唐宗壽，劉海燕，顏學倫

（華融化學股份有限公司，四川 成都 611933）

華融化學股份有限公司（以下簡稱“華融化學”）2 萬t/a 聚合氯化鋁裝置于2021 年11 月投入運行，該裝置包含2 條生產(chǎn)線，分別為0.5 萬t/a 的高純聚合氯化鋁和1.5 萬t/a 的飲用水級聚合氯化鋁。裝置在試生產(chǎn)初期出現(xiàn)了不少問題，經(jīng)過整改、優(yōu)化后，取得了較好效果，目前裝置總體運行情況良好。

1 項目建設背景

華融化學現(xiàn)有7 萬t/a 離子膜法氫氧化鉀裝置，生產(chǎn)31%、48%、90%和95%的高品質(zhì)氫氧化鉀，副產(chǎn)氯氣、氫氣。氫氣大部分用作原料生產(chǎn)鹽酸，其余的放空；氯氣除用作原料生產(chǎn)鹽酸和次氯酸鈉外，剩余液化成液氯后銷售。

根據(jù)華融化學發(fā)展規(guī)劃，公司將充分利用現(xiàn)有工藝裝置及輔助設施的優(yōu)勢資源，生產(chǎn)安全型食品添加劑、水處理劑、環(huán)保催化劑、超凈高純試劑、電子化學品等系列精細化學品，實現(xiàn)危化品向非?；返霓D(zhuǎn)變，并完成產(chǎn)品提檔升級；通過“降風險，促轉(zhuǎn)型”改造項目的實施，推動公司從生產(chǎn)型企業(yè)向生產(chǎn)服務型企業(yè)轉(zhuǎn)型，從制造型企業(yè)向研發(fā)型企業(yè)轉(zhuǎn)型。

2 萬t/a 聚合氯化鋁裝置屬于華融化學“降風險，促轉(zhuǎn)型”一期改造項目范圍。

2 聚合氯化鋁工藝

制備PAC 的方法有多種，根據(jù)生產(chǎn)原料的不同，可分為四大類，即金屬鋁法、氫氧化鋁法、氯化鋁法和含鋁礦物法[1]；根據(jù)處理方式的不同，可分為酸法、堿法、中和法和原電池法；根據(jù)酸法反應步驟的不同，又可分為一步法和二步法[2]。華融化學0.5 萬t/a高純聚合氯化鋁采用酸溶一步法，即僅酸溶氫氧化鋁；1.5 萬t/a 飲用水級聚合氯化鋁采用酸溶二步法，即先酸溶氫氧化鋁，再酸溶鋁酸鈣。

酸溶一步法生產(chǎn)PAC 的反應式如下。

溶解反應：

聚合反應：

酸溶二步法生產(chǎn)PAC 的反應式如下。

半成品反應：

聚合反應：

2.1 酸溶一步法工藝流程

首先將氫氧化鋁和鹽酸按一定比例加入配料釜，攪拌均勻后，用配料泵轉(zhuǎn)移至搪瓷反應釜內(nèi)，通入蒸汽進行升溫反應，達到工藝要求150 ℃后，保溫3 h，得到聚鋁成品漿液，用漿液泵打入脫色罐，脫色后的漿料通過脫色泵打入板框壓濾機進行固液分離，得到高純PAC 濃溶液，高純PAC 濃溶液既可稀釋復配得到氧化鋁含量10%的外銷高純PAC 液體，也可送至噴霧干燥裝置制成固體PAC；壓濾得到的濾渣與水攪拌均勻，通過高純洗渣泵轉(zhuǎn)移至飲用水級PAC 生產(chǎn)線再次利用。酸溶一步法工藝流程簡圖見圖1。

圖1 酸溶一步法工藝流程簡圖

2.2 酸溶二步法工藝流程

首先將31%鹽酸和自來水按一定比例加入到復合反應罐中，配制成濃度為24%～26%的鹽酸，再將5 t 氫氧化鋁加入到反應罐中，通入蒸汽加熱至90 ℃進行酸溶反應，得到半成品—三氯化鋁溶液，將計量好的鋁酸鈣粉投入半成品中，進行聚合反應，得到PAC 成品漿液，成品漿液通過板框壓濾機進行固液分離，得到飲用水級PAC 濃溶液，濃溶液通過泵輸送至稀釋復配池進行冷卻稀釋，得到氧化鋁含量10%的稀溶液，完成后再通過泵輸送至飲用水成品儲罐；濃溶液也可送至噴霧干燥裝置制成固體PAC；壓濾得到的濾渣落入壓濾機底部洗渣桶，加水攪拌洗滌，洗滌后的漿液用泵打入廢渣壓濾機，濾液進入壓濾回收池回收利用，濾渣輸送至渣場，定期處理。酸溶二步法工藝流程簡圖見圖2。

圖2 酸溶二步法工藝流程簡圖

2.3 PAC 干燥工藝流程

PAC 干燥工藝是用送料泵將原料液打入離心塔頂?shù)撵F化器，在離心盤的高速作用下，將物料分散為霧滴，并用熱空氣干燥霧滴而獲得產(chǎn)品的一種干燥方法。裝置為立式上噴下并流型，并采用聯(lián)鎖自動調(diào)節(jié)（PLC/DCS）控制方法，干燥介質(zhì)為干熱空氣?？諝庥伤惋L機和供熱裝置（燃煤熱風爐/天然氣爐/蒸汽換熱器等）通過干燥塔頂部的熱風分配器，均勻地旋轉(zhuǎn)向下吹入干燥室，與高速旋轉(zhuǎn)的離心盤形成的微小料液霧點相遇，表面水分迅速蒸發(fā)（恒速干燥階段），然后進入降速干燥階段，短時間內(nèi)干燥成空心球狀產(chǎn)品。氣固混合物下行至干燥塔底，大部分成品在內(nèi)旋風分離后排出，微粉再經(jīng)高效旋風分離器收集，尾氣經(jīng)三級濕式除塵器捕集收集，達標尾氣由引風機引至煙囪。

噴霧干燥塔出來的尾氣溫度110～120 ℃，為了更好地節(jié)省和利用能源，首先將氧化鋁含量13%的液體PAC 加入一級噴淋塔，水分蒸發(fā)后得到氧化鋁含量大于15%的液體，此時的排風65 ℃左右，相對濕度55%（空氣濕度未飽和），蒸發(fā)水分可達總蒸發(fā)量的20%～30%，使一級噴淋塔起到了利用廢熱濃縮物料的作用。

3 PAC 生產(chǎn)工藝技術要點

3.1 酸溶一步法工藝技術要點

（1）暖管和暖釜。第一次開啟蒸汽管道輸送蒸汽，為防止驟熱對管道和設備造成損壞，并降低水錘效應，需要暖管和暖釜并排放冷凝水。

（2）開啟尾氣處理系統(tǒng)。首先將一級水洗塔、二級水洗塔加水至60%液位，三級堿洗塔加氫氧化鈉溶液至60%液位，再開啟各塔的循環(huán)噴淋泵和引風機。當一級水洗塔和二級水洗塔的氯化氫質(zhì)量分數(shù)分別達到5%和3%時更換洗滌液；當堿洗塔的pH值達到9 時，更換新的氫氧化鈉溶液，確保尾氣達標排放。

（3）配料。配料前，檢查配料釜和反應釜內(nèi)是否干凈，將稱重控制器置0，打開配料釜放空閥，使配料釜為微負壓。DCS 設置好鹽酸加入量后，啟動鹽酸進料，加入量約2.0～3.0 m3時，開啟配料釜攪拌，并陸續(xù)將計算好的噸包氫氧化鋁原料從加料口投入配料釜，投料完成后攪拌10 min，之后將混合液用泵轉(zhuǎn)移至反應釜，轉(zhuǎn)移完成后開啟沖洗水閥門，對殘留在管道和泵內(nèi)的混合液進行沖洗，防止渣料沉積堵塞管道。

（4）聚合反應。開啟反應釜蒸汽調(diào)節(jié)閥，保持蒸汽在0.1 MPa 以下，預熱15 min，再逐步增加到0.6 MPa，釜內(nèi)溫度從90 ℃升至140 ℃過程中，反應比較劇烈，溫度和壓力上升較快，需密切關注溫度和壓力變化，直到溫度達到155 ℃，關閉蒸汽調(diào)節(jié)閥，并開始記錄聚合反應時間，聚合反應時間維持3 h。整個過程中，反應釜的壓力嚴禁超過0.4 MPa，如果超過，DCS 將報警，操作人員應及時遠程手動打開放空閥泄壓，泄壓時放空調(diào)節(jié)閥的開度保持在6%～10%，切記不可大開放空閥，否則物料在高溫高壓下會猛烈噴到釜外。

（5）降溫。聚合反應完成后，物料溫度約150 ℃，不能直接進行壓濾，需先對物料進行降溫，因搪瓷反應釜耐受的急變溫度不能超過110 ℃，利用65 ℃熱水將物料降溫至90 ℃。

（6）脫色。將90 ℃的物料轉(zhuǎn)移至盛裝有鋁排的脫色罐中，通過鋁的酸性溶解及金屬鋁表面腐蝕原電池反應，氧化還原溶液中的金屬離子及有機雜質(zhì)，達到脫色的目的。

（7）壓濾。用壓縮空氣對脫色罐出料閥反吹5～10 s，完畢后啟動壓濾泵，控制泵的壓力在0.10～0.35 MPa，往壓濾機中送料，壓濾結束后開啟沖洗水閥門，將管道內(nèi)殘余物料沖洗干凈，持續(xù)一兩分鐘。成品PAC 濾液進入高純PAC 成品中轉(zhuǎn)桶，濾渣卸入洗渣桶中，累計到一定量后轉(zhuǎn)移至飲用水級聚合氯化鋁生產(chǎn)線。

3.2 酸溶二步法工藝技術要點

（1）開啟尾氣處理系統(tǒng)。同酸溶一步法。

（2）配料。開啟反應罐注水閥，通過水流量計向反應罐注入定量的水，使水沒過鹽酸插入管管口，防止鹽酸加入時產(chǎn)生大量酸霧，最終配制成濃度為24%～26%的鹽酸，再將計算稱量好的噸包氫氧化鋁原料分多次投入反應罐內(nèi)。

（3）一次反應。開啟蒸汽閥門，開始10 min 控制閥門開度在10%左右，緩慢升溫，逐步提高閥門開度，防止蒸汽流量過大造成物料噴濺。當罐內(nèi)物料溫度達到90 ℃時，關閉蒸汽閥門，利用反應放出的熱量使溫度升至100 ℃，反應3.0～3.5 h，得到半成品—三氯化鋁溶液。

（4）聚合反應。將計算好的鋁酸鈣粉分多次加入反應罐中，若投料過程中溫度太高，漿料會劇烈反應，可暫緩投料，同時加入少量自來水壓制反應劇烈程度，投料結束，待溫度到100 ℃時開始計算，保溫1 h，聚合反應完成后，加入3.0～4.0 t 自來水降溫至90 ℃，準備壓濾。

（5）壓濾。用壓縮空氣對反應罐出料閥反吹5～10 s，完畢后啟動壓濾泵，通過壓濾機的變頻器控制過濾壓力在0.02～0.35 MPa，壓濾完成后向反應罐中加入2.0～3.0 t 自來水，啟動壓濾泵，對壓濾泵和管道進行沖洗。成品PAC 濾液進入飲用水級PAC 成品中轉(zhuǎn)桶，濾渣卸入洗渣桶中，加水洗滌后轉(zhuǎn)移至濾渣壓濾機再次壓濾，濾液返回系統(tǒng)再次利用，濾渣轉(zhuǎn)移至渣廠。

4 試生產(chǎn)出現(xiàn)的問題及解決措施

4.1 高純PAC 配料釜物料配比誤差大

高純PAC 配料過程中，氫氧化鋁加入量采用吊鉤秤稱量方式，比較準確，而鹽酸加入量則是采用流量計的計量方式，鹽酸密度受溫度和濃度影響較大，且鹽酸儲槽與配料釜之間有較長管道，一定量鹽酸會殘存在管道中，使鹽酸的加入量變少，不利于氫氧化鋁充分反應。

解決措施：在配料釜上安裝高精度稱重模塊，所有與配料釜管口連接的管道改為柔性連接，并將稱重模塊與鹽酸泵的停止聯(lián)鎖，即當鹽酸加入量達到設定值時，泵自動停止運行，保證了鹽酸加入量的準確性。

4.2 耐酸陶瓷砂漿泵葉輪損壞

飲用水級PAC 生產(chǎn)線配有2 個反應釜，每個反應釜容積50 m3，每個反應釜配有2 臺流量為60 m3/h，揚程60 m 的耐酸陶瓷砂漿泵，該類型泵具有耐腐蝕、耐磨損、耐溫和維修方便等優(yōu)點，適用于輸送含有懸浮固體顆粒的各種腐蝕性介質(zhì)，使用溫度不能超過100 ℃，溫度急變需小于50 ℃。飲用水級PAC聚合反應完成后的成品漿料溫度約100 ℃，為保護泵，同時提高生產(chǎn)效率，不能讓漿料長時間自然冷卻到常溫，溫度冷卻到約90 ℃開始過濾，過濾完成后，為防止渣漿料沉積在管道中造成堵塞，立刻就用自來水沖洗管道，自來水溫度約20 ℃，陶瓷砂漿泵溫度約90 ℃，溫度急變約70 ℃，遠大于要求的小于50 ℃，長期在這種工況下使用，導致陶瓷砂漿泵葉輪碎裂。

解決措施：將耐酸陶瓷砂漿泵更換為過流部件均為超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）泵，UHMW-PE具有以下優(yōu)異性能：（1）強大的耐磨性，比尼龍66（PA66）、聚四氟乙烯（PTFE）高4 倍，是碳鋼、不銹鋼耐磨性的7～10 倍；（2）強大的耐沖擊性，耐沖擊強度居通用工程塑料之首，是聚丙烯、聚丁二烯和聚苯乙烯等的5 倍，且能在-196 ℃下保持穩(wěn)定；（3）優(yōu)良的耐腐蝕性，UHMW-PE 在-5～100 ℃溫度范圍內(nèi)能耐一定濃度各種腐蝕性介質(zhì)（酸、堿、鹽）及有機溶劑；（4）摩擦系數(shù)低，僅為0.07～0.11；（5）抗粘性好，抗粘附能力與PTFE 相當。

4.3 高純PAC 生產(chǎn)線操作繁瑣

高純PAC 生產(chǎn)線操作流程包括配料、轉(zhuǎn)料、聚合反應、降溫和成品壓濾等。

轉(zhuǎn)料前，需要對配料釜底閥進行吹掃，防止沉積在釜底的渣漿堵塞出口，吹掃完成再打開轉(zhuǎn)料泵，轉(zhuǎn)料完成后，關閉配料釜底閥，開啟自來水閥門對泵和管道進行沖洗，以防殘留在泵和管道內(nèi)的渣漿沉積堵塞泵和管道。

聚合反應階段首先需要打開排污閥，排掉反應釜夾套內(nèi)的水，排盡后將排污閥的開度置于10%，以便排出前期加熱產(chǎn)生的大量冷凝水；對反應釜內(nèi)物料進行加熱時，首先需要蒸汽在0.1 MPa 以下預熱15 min，再逐步加大到0.6 MPa，避免驟熱損壞搪瓷反應釜，反應釜內(nèi)溫度到達100 ℃時，打開疏水閥，關閉排污閥，再持續(xù)用蒸汽給物料加熱到規(guī)定溫度。

聚合反應完成后，得到的成品漿料溫度較高，約150 ℃，不能直接打入壓濾機進行過濾，應進行降溫，首先打開夾套熱水進水閥和回水閥，啟動熱水泵，用約65 ℃的熱水給釜內(nèi)物料降溫至120 ℃，之后停止熱水泵，關閉熱水進水和回水閥，打開循環(huán)水進水和回水閥，用循環(huán)水將釜內(nèi)物料降溫至90 ℃后，準備過濾。

以上流程，操作步驟多，每一步都要操作人員手動操作，操作繁瑣，工作量大，不符合智能工廠的設計要求。

解決措施：將轉(zhuǎn)料、聚合反應、降溫和成品壓濾等過程控制模塊化，將手動閥門改為自動閥門，DCS操作人員只需與現(xiàn)場操作人員確認需要手動開啟或關閉的閥門或其他需要現(xiàn)場操作的情況，僅在電腦屏幕上點擊一下編制好的對應步驟的模塊控制按鈕，就可以按編制的程序自動進行。

4.4 飲用水級PAC 加鋁酸鈣沸溢

飲用水級PAC 生產(chǎn)是在常壓條件下進行，首先用蒸汽將反應釜中的鹽酸與氫氧化鋁的混合物料加熱至90 ℃，并保溫3 h，在此條件下進行酸溶氫氧化鋁反應，得到PAC 半成品，之后投加鋁酸鈣粉進行聚合反應，在鋁酸鈣粉投料過程中，若投料速度過快，漿料會劇烈反應，放出大量熱使?jié){料沸騰，此時需要加入冷水對漿料進行冷卻，若冷卻不及時，導致高溫漿料從加料口溢出，若冷水加入過多，超過反應釜容積或使成品聚鋁濃度不達標。

解決措施：鋁酸鈣粉采用螺旋給料機加入到反應釜，同時用螺旋加料機的加料速度控制冷水流量調(diào)節(jié)閥，讓鋁酸鈣反應放出的熱量與冷水吸收的熱量平衡，使物料溫度穩(wěn)定在95 ℃附近，既保證了反應的溫度要求和產(chǎn)品質(zhì)量，也保證了操作的安全性。

4.5 脫色桶脫色效果差

高純PAC 在生產(chǎn)過程中，溶液中溶解了顯色的無機離子和有機物的發(fā)色基團，特別是重金屬離子Fe3+、Fe2+，使產(chǎn)品呈現(xiàn)為淡黃色，目前的脫色方法是將壓濾后的PAC 液體打入脫色桶，脫色桶中放有鋁錠，通過鋁的酸性溶解和金屬鋁表面腐蝕原電池反應，氧化還原PAC 溶液中的金屬離子及有機雜質(zhì)，達到純化脫色的目的。但在實際生產(chǎn)中，鋁錠相對表面積小，而PAC 液體產(chǎn)量約200 m3/d，導致PAC 液體在脫色桶停留時間短，與鋁錠接觸不充分，金屬離子及有機雜質(zhì)未反應就離開脫色桶。

解決措施：將鋁錠換為鋁制DN25 鮑爾環(huán)，增加PAC 液體與鋁表面的接觸面積，使脫色反應進行得更充分，脫色完成后，再打入壓濾機進行過濾，得到的濾液為無色液體，白度顯著提高。

5 物料及能源消耗

高純PAC 使用的原料為氫氧化鋁、31%鹽酸和自來水，用到的能源有低壓蒸汽和電；飲用水級PAC 使用的原料為氫氧化鋁、鋁酸鈣、31%鹽酸和自來水，能源為低壓蒸汽和電；PAC 干燥裝置以高純PAC 或飲用水級PAC 生產(chǎn)線的液體PAC 為原料，消耗的能源為天然氣和電。生產(chǎn)的液體高純PAC 和液體飲用水級PAC 以氧化鋁質(zhì)量分數(shù)為10%的產(chǎn)品計算單耗，干燥后的固體PAC 折算為氧化鋁質(zhì)量分數(shù)為30%的產(chǎn)品計算產(chǎn)量。經(jīng)性能考核后，得出的物料及能源單耗見表1。

表1 物料及能源單耗

6 結語

經(jīng)過半年多的試生產(chǎn)和改進，華融化學2 萬t/a聚合氯化鋁裝置達到了預期的設計效果，生產(chǎn)工藝具有自動化程度高、安全環(huán)保性能好、操作方便和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定等特點。2 萬t/a 聚合氯化鋁裝置投產(chǎn)后，優(yōu)化了華融化學氯產(chǎn)品的結構，緩解了“氯”在氯堿企業(yè)難平衡的通病，為公司創(chuàng)造效益1 000 萬元/a，同時也為西南片區(qū)的飲用水安全提供了有力保障。