硫酸鉀生產工藝的優化

孫藝飛

(北京中科格瑞特科技有限公司 北京 101100)

鉀是植物生長所必需的三大元素之一。硫酸鉀(SOP)主要用于煙草、甜菜、甘蔗、馬鈴薯、葡萄、西瓜、菠蘿、茶葉等喜鉀忌氯作物，其不但能提高農作物產量，而且還能提高農作物質量，如提高煙草的可燃性，提高葡萄、西瓜的糖度，提高薯類的淀粉含量等，在干旱地區施用硫酸鉀還能避免作物對有害氯化物的積累，保持穩定高產[1-3]。

曼海姆法是農用SOP的主要生產方法，以氯化鉀(MOP)和工業濃硫酸(SA)為原料，在反應爐中通過高溫反應(500～600 ℃)，直接生成SOP并釋放出氯化氫(HCl)氣體，SOP經冷卻、粉碎并添加石粉后即可得到成品。HCl氣體經冷卻、凈化、水吸收得到質量分數31.0%的工業鹽酸。曼海姆法除了工藝成熟、能耗低、產品質量好之外，還可以得到副產品工業鹽酸[4-5]。為了進一步提高曼海姆裝置的使用壽命和可操作性，針對裝置存在的不足，本文對曼海姆法的工藝和設備布置等進行了優化。

1 反應爐攪拌推料系統的優化

曼海姆反應爐的攪拌推料系統主要由電動機、減速機、主軸、耙臂以及耙齒等組成(見圖1)，原設計通過皮帶輪、減速機、大小齒輪等，最終將攪拌速率控制在1.1 r/min，一旦整個攪拌推料系統減速比確定后，反應爐的攪拌速率將被固定。反應爐耙臂上的耙齒磚呈螺旋狀布置，一方面主軸帶動耙臂及耙齒能起到攪拌的作用，使MOP與SA充分接觸，增加物料的接觸面積，加快熱傳遞，以促進反應能快速高效地進行；另一方面由于耙齒的螺旋布置，主軸帶動耙臂及耙齒還起到推料的作用，將反應物料由反應爐中心逐漸推至出料口，整個反應進行4.0～4.5 h。

圖1 曼海姆反應爐傳動示意

原料粒度、物料配比、反應溫度、反應壓力、攪拌速率、停留時間等都會影響化學反應的進行。如果選用固定減速比，將造成攪拌推料系統的速率不可調，即不能控制攪拌的速率和停留時間。當原料的粒度等發生變化時，操作人員就無法根據原料特性來選擇合適的停留時間。原料粒度越大，SA擴散至MOP顆粒內部的時間就越長，即反應需要更長的時間或在反應爐中停留更長的時間。如果停留時間固定，操作人員只能通過調節溫度、降低負荷或增加SA用量等方法，來保證反應能夠較好地完成，以得到合格的產品。

此外，司爐工每隔一段時間就要對耙齒等部位進行清理打疤，打疤時需要暫時關閉主電動機，以保護反應爐和操作人員，防止在打疤過程中運轉的耙臂與打疤工具相碰產生危害。但是，長時間停爐會造成反應爐內物料變硬結塊，再次啟動時有可能會損壞耙臂或主軸。

為了解決以上問題，項目選用變頻電機，增加變頻器，仍采用皮帶輪、減速機、大小齒輪等控制減速，使主軸的轉速控制在1.4 r/min，操作人員可根據原料特性、溫度等，通過增大或減小變頻器頻率,將推料系統的轉速控制在1.0～1.2 r/min，通過改變物料在反應爐內的停留時間，獲得最佳反應效果。增設變頻裝置后，司爐工打疤時可通過減小變頻速率，降低耙臂的轉速來增加打疤時間，而不必停主電動機。項目實施13個月以來，產品的合格率從89%提升至95%，同時也大大減輕了司爐工的工作強度，提高了反應爐的可操作性。

2 HCl氣體出口增加旋風分離器

曼海姆法產生的HCl氣體從反應爐尾部的鹵化氫氣體箱通過管道與石墨換熱器相連，由風機將HCl氣體引至吸收系統。盡管HCl氣體出口箱能夠起到一定的沉降作用，但是仍會有一部分反應室內的粉塵進入反應爐與石墨換熱器之間的管道，隨著運行時間的延長，粉塵在管道內積累會堵塞管道，增加尾氣風機的負荷，進而破壞反應爐內的負壓，造成打疤時HCl氣體外泄。為了防止堵塞，司爐工要定期清理該部分管道。由于該部分管道溫度較高，清理比較困難，因此在反應爐與石墨換熱器之間增加旋風分離器(見圖2)，司爐工只需定期打開旋風分離器的卸料閥，就可隨時清理該部分管道，既減輕了司爐工的工作量，又可以保持系統尾氣風機穩定運行，減少反應爐內HCl氣體的外泄。

3 硫酸下料管增設夾套管

SA作為反應原料從反應爐頂部通過插入到爐內的硫酸下料管進入爐內的硫酸分布器，再由硫酸分布器將硫酸投送到固定的位置與MOP混合。反應爐內反應室的平均溫度為550 ℃，室溫的SA進入高溫的爐內部，由于溫差太大，大大縮短了硫酸下料管的使用壽命，平均每40 d就需要更換一次。為了延長硫酸下料管的使用壽命，將原來的單管改為帶夾套的夾套管，用鼓風機引來的空氣作為冷卻媒介對硫酸下料管進行冷卻，控制SA沿下料管進入反應爐時的溫度在150 ℃左右，大大降低了SA在低溫環境下對硫酸下料管的腐蝕速率。硫酸下料管改用帶夾套的結構后，其使用壽命延長至8個月，降低了裝置的運行成本。

圖2 增設旋風分離器前后的對比

4 MOP計量的優化

MOP加入量的精確控制能夠提高產品的質量和反應爐的可操作性。項目在MOP中間料倉下方(見圖3a)和MOP進料螺旋之間增設了皮帶計量秤，該皮帶計量秤可以精確控制MOP的加入量，皮帶秤的引入提高了反應爐的可操作性。但由于打疤或者誤操作造成爐區HCl氣體外泄，酸性氣體會腐蝕皮帶秤的傳感器，經常出現數據不準的情況，導致產品質量不穩定；使用一段時間后，皮帶秤就需調校，甚至更換稱重傳感器。為了解決上述問題，對原設計進行了改造。原設計MOP中間料倉和皮帶秤都在反應爐的正上方，此區域酸性氣體的含量較高，氣體發生泄漏的概率較大，易造成皮帶秤敏感元件腐蝕。將MOP料倉移到反應爐的側面(見圖3b)，料倉和皮帶秤遠離腐蝕性氣體，通過增設隔擋的方式，有效降低了酸性氣體對皮帶秤中敏感元件的腐蝕，皮帶秤可以長期無故障地工作，大大延長了皮帶秤的使用壽命，徹底解決了皮帶秤高故障率的問題。改造后皮帶秤已使用13個月，未發生重力傳感器腐蝕的情況，大大節省了項目的運行成本，同時也提高了SOP生產裝置的穩定性。

圖3 優化前后MOP給料系統對比

5 除塵系統的優化

在SOP生產過程中，不可避免地會產生粉塵，為了有效降低粉塵含量，減輕粉塵污染，項目配置2臺反吹袋式除塵器，對成品斗提機、振動篩、粉碎機進行收塵，布置圖如圖4所示。2臺除塵器支撐在二層樓面上，除塵器出口氣體含塵質量濃度低于100 mg/m3。除塵器收集的粉塵通過星形卸料閥經由遛管返回成品輸送皮帶機，再經過成品斗提機和振動篩進入成品料倉。由于SOP粒度較細且有一定的黏度，因此容易造成遛管堵塞，需要定期清理維護遛管。另外，除塵器收集的粉塵返回成品皮帶輸送機，然后進入成品斗提機和振動篩，會再次形成粉塵，增大了除塵器的負荷，影響除塵效果。粒度越細的粉塵越容易附著在振動篩的篩網上，造成振動篩堵塞，影響生產，因此對除塵器的布置進行了調整(見圖4b)，除塵器被支撐到了四層樓面，位于SOP成品料倉的正上方，除塵器收集的粉塵通過垂直遛管直接輸送至成品料倉，這樣不僅避免了除塵器下料管的堵塞，還可以避免二次揚塵，減輕成品斗提機和振動篩的負荷，避免振動篩因細粉過多而發生堵塞。除塵器位置調整后，在實際運行過程中未發現下料管堵塞，且除塵器附近的空氣含塵量明顯下降，優化了操作環境。

圖4 調整前后除塵系統對比

6 結語

(1)通過對曼海姆反應爐的主減速機電動機增設變頻器，實現了對反應物料停留時間的控制，極大地提高了反應爐的可操作性，產品的合格率由89%提高至95%。

(2)通過增設空冷夾套管，延長了硫酸下料管的使用壽命，減少了反應爐停料的次數，下料管的更換時間由40 d更換一次，延長至8個月更換一次。

(3)通過增設旋風分離器，解決了HCl氣體出口管道易堵及不易清理的問題。

(4)通過調整MOP料倉位置，解決了皮帶秤壽命過短、不穩定的問題。

(5)通過調整除塵器位置，解決了除塵器卸灰口易堵的問題，有效降低了除塵器附近空氣中的含塵量。