干法氟化鋁生產(chǎn)中流化床頂床堵塞的原因分析

李彩妍，魏 學(xué)

（寧夏盈氟金和科技有限公司，寧夏石嘴山753000）

干法氟化鋁生產(chǎn)工藝以流程短、原料利用率高、能耗低、污染少、產(chǎn)品質(zhì)量好和市場競爭力強(qiáng)等特點(diǎn)而逐步取代傳統(tǒng)的濕法氟化鋁生產(chǎn)工藝[1]。尤其是流化床技術(shù)的成功應(yīng)用，不僅簡化了工藝流程，而且產(chǎn)品質(zhì)量得到大幅度提高，氟化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)92%以上[2]。

干法氟化鋁生產(chǎn)工藝中所用流化床為雙層圓柱型流化床，其頂床和底床均采用管狀側(cè)孔式分布板，是干法氟化鋁生產(chǎn)的主要設(shè)備之一[3]。流化床內(nèi)的反應(yīng)分2部分，即頂床氫氧化鋁的脫水反應(yīng)：2Al(OH)3=Al2O3+3H2O；底床氟化鋁的合成反應(yīng)：Al2O3+6HF=2AlF3+3H2O。干態(tài)氫氧化鋁通過螺旋輸送將物料從流化床頂床進(jìn)入，氟化氫氣體從流化床底床進(jìn)入，頂床氫氧化鋁分解為氧化鋁，部分氧化鋁和氟化氫反應(yīng)生產(chǎn)氟化鋁，頂床物料通過螺旋輸送至流化床底床，在底床反應(yīng)生成氟化鋁產(chǎn)品[4]。

某公司在實(shí)際生產(chǎn)中，因多次發(fā)生流化床頂床堵塞情況，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)系統(tǒng)的正常進(jìn)行。為了有效地解決這個(gè)問題，對(duì)干法氟化鋁生產(chǎn)中流化床頂床堵塞的原因進(jìn)行了調(diào)查研究和分析，并提出了相應(yīng)的解決和改善措施。

1 流化床工藝流程簡介

干法氟化鋁生產(chǎn)工藝中流化床系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

圖1 流化床系統(tǒng)工藝流程Fig 1 Process flow of fluidized bed system

干態(tài)氫氧化鋁通過螺旋給料器被輸送到流化床的頂床，被流化脫水成氧化鋁同來自底床的氟化氫氣體反應(yīng)生成氟化鋁，經(jīng)成品冷卻機(jī)冷卻后，送往成品包裝。流化床尾氣經(jīng)一級(jí)旋風(fēng)收塵器回收部分氟化鋁粉塵，旋風(fēng)分離下來的固體物料進(jìn)入一級(jí)收塵料倉內(nèi)，一部分由排料螺旋排至氟化鋁冷卻機(jī)內(nèi)，另一部分由排料螺旋排至流化床底床繼續(xù)反應(yīng)。一級(jí)旋風(fēng)收塵器的尾氣經(jīng)二級(jí)旋風(fēng)收塵器繼續(xù)回收部分氟化鋁粉塵進(jìn)入二級(jí)收塵料倉內(nèi)，并排至氟化鋁冷卻機(jī)內(nèi)，流化床底床排出的物料和一級(jí)收塵料倉排出的物料混合成為成品。另一部分尾氣經(jīng)冷凝凈化器和中央吸收器凈化達(dá)標(biāo)后排空。

2 流化床頂床堵塞現(xiàn)狀

某公司在2個(gè)月的生產(chǎn)中，流化床頂床出現(xiàn)多次堵塞情況，堵塞后不同位置的外觀情況見圖2。

圖2 流化床頂床堵塞照片F(xiàn)ig 2 Congestion pictures of fluidized bed in(a)sieve plate of top bed,(b)inside of hood and(c)bed board of top bed

堵塞后打開流化床，發(fā)現(xiàn)流化床頂床風(fēng)帽80%出現(xiàn)堵塞。從風(fēng)帽內(nèi)清理出的堵塞物料，均為粒度較細(xì)、顏色泛紅的粉末，同時(shí)發(fā)現(xiàn)在流化床頂床篩板四周約有1.5 m高的床壁上均粘有粉末物料。

3 流化床頂床堵塞原因分析

3.1 氫氧化鋁的影響

3.1.1 水的含量

干法氟化鋁使用的原料氫氧化鋁中要求水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.1%，但在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)部分干態(tài)氫氧化鋁中夾雜有濕態(tài)氫氧化鋁，其最高附著水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%，在2個(gè)月的上料過程中挑出的濕態(tài)氫氧化鋁達(dá)到53.3 t。在干氫氧化鋁上料時(shí)部分濕態(tài)氫氧化鋁會(huì)進(jìn)入流化床中，濕氫氧化鋁進(jìn)入流化床頂床后發(fā)生脫水反應(yīng)，造成流化床頂床氣體量瞬間增大，打破了流化床原有的流態(tài)化，使物料分布不均，造成床板上部分物料沉積的現(xiàn)象，從而造成頂床層風(fēng)帽眼的堵塞，一旦風(fēng)帽眼堵塞，將無法通過系統(tǒng)內(nèi)的氣體吹通。

濕態(tài)氫氧化鋁脫水的T-DSG曲線見圖3。

從圖3可以看出，曲線有3個(gè)吸收峰，即Al(OH)3在脫水過程中總計(jì)吸收3次熱量。前2個(gè)峰面積較大，對(duì)熱量的吸收已占物料可吸收總熱量的90%以上。因此可見，Al(OH)3吸熱失水主要在221.79～346.59℃。而在干法生產(chǎn)工藝控制中，流化床頂床層的溫度一般控制在350～400℃，部分濕氫氧化鋁進(jìn)入流化床后，遇高溫會(huì)出現(xiàn)燒結(jié)，從而造成流化床頂床風(fēng)帽眼的堵塞。

3.1.2 氫氧化鋁粒度的影響

圖3 濕態(tài)Al(OH)3的T-DSC曲線Fig 3 The curve of T-DSC of hygroscopic state Al(OH)3

在干法氟化鋁生產(chǎn)工藝中，射流泵通過氣流將干態(tài)氫氧化鋁輸送至大料倉中，在氣流輸送過程中，容易造成氫氧化鋁顆粒的破損，從而導(dǎo)致大料倉中氫氧化鋁的粒度較進(jìn)廠檢驗(yàn)的粒度要細(xì)。細(xì)顆粒物料相對(duì)于粗顆粒物料，較易于沉積在流化床頂床的床板上，尤其是在正常生產(chǎn)過程，當(dāng)生產(chǎn)出現(xiàn)中斷后，再次投料會(huì)發(fā)現(xiàn)流化床頂床的壓差慢慢上漲。流化床堵塞期間大料倉的氫氧化鋁粒度分析結(jié)果見表2。

表2 氫氧化鋁粒度Tab2 The particle size of aluminium hydroxide

從表2可以看出，在流化床堵塞期間氫氧化鋁的粒度非常大，最大達(dá)到了29.08%（＜45 μm），而正常情況下的氫氧化鋁的粒度應(yīng)在5%（＜45 μm）以內(nèi)。另外，在流化床鋪料過程中，由于床層內(nèi)總氣量較小，細(xì)顆粒的氫氧化鋁在流化床中的流化效果差，正常情況下流化床頂床鋪料需要7～8 h，細(xì)氫氧化鋁鋪料時(shí)頂床鋪料需要15 h左右。

3.1.3 氫氧化鋁活性的影響

正常生產(chǎn)時(shí)流化床的工藝參數(shù)為：流化床底床600～630℃，流化床頂床350～400℃。通常情況下，流化床的溫度需要通過1614螺旋（輸送氟化鋁）來調(diào)節(jié)，但在堵塞情況高發(fā)期間，流化床頂床、底床溫度均偏高，實(shí)測溫度見表3。

從表3可以看出，在異常期間出現(xiàn)流化床頂床、底床同時(shí)高溫的情況，尤其是流化床頂床比正常控制溫度高70℃左右，且頂床物料溫度分布不均，頂床層溫差較大。造成流化床頂床及底床溫度高溫的主要原因是氫氧化鋁密度較大（在1.32 g/cm3以上，最高達(dá)到1.36 g/cm3），物料活性好，反應(yīng)速度快，總反應(yīng)放出的熱量大。

表3 流化床的實(shí)測溫度Tab 3 The measured temperature of fluidized bed

3.2 流化床頂床物料進(jìn)料裝置的影響

干法氟化鋁生產(chǎn)工藝，流化床頂床主要是氫氧化鋁的脫水反應(yīng)，氫氧化鋁物料通過螺旋輸送至流化床頂床的流化杯內(nèi)，再通過助吹管將氫氧化鋁物料從流化杯內(nèi)均勻的吹出，然后再進(jìn)行反應(yīng)。流化床頂床進(jìn)料裝置見圖4。

圖4 流化床頂床進(jìn)料裝置Fig 4 The feeder unit of top bed of fluidized bed

流化杯經(jīng)長期使用，會(huì)出現(xiàn)腐蝕，尤其是流化杯的底部易腐蝕，一旦流化杯的底部出現(xiàn)腐蝕，氫氧化鋁物料將會(huì)直接落入流化床頂床床板上，物料不能均勻的分布在頂床層，致使部分物料沉積在床板。另外，流化杯的助吹管也易出現(xiàn)腐蝕斷的情況，一旦助吹管腐蝕，物料不能被均勻的吹出，易造成物料在床板的沉積，致使物料結(jié)塊，堆積在床板，造成風(fēng)帽眼的堵塞。

3.3 系統(tǒng)密封性的影響

干法氟化鋁生產(chǎn)工藝是一個(gè)密閉的負(fù)壓體系，系統(tǒng)任何一處密封不嚴(yán)，均會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)負(fù)壓混亂，影響流化床內(nèi)的物料流態(tài)化。一旦物料流態(tài)化破壞，部分物料將會(huì)沉積在流化床頂床篩板上，長期不解決系統(tǒng)負(fù)壓波動(dòng)問題，也會(huì)造成物料結(jié)塊堵塞頂床層風(fēng)帽眼。

3.4 工藝操作的影響

干法氟化鋁生產(chǎn)工藝，流化床尾氣帶走的部分細(xì)料，通過2級(jí)收塵器收塵至2級(jí)收塵料倉中，一級(jí)收塵料倉內(nèi)的部分物料輸送至流化床底床，部分直接排入成品冷卻爐。二級(jí)收塵料倉內(nèi)的物料較少，通常物料不需輸送。在正常生產(chǎn)過程中，為保證產(chǎn)品中二氧化硅的含量，當(dāng)旋風(fēng)料量較大時(shí)，大部分物料進(jìn)入流化床，僅有少部分物料進(jìn)入成品冷卻機(jī)，而粒度較細(xì)的旋風(fēng)料進(jìn)入流化床底床，造成底床物料中粒度較細(xì)的物料占比增加，部分較細(xì)的成品會(huì)隨氣流通過流化床頂床風(fēng)帽，進(jìn)入頂床層，細(xì)物料再通過風(fēng)帽眼時(shí)，部分無法通過會(huì)慢慢沉積在風(fēng)帽眼內(nèi)。流化床堵塞后從流化床內(nèi)取樣分析結(jié)果見表4。

表4 不同位置堵塞物料分析結(jié)果Tab 4 The analysis results of congestion material in different place

從表4可以看出，從頂床層風(fēng)帽眼內(nèi)堵塞的物料中氟的含量和粒度指標(biāo)看，風(fēng)帽內(nèi)堵塞的物料為細(xì)成品氟化鋁。而細(xì)的成品氟化鋁主要來自于一級(jí)旋風(fēng)收塵物料的不斷循環(huán)。

成品氟化鋁及一級(jí)收塵物料的SEM形貌見圖5。

從圖5可以看出，氟化鋁微觀形貌呈球狀，粒徑分布差異也較大，最大的顆粒直徑在97.3 μm，最小的顆粒直徑在7.15 μm。一級(jí)收塵料中的最大的顆粒直徑為68.4 μm，比成品粒徑細(xì)，而且粒徑分布差異比成品小。因此，細(xì)旋風(fēng)料進(jìn)入流化床不斷循環(huán)也是造成流化床頂床層堵塞的原因之一。

4 結(jié)束語

流化床是干法氟化鋁生產(chǎn)中的核心設(shè)備，其運(yùn)行周期的長短直接影響干法氟化鋁產(chǎn)品質(zhì)量、成本控制等。

從以上綜合分析來看，影響流化床堵塞的影響因素比較多，其中氫氧化鋁的水分、粒度和活性，以及進(jìn)料裝置、系統(tǒng)密封性和工藝操作都是造成流化床堵塞的原因之一。

為了有效地解決流化床經(jīng)常堵塞的問題，提高運(yùn)轉(zhuǎn)周期，建議要控制好以下幾個(gè)方面：

1）氫氧化鋁水分的控制。要加強(qiáng)監(jiān)督所采購干態(tài)氫氧化鋁的質(zhì)量及進(jìn)貨驗(yàn)收，在氫氧化鋁上料環(huán)節(jié)加裝細(xì)篩網(wǎng)，杜絕濕態(tài)氫氧化鋁進(jìn)入流化床內(nèi)。

2）氫氧化鋁粒度及密度的合理搭配使用。在日常生產(chǎn)中，根據(jù)不同廠家氫氧化鋁的質(zhì)量，合理搭配氫氧化鋁，確保搭配后的氫氧化鋁粒度在＜45 μm的粒度在5%以內(nèi)，密度在1.25～1.31 g/cm3。

3）做好設(shè)備日常維護(hù)及檢修工作。尤其是對(duì)流化床內(nèi)部的檢修要徹底，確保設(shè)備有效運(yùn)轉(zhuǎn)率，降低停料次數(shù)，減少流化床內(nèi)物料的沉積量。

4）實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)壓。如果系統(tǒng)負(fù)壓一旦出現(xiàn)波動(dòng)或系統(tǒng)負(fù)壓始終較低時(shí)，要組織認(rèn)真檢查，確保物料在流化床內(nèi)的流態(tài)化。

5）合理搭配好螢石粉的比例，嚴(yán)格按照作業(yè)指導(dǎo)書要求進(jìn)行氟化氫合成段的操作，確保產(chǎn)品中二氧化硅的合理含量，以減少旋風(fēng)料量在流化床內(nèi)的不斷惡性循環(huán)。

[1]顏鑫.論新型干法氟化鋁生產(chǎn)工藝與主要設(shè)備[J].輕金屬,2014,17(4):12-15.

[2]李祖興.我國氟化鋁生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步及市場前景[J].化工生產(chǎn)與技術(shù),2015,22(2):4-7.

[3]盧永峰.氫氧化鋁粒度對(duì)干法氟化鋁生產(chǎn)的影響[J].化工生產(chǎn)與技術(shù),2012,19(3):5-7.

[4]盧永峰,李冬永.干法氟化鋁產(chǎn)品中二氧化硅的形成及解決對(duì)策[J].化工生產(chǎn)與技術(shù),2011,18(6):18-20.