粉體流冷卻器在重質純堿生產中的應用研究

竇 斌

（金昌氨堿源化工有限公司，甘肅金昌 737100）

0 引言

在市場經濟的背景下，節能降耗已成為化工企業生產加工中的目標之一。節能降耗不僅可以降低生產成本，也可以減少環境污染。20 世紀90 年代，純堿生產企業將德國沸騰式干燥硫化床引入國內，使干燥冷卻流程可以一次性完成。但是在實際應用中，其動力消耗過大、能源消耗過高，噪聲污染及尾氣排放物問題較為嚴重。進入21 世紀以來，加拿大SOLEX 公司所生產的粉流體冷卻器取得了重大成果，并且在土耳其某純堿廠中得以應用。2009 年，青海省昆侖堿業引進了SOLEX公司的粉流體冷卻器，有效提高了重質純堿冷卻效果，實現節能降耗的目的。因此，應對粉流體冷卻器在重質純堿生產中的作用進行深入分析。

1 粉流體冷卻器概述

在傳統的重質純堿生產中，冷卻是主要的環節之一。但是，傳統的冷卻環節通常是以流化床冷卻器和滾筒冷卻器為基礎，能耗大且還會對環境造成污染，不符合節能環保的生態要求。在這樣的背景下出現了粉體流換熱器，它是一種以干燥粉體為基礎物料進行冷卻處理的新型設備，主要由機料倉、傳熱板組、下料裝置、控制裝置4 個部分組成[1]。粉體流冷卻器運行的能量消耗較少，操作簡單，整體的設備占地面積較小，也不會產生大量的空氣污染問題，更符合節能環保的生態要求。

2 粉體流冷卻器關鍵技術分析

2.1 防止結疤技術

因為重質純堿在冷卻中很容易吸潮結塊、經常導致出現結疤問題，這也是重質純堿生產中最主要的質量問題之一，所以粉體流冷卻器最主要的技術就是防止結疤技術。在研發之初，就應充分考量重質純堿的結疤問題，以干燥空氣為基礎，設置相關的配套設施，使粉體流冷卻器可以將干燥空氣從下部吹入，確保在換熱板表面不會出現結疤的問題。而且，在粉體流冷卻器運行過程中，應嚴格控制進水溫度和出料溫度，確保二者溫差保持在10～15 ℃[2]。我國北方地區，由于冬季氣溫較低，很難將溫差控制在15 ℃以內，所以粉體流冷卻器換熱板表面很容易出現輕微結痂的問題，這就需要對結痂問題進行深入分析。如果該結痂不是由顆粒狀、而是由細粉粘結在一起構成的，就意味著經過流體冷卻器干燥后的重質純堿溫度較高，空氣中水蒸汽的含量較低，隨著溫度的不斷下降導致水蒸汽出現凝結現象。為了解決這個問題，需要控制空氣中的水蒸汽含量。因此，在我國北方地區，可以給粉體流冷卻器增加一個DN300 的呼吸管線，通過管線連接系統的濕法除塵系統，保證進料區域的干燥水平。也可以控制粉體流冷卻器的料位，確保換熱片不暴露在氣象區域之內。

2.2 防止堵塞技術

粉體流冷卻器是以粉體物料為基礎原材料進行加工和處理，堵塞也是其常見的問題之一，而且有長時間運行的特點，所以在實際的研發中還應采用防止堵塞技術。另外，重質純堿在生產中一定會涉及到堿球以及受潮堿塊等，這些塊狀物體一旦進入冷卻器內部很容易造成換熱板間堵塞，嚴重影響冷卻器的工作質量。為此，需要增加一個篩分裝置。振動篩就是最為主要的篩分裝置之一，它通過振動篩可以將堿球、堿塊有效刪除，也可以以振動篩為基礎，篩除重灰中的細粉（圖1）。

圖1 直線振動篩

大部分的重質純堿生產企業，所用機械設備也相對固定。粉體流冷卻器作為一種新增設備，在實際使用中必須考慮其安裝位置。例如，個別重質純堿生產中會設置重灰流化床，這些設備并不具備風選細粉的功能。所以，在安裝粉體流冷卻器中，要提高對水和后一水堿結晶質量的重視程度，確保不會出現細粉超標的問題。在重質純堿生產中，如果主要是對塊狀堿塊和堿球進行篩選，氣旋篩是最佳的篩選方式。

2.3 料位控制技術

在粉體流冷卻器運行過程中，粒位控制技術是其重要技術。粉體流冷卻器在實際運行中，如果粉體粒度、表面摩擦力存在較大差異，粉體的流動性也會產生較大的差異[3]。所以，在重質純堿生產中，想要對粉體流冷卻器進行充分應用，就要根據重質純堿的特性進行專門的設計，尤其是要對出料進行重點控制。由于不同純堿廠在生產中，粒度分布特性都存在較大的區別，粉體流冷卻器在使用前，需要結合重度純堿生產中的實際要求進行反復調試，使粉體流達到最佳效果。在實際調試中，主要是對出料器柵板、振動源、料位計等內容進行深入研究。粉體流冷卻器出料器柵板角度一旦發生改變，摩擦力以及粉體流動情況都會受到相應的影響。所以，在實際調試中，要根據重質純堿生產的需求，對出料器柵板角度進行設計，保證換熱板間的物料能夠呈現均量流動。在對振動裝置進行設置中，主要需要考量彈性復合的需求，尤其是在低負荷運行狀態時，振動裝置的振動頻率必須能夠保證正常出量。

2.4 出堿溫度控制技術

粉體流冷卻器還是承擔冷卻功能的重要設備，出堿溫度控制也是其關鍵技術之一。對出堿溫度進行的控制，需要綜合考量換熱效率、出料情況、冷卻水溫度等。在對出堿溫度進行的控制中，冷卻水的溫度并不是重點考慮的內容，主要需要衡量出堿溫度和冷卻水量之間的自動控制。重灰產量為25 t/h 時，重質純堿冷卻后的平均溫度基本控制在68 ℃，出水溫度相對較為穩定，流化床出堿溫度平均為72 ℃左右（表1）。可見，在出堿溫度控制穩定性方面，粉體冷卻器明顯優于傳統流化床。所以，重質純堿生產應提高對粉體流冷卻器的關注程度。

表1 重灰粉體流冷卻器生成中的實時數據

2.5 防止開裂技術

粉體流冷卻器是以金屬為原材料的機械設備，而焊接是金屬連接的主要方式。近年來，隨著我國焊接技術的不斷進步發展，粉體流冷卻器焊接開裂問題很少發生，焊接開裂問題主要是在換熱片焊接位置產生。所以，在對粉體流冷卻器關鍵技術進行分析中，防止開裂技術也是主要內容。本文中的防止開裂技術，主要是指防止換熱板片焊接開裂的關鍵技術。在分析該技術之前，需要分析焊接開裂原因。換熱板片出現焊接開裂問題，有可能是焊接技術不達標，也可能是生產操作過程中出現故障導致的。例如，在換熱板片的焊接過程中，由于操作不當導致焊接位置厚度發生了變化，進而導致焊接點金相結構發生物理變化，這與熱脹冷縮現象有直接關系。

在實際運行中，粉體流冷卻器換熱板上部溫度一般會超過160 ℃，如果突然停止下堿工作而冷卻水卻沒有及時進行關閉，換熱板的溫度會快速下降至40 ℃，接近120 ℃的溫差會造成板片之間的相對應力[4]。一旦換熱板片之間存在堵料問題，就會出現受力不均的現象，所以在應力集中的位置焊接開裂問題尤為顯著。所以，在換熱板安裝中要充分考量自由度，以控制板片的變形問題，而且在操作中也要重視冷卻水的操作，避免換熱板片出現較大溫差的問題。

3 粉體流冷卻器在重質純堿生產中的應用分析

作為一種重要的冷卻設備，粉體流冷卻器對于提高重質純堿冷卻水平有著重要作用，也是在生態環保理念下的一種新型節能降耗機械設備。為了提高重質純堿生產中的冷卻水平，土耳其某堿廠引進了20 萬噸的重質純堿冷卻設備（圖2）。

圖2 重質純堿冷卻系統

在實際生產過程中，粉體流冷卻器有如下優勢：

（1）與傳統的流化床冷卻器安裝投資成本相比，粉體流冷卻器的投資較低，并且設備主要是以模塊化結構進行安裝，現場安裝、就位更為簡捷。

（2）粉體流冷卻器的能耗為3 kW·h，也不會產生額外的風氣能耗，而同等規模的沸騰床冷卻器至少需要200 kW·h。按照一年工作8000 h 計算，粉體流冷卻器每年可以節約180 萬千瓦時。

（3）粉體流冷卻設備不會涉及運動部件，維護保養成本較低，這對于重質純堿的連續性生產非常重要。

（4）粉體流冷卻器通過自上而下緩慢流動，將顆粒磨損降至最低，這有利于保證重質純堿的品質。在生產過程中也不會涉及進氣/排氣單元，從而減少生產中的粉塵污染問題。

4 結束語

粉流體冷卻器是一種新型的冷卻干燥冷卻設備，具有占地面積小、環境污染少、傳熱效率高等優勢。其采用防結疤技術、防堵塞技術、粒位控制技術、出堿溫度控制技術及防止開裂技術，可以應用于重質純堿的生產。結合實際案例分析可知，粉流體冷卻器可以有效提高重質純堿生產效率，降低生產成本，還能有效控制結垢、粉塵污染問題以及改善重質純堿的品質，是重質純堿生產企業實現節能降耗目的重要設施。