硫酸鉀裝置曼海姆爐運行及探討

雷 亮，雷高明，高亞娟

（1.盤錦晟鑫化工設(shè)備制造有限公司，遼寧盤錦 124022；2.盤錦北方瀝青股份有限公司，遼寧盤錦 124022）

曼海姆法生產(chǎn)硫酸鉀是指氯化鉀和濃硫酸在曼海姆爐內(nèi)進行復(fù)分解反應(yīng)生成硫酸鉀和氯化氫氣體。曼海姆法具有工藝操作簡單，技術(shù)成熟可靠，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點。相比于水鹽體系法硫酸鉀而言，其產(chǎn)品硫酸鉀“全水溶”。曼海姆法硫酸鉀裝置的生產(chǎn)總體比較穩(wěn)定，但在生產(chǎn)過程中也存在一些問題，需要在生產(chǎn)過程中不斷加以改進。筆者對生產(chǎn)硫酸鉀的曼海姆爐以及硫酸鉀成品的質(zhì)量和產(chǎn)量等相關(guān)問題進行探討。

1 曼海姆爐簡介

1.1 曼海姆爐結(jié)構(gòu)及反應(yīng)簡介

1）曼海姆爐φ6 000 mm，呈馬蹄形，分為燃燒室，反應(yīng)室和煙道室。

2）曼海姆法硫酸鉀工藝采用固定床復(fù)分解反應(yīng)法。原料氯化鉀與w(H2SO4)為98%的硫酸按照質(zhì)量比3∶2經(jīng)各自分布器連續(xù)注入φ6 000 mm曼海姆爐床反應(yīng)區(qū)表面，燃氣燃燒生成的熱量提供曼海姆爐內(nèi)物料反應(yīng)所需熱量，爐內(nèi)物料在500～540℃高溫下由耙臂帶動耙齒連續(xù)不斷地將反應(yīng)物料勻速攪拌混合，并以一定速度將物料由爐中心擴散到周邊，確保物料反應(yīng)完全，生成的硫酸鉀經(jīng)邊齒推動由下料器出爐。

1.2 曼海姆爐工藝指標

1）溫度指標：燃燒室溫度：≤ 900 ℃；反應(yīng)室溫度：520～540 ℃；煙道室溫度：≤600 ℃。

2）中控指標：w(SO42-) ≤ 4 %，w(Cl-)≤ 2.0%。

3） 消耗定額 ：KCl≤ 0.86 t/t，H2SO4≤ 0.6 t/t。

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

2 曼海姆爐運行實踐

2.1 曼海姆爐操作

1）物料反應(yīng)線位于帶有邊齒的耙臂2齒和3齒中間。反應(yīng)線以內(nèi)物料呈現(xiàn)黑色，反應(yīng)線以外物料呈現(xiàn)淺黃色。根據(jù)實測，反應(yīng)線以內(nèi)物料溫度為310 ℃，反應(yīng)線以外物料溫度為430 ℃，反應(yīng)線處物料溫度為370 ℃。反應(yīng)線是物料是否反應(yīng)完全的參照因素之一，其次是根據(jù)爐內(nèi)物料狀態(tài)判斷物料反應(yīng)情況。不同的原料氯化鉀有不同的反應(yīng)線。相對來說，氧化鉀含量越低，反應(yīng)線越靠里，在2齒附近；氧化鉀含量越高，反應(yīng)線越靠外，在2齒半附近；使用晶體顆粒氯化鉀反應(yīng)線繼續(xù)靠外，根據(jù)顆粒大小，可達到3齒。氧化鉀含量高低以及顆粒大小，決定了硫酸投入量大小。

2）原始開車時需鋪設(shè)1.0～1.2 t氯化鉀，起到投料時防止硫酸過量損壞爐床的作用。為加快成品合格速度，也可鋪設(shè)成品硫酸鉀，縮短成品合格時間。最好是氯化鉀和硫酸鉀以質(zhì)量比1∶4鋪設(shè)。既能起到硫酸過量時保護爐床的作用，又能達到成品快速合格的目的。原始開車時，因用氯化鉀鋪入爐床，致使剛開始投料時硫酸鉀成品中控指標氯離子含量較高，則需要加大硫酸投入量，中控指標才能穩(wěn)定下來。

3）嚴禁過多水分進入爐內(nèi)。進入爐內(nèi)的水分包括2個方面：一是氯化鉀潮濕，w(H2O)超過1%；二是硫酸w(H2SO4)低于98%。二者所帶入水分經(jīng)高溫蒸發(fā)變?yōu)樗魵?，水蒸氣與爐內(nèi)KCl、H2SO4、K2SO4、HCl等物質(zhì)混合在一起，形成對爐內(nèi)件的電化學(xué)腐蝕。因此，選用干燥的氯化鉀及w(H2SO4)不低于98%的硫酸對保護爐內(nèi)件尤為重要[1]。

2.2 曼海姆爐存在問題及處理

1）應(yīng)防止燃氣燒嘴火焰正壓，若正壓，火焰會順著燃燒口往爐外噴火。長時間火焰正壓，會對燃燒室爐頂磚造成損壞。正處于燃燒室火焰上部的高鋁磚因長期處于1 000 ℃以上高溫灼燒，高鋁磚下部掉落1/3，目前對操作影響不大，需密切關(guān)注。

2）燃燒室頂部應(yīng)鋪設(shè)保溫膏，最好在保溫膏和爐頂磚的接觸處鋪設(shè)一層耐高溫陶瓷纖維氈，厚度為20 mm左右，以防止熱量散失。

3）兩側(cè)燒嘴最大溫差不允許超過30 ℃，防止兩側(cè)燒嘴磚熱脹冷縮加劇，損壞爐頂磚，致使爐頂磚圓環(huán)和燃燒室接觸處塌陷。應(yīng)通過燃氣閥門及時調(diào)節(jié)兩側(cè)燃燒室溫度，若發(fā)生塌陷，應(yīng)鋪入高鋁磚后，蓋上陶瓷纖維氈，維持生產(chǎn)正常運行。

4）氯化鉀和硫酸的復(fù)分解反應(yīng)在反應(yīng)室內(nèi)進行，二者進入反應(yīng)室爐床上進行反應(yīng)，溫度可達540 ℃。反應(yīng)室易出現(xiàn)的問題是靠近爐門上部碳化硅磚產(chǎn)生裂縫，是由于經(jīng)常打開爐門使冷空氣進入，導(dǎo)致碳化硅磚經(jīng)常熱脹冷縮造成的。

5）曼海姆爐爐床泄漏是制約生產(chǎn)的一大瓶頸，爐床泄漏造成的停車檢修次數(shù)，要多于爐內(nèi)件腐蝕所造成的停車檢修次數(shù)。爐床泄漏原因有開停車升降溫過快或者硫酸長期投料量大以及使用大顆粒晶體氯化鉀等。爐床泄漏主要是在爐床磚第二塊和第三塊之間因不同原因開裂而產(chǎn)生縫隙，泄漏的硫酸氫鉀會順著縫隙進入煙道室。高溫時，硫酸氫鉀呈黃色液體，溫度降低后會凝固為白色固體。泄露不嚴重時候，停酸15 min，也就是僅氯化鉀投入15 min，然后停止氯化鉀投入，爐子經(jīng)過保溫2 h后再投料投酸。泄露嚴重時，將煙道管接到防爆口，維持生產(chǎn)。待到停車檢修時及時更換爐床[2]。

6）煙道室能起到給爐床物料保溫或者升溫的作用，其溫度為500～550 ℃。生產(chǎn)中應(yīng)注意爐底溫度嚴禁超過600 ℃。超過該溫度，說明燃料和空氣在反應(yīng)室內(nèi)沒有燃燒完全，燃燒后移也即進入煙道室和煙道管繼續(xù)燃燒，造成爐底溫度高。這會對復(fù)熱器列管以及管板造成損害，發(fā)生這種情況，只要降低燃氣量就可以解決。爐底溫度高，更會對引風機動平衡產(chǎn)生不良影響，造成葉輪高溫灼燒變形，葉輪動平衡發(fā)生改變，風機震動加劇。

7）若爐中溫度達到520 ℃，則碳化硅磚被燒紅至從外至內(nèi)的第2.5～3圈（碳化硅磚共5圈）。曼海姆爐應(yīng)參照爐頂碳化硅磚被燒紅的程度來判斷測溫電偶的準確性，防止因測溫電偶的不準確致使爐中溫度過高，燒壞爐體。

8）燃料燃燒產(chǎn)生的熱量只有15%～16%被物料所吸收，煙氣帶走熱量40%。為減少煙氣帶走的熱量，應(yīng)使用曼海姆爐下煙道。使用下煙道后，煙氣余熱還可給曼海姆爐床提供保溫，能使熱量回收1%～3%，爐頂溫度能降低30～50 ℃，爐底溫度能降低40～50 ℃，同時節(jié)省了燃氣消耗。

9）采取有效措施，做好曼海姆爐內(nèi)件腐蝕的防護，使曼海姆爐能夠長周期運行。

2.3 曼海姆爐生產(chǎn)硫酸鉀

2.3.1 質(zhì)量控制

1）精心操作曼海姆爐，嚴格控制工藝指標。產(chǎn)品質(zhì)量達標與否，關(guān)鍵在于曼海姆爐的操作。精心做好曼海姆爐的操作，可為曼海姆爐的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)創(chuàng)造條件，提供保障。嚴格控制工藝指標，根據(jù)物料反應(yīng)情況及時調(diào)整硫酸投入量，調(diào)整硫酸投入量的原則為少調(diào)勤調(diào)，以保證成品質(zhì)量，必要時可降低生產(chǎn)負荷。

2）爐溫高低直接決定了硫酸鉀產(chǎn)品質(zhì)量。曼海姆爐反應(yīng)室溫度為500～540 ℃，溫度越高，物料反應(yīng)越完全，可有效降低氯離子和硫酸根離子含量。選用天然氣為燃料不會發(fā)生溫度燒不上去的問題，若選用煤氣爐，則燃煤的熱值對曼海姆爐爐溫起決定作用，燃煤熱值需要在21 000 kJ/kg以上才能保證爐溫。在能保證中控指標的前提下，應(yīng)盡量降低爐中溫度，減小燃料消耗，降低成本。

3）用w(K2O)為62%的氯化鉀生產(chǎn)w(K2O)為52%的硫酸鉀時盡量降低硫酸投入量。對于生產(chǎn)w(K2O)為52%的硫酸鉀來說，要提高成品硫酸鉀中氧化鉀含量，需要提高反應(yīng)爐溫度至520～540 ℃，促使反應(yīng)進行完全，降低硫酸鉀產(chǎn)品中的硫酸根離子，若w(SO42-)超過3.0%，會造成成品硫酸鉀中w(K2O)達不到52%。

4）w(K2O)為62%的氯化鉀生產(chǎn)硫酸鉀操作難度小于w(K2O)為60%的氯化鉀。若用w(K2O)為62%的氯化鉀生產(chǎn)w(K2O)為50%的硫酸鉀，可降低反應(yīng)溫度為500～520 ℃，中控指標控制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，成品硫酸鉀中w(SO42-)可小于3.0%。因此，無論生產(chǎn)w(K2O)為52%或50%的硫酸鉀，原料最好選用w(K2O)為62%的氯化鉀，實際分析w(K2O)為62%的氯化鉀w(K2O)能達到62.8%以上，最高63.18%，都能夠完全滿足生產(chǎn)要求。

5）w(K2O)為60%的氯化鉀生產(chǎn)硫酸鉀時硫酸根離子可稍高。一般來說，w(K2O)為60%的氯化鉀生產(chǎn)硫酸鉀相對于w(K2O)為62%的氯化鉀來說，操作難度增加，這是由原料氧化鉀含量和其中雜質(zhì)所決定的，表現(xiàn)在硫酸根離子含量超過中控指標。用w(K2O)為60%的氯化鉀生產(chǎn)硫酸鉀因操作難度的增加，只得適當提高硫酸投入量來控制w(Cl-)小于2.0%，后續(xù)加入的石灰粉和硫酸根離子反應(yīng)，可降低w(SO42-)至3.0%。對于生產(chǎn)硫酸鉀的企業(yè)和客戶來說，根據(jù)行業(yè)內(nèi)規(guī)則，只要硫酸鉀成品w(Cl-)小于2.0%，w(K2O)大于50%或52%，就認定為合格產(chǎn)品。若用w(K2O)為60%的氯化鉀生產(chǎn)w(K2O)為52%的硫酸鉀，則成品養(yǎng)分w(K2O)達不到要求，w(K2O)只能到51%～52%。

2.3.2 產(chǎn)量控制

1）控制好中控指標。氯化鉀和硫酸投料量多少，是由反應(yīng)中氯離子和硫酸根離子含量高低決定的。投料量大，氯離子和硫酸根離子都超過中控指標，那么產(chǎn)品就不合格。出料系統(tǒng)和制酸系統(tǒng)以及爐子生產(chǎn)能力應(yīng)能完全適應(yīng)滿負荷要求。制約產(chǎn)量的瓶頸主要是爐溫，爐中溫度決定生產(chǎn)負荷。因此，產(chǎn)量的提高取決于爐溫，爐溫是產(chǎn)量達標的根本。保證爐溫在反應(yīng)所需的500～540 ℃，才能使成品硫酸鉀w(Cl-)小于2.0%，w(SO42-)小于4%。

2）不提倡裝置超負荷運行。若工況良好，2臺曼海姆爐產(chǎn)量能達到69 t/d（設(shè)計能力60 t/d）以上，且中控指標都合格。但不提倡這么操作，此種操作生產(chǎn)能力超過設(shè)計能力13.3%，對曼海姆爐及出料和制酸系統(tǒng)等設(shè)備造成負載過重，長時間運行，容易損壞設(shè)備，尤其是造成曼海姆爐爐床泄漏和爐內(nèi)件腐蝕致使檢修周期縮短，得不償失。

3）根據(jù)原料使用情況及時調(diào)整負荷。按照滿負荷生產(chǎn)計算得：1臺曼海姆爐投酸量為750 L/h（水流量計），則可產(chǎn)硫酸鉀1.25 t/h。以國產(chǎn)w(K2O)為60%的氯化鉀生產(chǎn)w(K2O)為50%的硫酸鉀為例，正常滿負荷生產(chǎn)時硫酸流量為750 L/h，在氯化鉀加料機頻率不變情況下，根據(jù)中控指標以及物料反應(yīng)情況如果硫酸流量降到700 L/h，則成品硫酸鉀產(chǎn)量達不到設(shè)計值。此種情況發(fā)生在更換原料氯化鉀時，不同批次的氯化鉀堆密度以及氧化鉀含量不同，應(yīng)及時調(diào)整氯化鉀加料機頻率，保持滿負荷生產(chǎn)。

4）清理氯化鉀加料機。原料及負荷不變的情況下，硫酸鉀產(chǎn)量降低，應(yīng)打開氯化鉀加料機上蓋和底蓋，清理氯化鉀加料機主軸上所纏繞的線繩或者塑料袋片以及所黏的氯化鉀。

3 對曼海姆爐的探討

1）曼海姆爐直徑?jīng)Q定了硫酸鉀裝置生產(chǎn)能力。受耙臂材質(zhì)、鑄造工藝以及耙臂運轉(zhuǎn)中受力的制約，曼海姆爐耙臂最長為2 765 mm，根據(jù)耙臂長度，決定了曼海姆爐直徑φ6 m是最合適的，而φ6 m曼海姆爐單爐最大生產(chǎn)能力為30 t/d。

2）曼海姆爐溫度決定了硫酸鉀產(chǎn)品質(zhì)量。根據(jù)氯化鉀和硫酸反應(yīng)方程式，制取硫酸鉀的溫度應(yīng)高于268 ℃，同時生成氯化氫氣體的最低反應(yīng)溫度為450 ℃。因此為促使氯化鉀和硫酸反應(yīng)完全，應(yīng)保持爐中溫度為500～540 ℃。溫度升高，氯化鉀轉(zhuǎn)化為硫酸鉀的速度也加快，但溫度太高對爐體的損害以及燃料消耗上都是不合適的。

3）曼海姆爐爐床泄漏影響硫酸鉀裝置長周期運轉(zhuǎn)。爐床泄漏，硫酸氫鉀液體會沿著爐體因熱脹冷縮產(chǎn)生的縫隙淌出曼海姆爐。同時此液體進入煙道管后，會對煙道管以及風機產(chǎn)生強烈的腐蝕。雖然可把煙道管接入防爆口，暫時維持生產(chǎn)，但因煙氣高溫（達到650 ℃以上）對風機葉輪產(chǎn)生損害而變形，嚴重影響風機動平衡以及運轉(zhuǎn)，使生產(chǎn)無法進行，只能停車檢修。

4）曼海姆爐內(nèi)件穩(wěn)定運行決定了硫酸鉀生產(chǎn)的連續(xù)性。因曼海姆爐內(nèi)產(chǎn)生的電化學(xué)腐蝕作用明顯，尤其是耙齒的腐蝕掉落，推出物料的速度減慢，會使曼海姆爐內(nèi)積料增加，料層變厚，同時物料攪拌不均勻，造成氯化鉀和硫酸反應(yīng)不完全。為使曼海姆爐連續(xù)穩(wěn)定運行，需做好對爐內(nèi)件腐蝕的防護。

5）曼海姆爐的整體構(gòu)成決定了曼海姆法生產(chǎn)硫酸鉀的工藝。曼海姆爐爐體結(jié)構(gòu)以及組成部件是曼海姆爐的核心，其直接決定了曼海姆法生產(chǎn)硫酸鉀的過程。

4 結(jié)語

曼海姆爐是曼海姆法生產(chǎn)硫酸鉀的核心，是硫酸鉀穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的關(guān)鍵。因此，努力提高曼海姆爐的砌筑水平，改進爐內(nèi)件的制造技術(shù)及防腐措施，正確處理曼海姆爐出現(xiàn)的問題，選用優(yōu)質(zhì)原料，精心操作曼海姆爐，才能保證曼海姆爐的生產(chǎn)運行，為高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)創(chuàng)造條件。