硫酸钾装置曼海姆炉运行及探讨

2020-03-04雷高明高亚娟

硫酸工业 2020年10期

雷亮，雷高明，高亚娟

（1.盘锦晟鑫化工设备制造有限公司，辽宁盘锦 124022；2.盘锦北方沥青股份有限公司，辽宁盘锦 124022）

曼海姆法生产硫酸钾是指氯化钾和浓硫酸在曼海姆炉内进行复分解反应生成硫酸钾和氯化氢气体。曼海姆法具有工艺操作简单，技术成熟可靠，产品质量稳定等优点。相比于水盐体系法硫酸钾而言，其产品硫酸钾“全水溶”。曼海姆法硫酸钾装置的生产总体比较稳定，但在生产过程中也存在一些问题，需要在生产过程中不断加以改进。笔者对生产硫酸钾的曼海姆炉以及硫酸钾成品的质量和产量等相关问题进行探讨。

1 曼海姆炉简介

1.1 曼海姆炉结构及反应简介

1）曼海姆炉φ6 000 mm，呈马蹄形，分为燃烧室，反应室和烟道室。

2）曼海姆法硫酸钾工艺采用固定床复分解反应法。原料氯化钾与w(H2SO4)为98%的硫酸按照质量比3∶2经各自分布器连续注入φ6 000 mm曼海姆炉床反应区表面，燃气燃烧生成的热量提供曼海姆炉内物料反应所需热量，炉内物料在500～540℃高温下由耙臂带动耙齿连续不断地将反应物料匀速搅拌混合，并以一定速度将物料由炉中心扩散到周边，确保物料反应完全，生成的硫酸钾经边齿推动由下料器出炉。

1.2 曼海姆炉工艺指标

1）温度指标：燃烧室温度：≤ 900 ℃；反应室温度：520～540 ℃；烟道室温度：≤600 ℃。

2）中控指标：w(SO42-) ≤ 4 %，w(Cl-)≤ 2.0%。

3）消耗定额：KCl≤ 0.86 t/t，H2SO4≤ 0.6 t/t。

4）产品指标：Q=30 t/d，w(K2O) ≥ 50%，w(SO42-) ≤ 3%，w(Cl-)≤ 2.0%。

2 曼海姆炉运行实践

2.1 曼海姆炉操作

1）物料反应线位于带有边齿的耙臂2齿和3齿中间。反应线以内物料呈现黑色，反应线以外物料呈现浅黄色。根据实测，反应线以内物料温度为310 ℃，反应线以外物料温度为430 ℃，反应线处物料温度为370 ℃。反应线是物料是否反应完全的参照因素之一，其次是根据炉内物料状态判断物料反应情况。不同的原料氯化钾有不同的反应线。相对来说，氧化钾含量越低，反应线越靠里，在2齿附近；氧化钾含量越高，反应线越靠外，在2齿半附近；使用晶体颗粒氯化钾反应线继续靠外，根据颗粒大小，可达到3齿。氧化钾含量高低以及颗粒大小，决定了硫酸投入量大小。

2）原始开车时需铺设1.0～1.2 t氯化钾，起到投料时防止硫酸过量损坏炉床的作用。为加快成品合格速度，也可铺设成品硫酸钾，缩短成品合格时间。最好是氯化钾和硫酸钾以质量比1∶4铺设。既能起到硫酸过量时保护炉床的作用，又能达到成品快速合格的目的。原始开车时，因用氯化钾铺入炉床，致使刚开始投料时硫酸钾成品中控指标氯离子含量较高，则需要加大硫酸投入量，中控指标才能稳定下来。

3）严禁过多水分进入炉内。进入炉内的水分包括2个方面：一是氯化钾潮湿，w(H2O)超过1%；二是硫酸w(H2SO4)低于98%。二者所带入水分经高温蒸发变为水蒸气，水蒸气与炉内KCl、H2SO4、K2SO4、HCl等物质混合在一起，形成对炉内件的电化学腐蚀。因此，选用干燥的氯化钾及w(H2SO4)不低于98%的硫酸对保护炉内件尤为重要[1]。

2.2 曼海姆炉存在问题及处理

1）应防止燃气烧嘴火焰正压，若正压，火焰会顺着燃烧口往炉外喷火。长时间火焰正压，会对燃烧室炉顶砖造成损坏。正处于燃烧室火焰上部的高铝砖因长期处于1 000 ℃以上高温灼烧，高铝砖下部掉落1/3，目前对操作影响不大，需密切关注。

2）燃烧室顶部应铺设保温膏，最好在保温膏和炉顶砖的接触处铺设一层耐高温陶瓷纤维毡，厚度为20 mm左右，以防止热量散失。

3）两侧烧嘴最大温差不允许超过30 ℃，防止两侧烧嘴砖热胀冷缩加剧，损坏炉顶砖，致使炉顶砖圆环和燃烧室接触处塌陷。应通过燃气阀门及时调节两侧燃烧室温度，若发生塌陷，应铺入高铝砖后，盖上陶瓷纤维毡，维持生产正常运行。

4）氯化钾和硫酸的复分解反应在反应室内进行，二者进入反应室炉床上进行反应，温度可达540 ℃。反应室易出现的问题是靠近炉门上部碳化硅砖产生裂缝，是由于经常打开炉门使冷空气进入，导致碳化硅砖经常热胀冷缩造成的。

5）曼海姆炉炉床泄漏是制约生产的一大瓶颈，炉床泄漏造成的停车检修次数，要多于炉内件腐蚀所造成的停车检修次数。炉床泄漏原因有开停车升降温过快或者硫酸长期投料量大以及使用大颗粒晶体氯化钾等。炉床泄漏主要是在炉床砖第二块和第三块之间因不同原因开裂而产生缝隙，泄漏的硫酸氢钾会顺着缝隙进入烟道室。高温时，硫酸氢钾呈黄色液体，温度降低后会凝固为白色固体。泄露不严重时候，停酸15 min，也就是仅氯化钾投入15 min，然后停止氯化钾投入，炉子经过保温2 h后再投料投酸。泄露严重时，将烟道管接到防爆口，维持生产。待到停车检修时及时更换炉床[2]。

6）烟道室能起到给炉床物料保温或者升温的作用，其温度为500～550 ℃。生产中应注意炉底温度严禁超过600 ℃。超过该温度，说明燃料和空气在反应室内没有燃烧完全，燃烧后移也即进入烟道室和烟道管继续燃烧，造成炉底温度高。这会对复热器列管以及管板造成损害，发生这种情况，只要降低燃气量就可以解决。炉底温度高，更会对引风机动平衡产生不良影响，造成叶轮高温灼烧变形，叶轮动平衡发生改变，风机震动加剧。

7）若炉中温度达到520 ℃，则碳化硅砖被烧红至从外至内的第2.5～3圈（碳化硅砖共5圈）。曼海姆炉应参照炉顶碳化硅砖被烧红的程度来判断测温电偶的准确性，防止因测温电偶的不准确致使炉中温度过高，烧坏炉体。

8）燃料燃烧产生的热量只有15%～16%被物料所吸收，烟气带走热量40%。为减少烟气带走的热量，应使用曼海姆炉下烟道。使用下烟道后，烟气余热还可给曼海姆炉床提供保温，能使热量回收1%～3%，炉顶温度能降低30～50 ℃，炉底温度能降低40～50 ℃，同时节省了燃气消耗。

9）采取有效措施，做好曼海姆炉内件腐蚀的防护，使曼海姆炉能够长周期运行。

2.3 曼海姆炉生产硫酸钾

2.3.1 质量控制

1）精心操作曼海姆炉，严格控制工艺指标。产品质量达标与否，关键在于曼海姆炉的操作。精心做好曼海姆炉的操作，可为曼海姆炉的稳产高产创造条件，提供保障。严格控制工艺指标，根据物料反应情况及时调整硫酸投入量，调整硫酸投入量的原则为少调勤调，以保证成品质量，必要时可降低生产负荷。

2）炉温高低直接决定了硫酸钾产品质量。曼海姆炉反应室温度为500～540 ℃，温度越高，物料反应越完全，可有效降低氯离子和硫酸根离子含量。选用天然气为燃料不会发生温度烧不上去的问题，若选用煤气炉，则燃煤的热值对曼海姆炉炉温起决定作用，燃煤热值需要在21 000 kJ/kg以上才能保证炉温。在能保证中控指标的前提下，应尽量降低炉中温度，减小燃料消耗，降低成本。

3）用w(K2O)为62%的氯化钾生产w(K2O)为52%的硫酸钾时尽量降低硫酸投入量。对于生产w(K2O)为52%的硫酸钾来说，要提高成品硫酸钾中氧化钾含量，需要提高反应炉温度至520～540 ℃，促使反应进行完全，降低硫酸钾产品中的硫酸根离子，若w(SO42-)超过3.0%，会造成成品硫酸钾中w(K2O)达不到52%。

4）w(K2O)为62%的氯化钾生产硫酸钾操作难度小于w(K2O)为60%的氯化钾。若用w(K2O)为62%的氯化钾生产w(K2O)为50%的硫酸钾，可降低反应温度为500～520 ℃，中控指标控制w(K2O)大于 50%，w(Cl-)小于2.0%，w(SO42-)小于 4%，再加入石灰粉中和后，成品硫酸钾中w(SO42-)可小于3.0%。因此，无论生产w(K2O)为52%或50%的硫酸钾，原料最好选用w(K2O)为62%的氯化钾，实际分析w(K2O)为62%的氯化钾w(K2O)能达到62.8%以上，最高63.18%，都能够完全满足生产要求。

5）w(K2O)为60%的氯化钾生产硫酸钾时硫酸根离子可稍高。一般来说，w(K2O)为60%的氯化钾生产硫酸钾相对于w(K2O)为62%的氯化钾来说，操作难度增加，这是由原料氧化钾含量和其中杂质所决定的，表现在硫酸根离子含量超过中控指标。用w(K2O)为60%的氯化钾生产硫酸钾因操作难度的增加，只得适当提高硫酸投入量来控制w(Cl-)小于2.0%，后续加入的石灰粉和硫酸根离子反应，可降低w(SO42-)至3.0%。对于生产硫酸钾的企业和客户来说，根据行业内规则，只要硫酸钾成品w(Cl-)小于2.0%，w(K2O)大于50%或52%，就认定为合格产品。若用w(K2O)为60%的氯化钾生产w(K2O)为52%的硫酸钾，则成品养分w(K2O)达不到要求，w(K2O)只能到51%～52%。

2.3.2 产量控制

1）控制好中控指标。氯化钾和硫酸投料量多少，是由反应中氯离子和硫酸根离子含量高低决定的。投料量大，氯离子和硫酸根离子都超过中控指标，那么产品就不合格。出料系统和制酸系统以及炉子生产能力应能完全适应满负荷要求。制约产量的瓶颈主要是炉温，炉中温度决定生产负荷。因此，产量的提高取决于炉温，炉温是产量达标的根本。保证炉温在反应所需的500～540 ℃，才能使成品硫酸钾w(Cl-)小于2.0%，w(SO42-)小于4%。

2）不提倡装置超负荷运行。若工况良好，2台曼海姆炉产量能达到69 t/d（设计能力60 t/d）以上，且中控指标都合格。但不提倡这么操作，此种操作生产能力超过设计能力13.3%，对曼海姆炉及出料和制酸系统等设备造成负载过重，长时间运行，容易损坏设备，尤其是造成曼海姆炉炉床泄漏和炉内件腐蚀致使检修周期缩短，得不偿失。

3）根据原料使用情况及时调整负荷。按照满负荷生产计算得：1台曼海姆炉投酸量为750 L/h（水流量计），则可产硫酸钾1.25 t/h。以国产w(K2O)为60%的氯化钾生产w(K2O)为50%的硫酸钾为例，正常满负荷生产时硫酸流量为750 L/h，在氯化钾加料机频率不变情况下，根据中控指标以及物料反应情况如果硫酸流量降到700 L/h，则成品硫酸钾产量达不到设计值。此种情况发生在更换原料氯化钾时，不同批次的氯化钾堆密度以及氧化钾含量不同，应及时调整氯化钾加料机频率，保持满负荷生产。

4）清理氯化钾加料机。原料及负荷不变的情况下，硫酸钾产量降低，应打开氯化钾加料机上盖和底盖，清理氯化钾加料机主轴上所缠绕的线绳或者塑料袋片以及所黏的氯化钾。

3 对曼海姆炉的探讨

1）曼海姆炉直径决定了硫酸钾装置生产能力。受耙臂材质、铸造工艺以及耙臂运转中受力的制约，曼海姆炉耙臂最长为2 765 mm，根据耙臂长度，决定了曼海姆炉直径φ6 m是最合适的，而φ6 m曼海姆炉单炉最大生产能力为30 t/d。

2）曼海姆炉温度决定了硫酸钾产品质量。根据氯化钾和硫酸反应方程式，制取硫酸钾的温度应高于268 ℃，同时生成氯化氢气体的最低反应温度为450 ℃。因此为促使氯化钾和硫酸反应完全，应保持炉中温度为500～540 ℃。温度升高，氯化钾转化为硫酸钾的速度也加快，但温度太高对炉体的损害以及燃料消耗上都是不合适的。

3）曼海姆炉炉床泄漏影响硫酸钾装置长周期运转。炉床泄漏，硫酸氢钾液体会沿着炉体因热胀冷缩产生的缝隙淌出曼海姆炉。同时此液体进入烟道管后，会对烟道管以及风机产生强烈的腐蚀。虽然可把烟道管接入防爆口，暂时维持生产，但因烟气高温（达到650 ℃以上）对风机叶轮产生损害而变形，严重影响风机动平衡以及运转，使生产无法进行，只能停车检修。

4）曼海姆炉内件稳定运行决定了硫酸钾生产的连续性。因曼海姆炉内产生的电化学腐蚀作用明显，尤其是耙齿的腐蚀掉落，推出物料的速度减慢，会使曼海姆炉内积料增加，料层变厚，同时物料搅拌不均匀，造成氯化钾和硫酸反应不完全。为使曼海姆炉连续稳定运行，需做好对炉内件腐蚀的防护。

5）曼海姆炉的整体构成决定了曼海姆法生产硫酸钾的工艺。曼海姆炉炉体结构以及组成部件是曼海姆炉的核心，其直接决定了曼海姆法生产硫酸钾的过程。