張玉山，車永林，謝建明，張志云

(青海鹽湖鎂業(yè)有限公司，青海 格爾木 816000)

金屬鎂是地球上儲量最豐富的輕金屬元素之一，鎂的比重是1.74 g/cm3，只有鋁的2/3、鈦的2/5、鋼的1/4；鎂具有高強(qiáng)度、密度小、彈性模量大，散熱好、消震性好、承受沖擊荷載能力比鋁合金大、耐有機(jī)物和堿的腐蝕性能好的特點。鎂合金具有比重輕、比強(qiáng)度和比剛度高、易回收等特性，可以滿足航空、航天、現(xiàn)代汽車、軌道交通、船舶、國防軍工等領(lǐng)域?qū)p重、節(jié)能的要求，是世界公認(rèn)繼鋼鐵和鋁之后第三大金屬結(jié)構(gòu)材料，被譽為21世紀(jì)的綠色工程材料。氯化鎂電解法生產(chǎn)鎂是目前較環(huán)保和先進(jìn)的鎂制取方法之一，利用鉀肥生產(chǎn)后的尾液經(jīng)鹽田灘曬析出的水氯鎂石作為原料，配制成33.3%的氯化鎂鹵水，采用氯化鋇法除去硫酸根離子，經(jīng)陶瓷膜法精制過濾后得到一次精制鹵水，一次精制鹵水再經(jīng)離子交換法除硼工藝制得二次精制鹵水。二次精制鹵水進(jìn)入脫水單元調(diào)節(jié)pH值后進(jìn)入蒸發(fā)系統(tǒng)濃縮為51.5% MgCl2，平均含有4.8 mol H2O的濕顆粒。濕顆粒再依次進(jìn)入空氣干燥器、氯化氫干燥器中進(jìn)行干燥，使顆粒中的水分最終降至0.05% ，同時使MgOHCl含量降低到0.2%。上述脫水工藝中的空氣干燥環(huán)節(jié)是核心步驟之一，因此，空氣干燥器及其下料系統(tǒng)穩(wěn)定運行與否，直接影響到整個工藝鏈生產(chǎn)的可靠性和持續(xù)性。

1 空氣干燥器的工作原理和特點

干燥操作是采用某種方式將熱量傳給含水物料，并將此熱量作為潛熱而使水分蒸發(fā)、分離的操作。氯化鎂空氣干燥器是一種固定式流化床設(shè)備，主要由進(jìn)料口、多孔塔盤、熱風(fēng)室、下料管(溢流管)、腮型布料器等構(gòu)成(如圖1所示)，流化床干噪是利用固體流態(tài)化原理進(jìn)行的一種干燥過程。氯化鎂濕顆粒料由下料口進(jìn)入到達(dá)多孔塔盤，熱空氣從熱風(fēng)室向多孔塔盤底部吹入與濕顆粒料混合形成沸騰流化狀態(tài)，待濕顆粒料脫水使MgCl2的含水量降低到1.8 mol H2O(半干顆粒料)，再從下料管(溢流管)源源不斷的濃相流出，通過腮型布料器吹出的熱風(fēng)均勻分布開來。

圖1 空氣干燥器結(jié)構(gòu)原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of structure and principle of air dryer

空氣干燥器脫水的主要目的是將六水氯化鎂(MgCl2·6H2O)脫水致四水氯化鎂(MgCl2·4H2O)，由于該反應(yīng)有包晶點的存在，固體水合物在升溫時會出現(xiàn)熔融，所以最高溫度設(shè)定為454.7(181.55 ℃)，如果避免局部高溫或熱量集中，實際溫度可根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷需要適當(dāng)提高，過程反應(yīng)式為：

MgCl2·6H2O(s)→MgCl2·4H2O+2H2O(g)

氯化鎂空氣干燥器特點是：

(1)顆粒較小的固體物料，在流化床內(nèi)熱空氣與固體顆粒充分混合，單位體積內(nèi)的表面積很大，于是傳質(zhì)和傳熱速率很高，使過程能很快進(jìn)行。

(2)物料在流化床干燥器內(nèi)停留的時間可按工藝生產(chǎn)要求進(jìn)行自由調(diào)節(jié)(通常在幾分鐘至幾小時之間)。因此，對于需要進(jìn)行長時間干燥的含水率要求很低且易波動的氯化鎂濕顆粒料很適合使用。

(3)極易粘結(jié)成團(tuán)塊的氯化鎂濕顆粒物料，如果局部溫度過高或流化不暢，容易在流化干燥過程中出現(xiàn)粘管或堵床現(xiàn)象。

2 存在問題及其影響

空氣干燥器原下料管在穿過高溫風(fēng)室的時候，由于局部高溫且熱量無法及時散出，會出現(xiàn)熔料粘結(jié)堵塞下料管，進(jìn)而導(dǎo)致整個塔盤集料(如圖2所示)，最終不得不停車處理。頻繁堵料停車，不但嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率，而且每次開人孔清理塔盤都消耗大量的人力物力，并且存在受限空間作業(yè)的安全風(fēng)險，清理干燥器時外漏的氯化鎂顆粒粉塵對其他設(shè)備和作業(yè)人員產(chǎn)生不良影響(如：附著在機(jī)體表面的氯化鎂吸潮形成HCl造成氯離子腐蝕、對人的呼吸道等黏膜器官造成傷害)。

圖2 下料管改造前后運行對比Fig.2 Operation comparison of blanking pipe before and after transformation

3 優(yōu)化改造方法及注意事項

此次優(yōu)化改造的思路是，避開熱風(fēng)室高溫區(qū)通過外部管道下料。具體操作方法是在干燥器外壁上開孔，用方管(原下料管過流截面積0.93 m2，方管截面為650 mm×320 mm)代替原下料管并跨過熱風(fēng)室高溫區(qū)防止下料過程中熔料堵塞，使生產(chǎn)得以可靠持續(xù)。為了讓六水氯化鎂(MgCl2·6H2O)與熱空氣接觸時間和熱交換時間更長，方管上沿比原來下料管上沿高出10 mm。由于需要耐高溫HCl腐蝕和粒料沖刷，所以方管選用的材料與原下料管材料一致，是厚度為5 mm的鎳鉻鐵合金UNS NO6600(Inconel 600)板材，所以在成型與焊接時注意以下幾點：

(1)方型下料管進(jìn)行折彎后線下拼接無問題后再行安裝，盡可能減少因焊縫導(dǎo)致的薄弱點。

(2)折彎前下料劃線通過公式L=0.5π×(R+K系數(shù)×T)×(θ/90)進(jìn)行計算，K取0.5(其中L為板材展開長度、R為折彎處的內(nèi)側(cè)半徑、T為材料厚度)。

(3)根據(jù)《石油化工鉻鎳不銹鋼、鐵鎳合金和鎳合金焊接規(guī)程》(SH/T 3523- 2009)和《鎳及鎳合金焊條》(GB/T13814-2008)中的相關(guān)規(guī)定，選用鎳合金專用Φ3.2 mm的焊條ENiCrFe-3(焊絲ERNiCr-3)。

(4)焊條(焊絲)用350 ℃烘干2 h，現(xiàn)場環(huán)境溫度低于0 ℃時，應(yīng)在始焊處100 mm范圍內(nèi)預(yù)熱到15 ℃以上。

(5)由于鐵鎳合金、鎳合金的焊縫金屬在液態(tài)下流動性、浸潤性較差、熔深較小、故其坡口角度、對口間隙要相應(yīng)增大，鈍邊則相應(yīng)減小。

4 改造后運行效果

如表1所示，在濕顆粒加料負(fù)荷穩(wěn)定在97%的工況下連續(xù)運行了168 h。穩(wěn)定產(chǎn)出合格的四水氯化鎂(MgCl2·4H2O)半干顆粒，且熱空氣溫度顯著高于設(shè)計值的情況下，下料管在試車全程未發(fā)生熔料堵塞現(xiàn)象。

表1 空氣干燥器下料管改造前后運行情況對比表Tab.1 Comparison table of operation before and after the transformation of air dryer discharge pipe

改造前，氯化鎂空氣干燥器每次堵料故障停車都要10 d左右的時間才能再次恢復(fù)生產(chǎn)，其中工作內(nèi)容主要是人孔啟閉和清除塔盤廢料，如果將停車產(chǎn)量損失、備件消耗、人工時支出、清除廢料損失等合計到一起，單次停車損失約124萬余元，如果是按全年核算，不但損失巨大，而且生產(chǎn)根本無法持續(xù)。

此次改造除了獲得上述經(jīng)濟(jì)效益之外，對設(shè)備使用壽命和整個企業(yè)的穩(wěn)定生產(chǎn)也有著很大的積極性影響：

(1)避免了頻繁啟停對主體特材設(shè)備應(yīng)力腐蝕和所有關(guān)聯(lián)設(shè)備造成的不良影響,延長設(shè)備使用壽命和服役期，獲得更大的設(shè)備投資效益。

(2)避免頻繁清理作業(yè)，減少安全風(fēng)險(如高溫作業(yè)、受限空間作業(yè)等)，同時也減少了氯化鎂粉塵對生產(chǎn)環(huán)境、設(shè)備衛(wèi)生和運行狀態(tài)、人員健康的危害。

(3)改造后，使生產(chǎn)更加趨于“安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)”，穩(wěn)定的生產(chǎn)是企業(yè)生存發(fā)展和提高競爭力的核心實力之一，尤其是對供應(yīng)鏈要求極高的電解金屬鎂行業(yè)。

(4)此次改造解決了該行業(yè)的技術(shù)瓶頸，取得了技術(shù)經(jīng)驗和人員技術(shù)能力的提高，有力加強(qiáng)了企業(yè)軟實力和技術(shù)儲備。

(5)相關(guān)設(shè)備已申請了發(fā)明專利《一種帶有外掛式下料系統(tǒng)的氯化鎂流化干燥塔》(202010654476.2)，有效保護(hù)了該技術(shù)的知識產(chǎn)權(quán)。

5 結(jié)論及建議

雖然該空氣干燥器下料管改造取得了圓滿成功，也順利通過驗證性試車，但對塔壁開孔位置和外掛方形管安裝位置計算不夠精確，安裝過程中出現(xiàn)打補丁、修角、熱彎等附加操作，不但增加了工作量，也增加了焊縫數(shù)量，對一個高溫耐腐蝕設(shè)備而言，此類情況應(yīng)盡量避免。在后續(xù)的改造過程中參考已改造完的下料管，加強(qiáng)計算、減小機(jī)加工和焊接誤差，同時減少流道尖角，增加圓弧過渡，不但要提高下料管與塔壁的安裝強(qiáng)度和密封性，也要確保下料管下料順滑，在達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)的情況下盡可能長周期運行。