粉体流冷却器在重质纯碱生产中的应用研究

窦 斌

（金昌氨碱源化工有限公司，甘肃金昌 737100）

0 引言

在市场经济的背景下，节能降耗已成为化工企业生产加工中的目标之一。节能降耗不仅可以降低生产成本，也可以减少环境污染。20 世纪90 年代，纯碱生产企业将德国沸腾式干燥硫化床引入国内，使干燥冷却流程可以一次性完成。但是在实际应用中，其动力消耗过大、能源消耗过高，噪声污染及尾气排放物问题较为严重。进入21 世纪以来，加拿大SOLEX 公司所生产的粉流体冷却器取得了重大成果，并且在土耳其某纯碱厂中得以应用。2009 年，青海省昆仑碱业引进了SOLEX公司的粉流体冷却器，有效提高了重质纯碱冷却效果，实现节能降耗的目的。因此，应对粉流体冷却器在重质纯碱生产中的作用进行深入分析。

1 粉流体冷却器概述

在传统的重质纯碱生产中，冷却是主要的环节之一。但是，传统的冷却环节通常是以流化床冷却器和滚筒冷却器为基础，能耗大且还会对环境造成污染，不符合节能环保的生态要求。在这样的背景下出现了粉体流换热器，它是一种以干燥粉体为基础物料进行冷却处理的新型设备，主要由机料仓、传热板组、下料装置、控制装置4 个部分组成[1]。粉体流冷却器运行的能量消耗较少，操作简单，整体的设备占地面积较小，也不会产生大量的空气污染问题，更符合节能环保的生态要求。

2 粉体流冷却器关键技术分析

2.1 防止结疤技术

因为重质纯碱在冷却中很容易吸潮结块、经常导致出现结疤问题，这也是重质纯碱生产中最主要的质量问题之一，所以粉体流冷却器最主要的技术就是防止结疤技术。在研发之初，就应充分考量重质纯碱的结疤问题，以干燥空气为基础，设置相关的配套设施，使粉体流冷却器可以将干燥空气从下部吹入，确保在换热板表面不会出现结疤的问题。而且，在粉体流冷却器运行过程中，应严格控制进水温度和出料温度，确保二者温差保持在10～15 ℃[2]。我国北方地区，由于冬季气温较低，很难将温差控制在15 ℃以内，所以粉体流冷却器换热板表面很容易出现轻微结痂的问题，这就需要对结痂问题进行深入分析。如果该结痂不是由颗粒状、而是由细粉粘结在一起构成的，就意味着经过流体冷却器干燥后的重质纯碱温度较高，空气中水蒸汽的含量较低，随着温度的不断下降导致水蒸汽出现凝结现象。为了解决这个问题，需要控制空气中的水蒸汽含量。因此，在我国北方地区，可以给粉体流冷却器增加一个DN300 的呼吸管线，通过管线连接系统的湿法除尘系统，保证进料区域的干燥水平。也可以控制粉体流冷却器的料位，确保换热片不暴露在气象区域之内。

2.2 防止堵塞技术

粉体流冷却器是以粉体物料为基础原材料进行加工和处理，堵塞也是其常见的问题之一，而且有长时间运行的特点，所以在实际的研发中还应采用防止堵塞技术。另外，重质纯碱在生产中一定会涉及到碱球以及受潮碱块等，这些块状物体一旦进入冷却器内部很容易造成换热板间堵塞，严重影响冷却器的工作质量。为此，需要增加一个筛分装置。振动筛就是最为主要的筛分装置之一，它通过振动筛可以将碱球、碱块有效删除，也可以以振动筛为基础，筛除重灰中的细粉（图1）。

图1 直线振动筛

大部分的重质纯碱生产企业，所用机械设备也相对固定。粉体流冷却器作为一种新增设备，在实际使用中必须考虑其安装位置。例如，个别重质纯碱生产中会设置重灰流化床，这些设备并不具备风选细粉的功能。所以，在安装粉体流冷却器中，要提高对水和后一水碱结晶质量的重视程度，确保不会出现细粉超标的问题。在重质纯碱生产中，如果主要是对块状碱块和碱球进行筛选，气旋筛是最佳的筛选方式。

2.3 料位控制技术

在粉体流冷却器运行过程中，粒位控制技术是其重要技术。粉体流冷却器在实际运行中，如果粉体粒度、表面摩擦力存在较大差异，粉体的流动性也会产生较大的差异[3]。所以，在重质纯碱生产中，想要对粉体流冷却器进行充分应用，就要根据重质纯碱的特性进行专门的设计，尤其是要对出料进行重点控制。由于不同纯碱厂在生产中，粒度分布特性都存在较大的区别，粉体流冷却器在使用前，需要结合重度纯碱生产中的实际要求进行反复调试，使粉体流达到最佳效果。在实际调试中，主要是对出料器栅板、振动源、料位计等内容进行深入研究。粉体流冷却器出料器栅板角度一旦发生改变，摩擦力以及粉体流动情况都会受到相应的影响。所以，在实际调试中，要根据重质纯碱生产的需求，对出料器栅板角度进行设计，保证换热板间的物料能够呈现均量流动。在对振动装置进行设置中，主要需要考量弹性复合的需求，尤其是在低负荷运行状态时，振动装置的振动频率必须能够保证正常出量。

2.4 出碱温度控制技术

粉体流冷却器还是承担冷却功能的重要设备，出碱温度控制也是其关键技术之一。对出碱温度进行的控制，需要综合考量换热效率、出料情况、冷却水温度等。在对出碱温度进行的控制中，冷却水的温度并不是重点考虑的内容，主要需要衡量出碱温度和冷却水量之间的自动控制。重灰产量为25 t/h 时，重质纯碱冷却后的平均温度基本控制在68 ℃，出水温度相对较为稳定，流化床出碱温度平均为72 ℃左右（表1）。可见，在出碱温度控制稳定性方面，粉体冷却器明显优于传统流化床。所以，重质纯碱生产应提高对粉体流冷却器的关注程度。

表1 重灰粉体流冷却器生成中的实时数据

2.5 防止开裂技术

粉体流冷却器是以金属为原材料的机械设备，而焊接是金属连接的主要方式。近年来，随着我国焊接技术的不断进步发展，粉体流冷却器焊接开裂问题很少发生，焊接开裂问题主要是在换热片焊接位置产生。所以，在对粉体流冷却器关键技术进行分析中，防止开裂技术也是主要内容。本文中的防止开裂技术，主要是指防止换热板片焊接开裂的关键技术。在分析该技术之前，需要分析焊接开裂原因。换热板片出现焊接开裂问题，有可能是焊接技术不达标，也可能是生产操作过程中出现故障导致的。例如，在换热板片的焊接过程中，由于操作不当导致焊接位置厚度发生了变化，进而导致焊接点金相结构发生物理变化，这与热胀冷缩现象有直接关系。

在实际运行中，粉体流冷却器换热板上部温度一般会超过160 ℃，如果突然停止下碱工作而冷却水却没有及时进行关闭，换热板的温度会快速下降至40 ℃，接近120 ℃的温差会造成板片之间的相对应力[4]。一旦换热板片之间存在堵料问题，就会出现受力不均的现象，所以在应力集中的位置焊接开裂问题尤为显著。所以，在换热板安装中要充分考量自由度，以控制板片的变形问题，而且在操作中也要重视冷却水的操作，避免换热板片出现较大温差的问题。

3 粉体流冷却器在重质纯碱生产中的应用分析

作为一种重要的冷却设备，粉体流冷却器对于提高重质纯碱冷却水平有着重要作用，也是在生态环保理念下的一种新型节能降耗机械设备。为了提高重质纯碱生产中的冷却水平，土耳其某碱厂引进了20 万吨的重质纯碱冷却设备（图2）。

图2 重质纯碱冷却系统

在实际生产过程中，粉体流冷却器有如下优势：

（1）与传统的流化床冷却器安装投资成本相比，粉体流冷却器的投资较低，并且设备主要是以模块化结构进行安装，现场安装、就位更为简捷。

（2）粉体流冷却器的能耗为3 kW·h，也不会产生额外的风气能耗，而同等规模的沸腾床冷却器至少需要200 kW·h。按照一年工作8000 h 计算，粉体流冷却器每年可以节约180 万千瓦时。

（3）粉体流冷却设备不会涉及运动部件，维护保养成本较低，这对于重质纯碱的连续性生产非常重要。

（4）粉体流冷却器通过自上而下缓慢流动，将颗粒磨损降至最低，这有利于保证重质纯碱的品质。在生产过程中也不会涉及进气/排气单元，从而减少生产中的粉尘污染问题。

4 结束语

粉流体冷却器是一种新型的冷却干燥冷却设备，具有占地面积小、环境污染少、传热效率高等优势。其采用防结疤技术、防堵塞技术、粒位控制技术、出碱温度控制技术及防止开裂技术，可以应用于重质纯碱的生产。结合实际案例分析可知，粉流体冷却器可以有效提高重质纯碱生产效率，降低生产成本，还能有效控制结垢、粉尘污染问题以及改善重质纯碱的品质，是重质纯碱生产企业实现节能降耗目的重要设施。