超声波防粘结技术在氯化镁脱水过程中应用

张孝亮

(青海盐湖镁业有限公司,青海 格尔木 816009)

青海察尔汗盐湖镁资源综合利用采用水氯镁石（MgCL2·6H2O·10H2O）脱水电解镁技术。其氯化氢气体保护下氯化镁脱水是破解此项生产技术世界性难题的关键。生产中，氯化镁湿颗粒干燥脱水时，在空气干燥塔和氯化氢干燥塔会经常性出现熔化、结块（垢）、沸腾状态不良等问题，极大影响无水氯化镁的稳定生产。超声波是指振动频率较高的物体在介质中所产生的频率高于20kHz的弹性波，具有波长较短，能量集中的特点。将超声波技术应用到氯化镁脱水生产中，解决生产中熔化、粘结（垢）现象是一种创新尝试。可为规模化电解镁生产提供稳定氯化镁原料，解决企业生产、环保等问题，节约大量资金和人力。

1 超声波防粘结技术应用工作机理及优点

超声波传播时，会使媒质产生振动。当声波机械能振动使媒质中的粒子加速度达到一定数值时，会在媒质中产生一系列的物理和化学效应。主要有：高速微涡效应、微冲性剪切效应、超声震荡效应。声波在氯化镁干燥塔应用主要是利用微冲性剪切效应。超声波在已结垢的设备金属表面传播时，会引起设备金属表面板结的物质随着设备金属一同震动。由于声波在不同媒质中传播速度、媒质性态和弹性阻抗等不同，在相互界面间形成细微的冲性剪切应力作用，导致板结在金属表面的垢质层疲劳、裂纹、疏松，进而破碎、脱落，起到分离作用。超声波防粘结技术优点是其应用对媒介物理、化学性质及其工作参数等无特殊要求，不需添加任何化学药品，对设备无污染及腐蚀,适用性范围极广。①防粘结、除垢，范围不受限制，解决设备粘结、带垢作业问题；②声波可强化传热效果，无论有无垢质，能提高传热效率；③不改变工艺条件，在线维护，不需停机，不影响生产；④纯物理方法，不腐蚀设备，无污染；⑤适用各种流体介质。上述特点适合氯化镁颗粒干燥的生产。

2 应用背景

氯化镁脱水要经过两层塔盘空气干燥塔和十层塔盘氯化氢干燥塔。干燥过程中，由于氯化镁特性和竖式干燥设备结构特点，常在干燥塔内出现物料沸腾不良，塔盘层差过高，物料流动性差等现象，造成无法生产，影响着合格氯化镁稳定产出。原因分析：①干燥前氯化镁湿颗粒转运时，吸附空气中少量水分，表面微量水解，0.5mm～1mm粒径颗粒表面粉化；②输送和沸腾干燥时，粒子间碰撞形成少量细小氯化镁颗粒；③沸腾干燥时，会因气流分布和料层厚度等诸多因素，产生的细小颗粒状氯化镁会在塔盘表面上或双层塔盘空隙间熔化粘结，经不断地熔化粘结，晶体形成较大固状块，零散无规律分布；④塔盘上死角部位，更易产生熔化粘结块，并逐步蔓延；⑤干燥气体温度和压力及物料进料量失控，物料大面积熔化粘结。产生熔化粘结干燥塔盘，塔盘间压差大，上下塔盘间颗粒物料无法沸腾，塔盘无法进料，生产无法持续，干燥被迫停车清理。处理此类问题时间很长，影响损失十分巨大，是目前生产过程中亟待解决的问题。生产中，在线处理类似生产问题主要手段是加大干燥通风量，减少受阻塔盘间料层厚度，降低压差阻力，使干燥气体顺利通过堆有颗粒物料塔盘，迅速形成有效沸腾状态。但在实际中，效果非常不理想，往往早期颗粒物料沸腾状态不佳时，上述措施有效。在压差较大时，无效果和作用，只能停产进行塔盘清料和水洗处理。

3 氯化镁熔化粘结后的影响

氯化镁熔化粘结塔盘、沸腾不良带来影响：①每条干燥线年累计停机时间约40天，年损失氯化镁产量约9000吨；②清理塔盘时，闭合管道、人孔法兰、更换密封垫片等，需花费大量人工时。③清理前，塔体内氯化氢气体需要吸收、处理；漂浮散落氯化镁粉尘，严重影响设备安全；④浪费氯化镁料约70吨/次。

4 干燥塔盘上超声波技术的应用

超声波在固体中用纵波和横波两种形式传播，这两种波的波速也不相同。不锈钢中，纵波速度是5790米/秒，横波速度是3100米/秒。气体中一般取340m/s。

氯化镁干燥塔塔体材质全部为Inconel600合金，氯化氢干燥气体为高温腐蚀刺激性。超声波防粘结技术应用时需将声波换能器硬性连接干燥塔塔盘上，使声波无衰减传播。用微处理器和软件系统实现对超声震荡的发生、频率、振幅、脉冲周期、脉冲宽度、加速度等参数实现实时调测和控制，将产生功率一定的声波，经磁致伸缩材料电/机能量转换模式，直接作用于干燥塔塔盘上。换能器产生2万次/秒微振动传导致堵塞的干燥塔盘上，塔盘产生微振动，达到筛板孔疏通作用。

当细小状物料熔化粘结在刚性塔盘媒质表面上时，由于声波在不同媒质中传播速度差，利用微冲性剪切效应，其纵波和横波会在两种不同媒质间接触面产生机械剪切力，熔化粘结在传播速度快、机械强度高的塔盘媒质上的氯化镁粒子会被剪切、粉碎、剥离、脱落，达到疏通的效果。当熔化粘结成大块状氯化镁产生并附着在干燥塔塔盘上时，经声波传播，先利用剪切力将大块状的氯化镁粘结块从塔盘上剥离，再经声波进一步传递，在毗邻塔盘的氯化镁块状料一侧，超声震荡效应和微冲性剪切效应作用下，不断崩塌，粉碎，剥离。块状氯化镁体积不断缩小，达到一定的临界粒径时，微冲性剪切效应将变得不再重要，粉碎主要依靠粒径高速碰撞摩擦进行，这过程要持续一定时间才能完成，从而解决块状物料影响沸腾问题。所以在氯化镁干燥过程中，由于处理时间长，应尽量避免较大块状的熔化粘结物料产生。对于双层塔盘中间产生的熔化氯化镁物料堵塞，由于上下层空间较小，熔化粘结物料会很严重，经声波作用，会经前述的两组声波状态加以解决，同时已粉碎颗粒会被氯化氢气体吹出双层塔盘间。另一方面声波在金属中传输，塔盘表面呈高速微幅度震动状态，会产生一定滑腻效果，可有效预防颗粒物料在塔盘上熔化吸附或沉积，利于塔盘疏通，物料沸腾。在氯化氢干燥塔盘上金属材质中，施加声波，可有效的防止熔化的氯化镁粘结，保持气体通过顺畅，作用显著。该项技术的应用，其在线清理特性，是一种环境友好、新颖高效的新技术。在可持续发展今天，更具经济、环保、低碳等强大竞争力。

5 超声波装置安装与运行

干燥塔运行时，连续性多次在不同层数塔盘上出现熔化粘结，根据塔结构、运行参数及介质等因素，超声波装置需每层安装，每层至少6个声波传导点，可控200m2的面积（干燥塔每层塔盘面积约45m2），其中二个声波传播点需布置在进、出料口附近，可预防、疏通进、出料管堵塞。声波换能器须安装在干燥塔外，通过波导将声波传至塔盘筛网上。波导与干燥塔壁之间采用迷宫式填料函设计，吸震材料密封隔离，杜绝声波能量损失，防止高温氯化氢泄漏。控制方面宜用PLC自动控制，十层塔盘分组先后按顺序间隔自动循环运行。①实现塔盘孔无堵塞，熔化粘结细小氯化镁脱落。②避免声波长时工作，减少颗粒破损和粉料量。③降低塔盘部件机械疲劳。

6 结语

超声波产生的微冲性剪切效应和超声非线性振动阻止氯化镁颗粒物料熔化粘结作用显而易见。通过实施，氯化镁脱水生产技术中干燥塔塔盘上氯化镁颗粒物料熔化粘结堵塞现象可以在线得到有效遏制，有力攻克脱水生产稳定性的一个难题。超声波其独特优点，使它在各行各业的应用越来越广泛，其应用潜力巨大，前景广阔，是今后研究的重点和方向，值得尝试。

[1]杜林虎，陈大明，潘伟，陈建.超声波对鳞片状石墨的粉碎作用及结构影响硅酸盐通报.2000年4期.

[2]李英，赵德智，袁秋菊.超声波在石油化工中的应用及研究进展.石油化工.2005年第34卷第2期.