中的含塵量。