氯化鎂空氣干燥器下料系統(tǒng)的優(yōu)化與研究

張玉山，車(chē)永林，謝建明，張志云

(青海鹽湖鎂業(yè)有限公司，青海 格爾木 816000)

金屬鎂是地球上儲(chǔ)量最豐富的輕金屬元素之一，鎂的比重是1.74 g/cm3，只有鋁的2/3、鈦的2/5、鋼的1/4；鎂具有高強(qiáng)度、密度小、彈性模量大，散熱好、消震性好、承受沖擊荷載能力比鋁合金大、耐有機(jī)物和堿的腐蝕性能好的特點(diǎn)。鎂合金具有比重輕、比強(qiáng)度和比剛度高、易回收等特性，可以滿足航空、航天、現(xiàn)代汽車(chē)、軌道交通、船舶、國(guó)防軍工等領(lǐng)域?qū)p重、節(jié)能的要求，是世界公認(rèn)繼鋼鐵和鋁之后第三大金屬結(jié)構(gòu)材料，被譽(yù)為21世紀(jì)的綠色工程材料。氯化鎂電解法生產(chǎn)鎂是目前較環(huán)保和先進(jìn)的鎂制取方法之一，利用鉀肥生產(chǎn)后的尾液經(jīng)鹽田灘曬析出的水氯鎂石作為原料，配制成33.3%的氯化鎂鹵水，采用氯化鋇法除去硫酸根離子，經(jīng)陶瓷膜法精制過(guò)濾后得到一次精制鹵水，一次精制鹵水再經(jīng)離子交換法除硼工藝制得二次精制鹵水。二次精制鹵水進(jìn)入脫水單元調(diào)節(jié)pH值后進(jìn)入蒸發(fā)系統(tǒng)濃縮為51.5% MgCl2，平均含有4.8 mol H2O的濕顆粒。濕顆粒再依次進(jìn)入空氣干燥器、氯化氫干燥器中進(jìn)行干燥，使顆粒中的水分最終降至0.05% ，同時(shí)使MgOHCl含量降低到0.2%。上述脫水工藝中的空氣干燥環(huán)節(jié)是核心步驟之一，因此，空氣干燥器及其下料系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行與否，直接影響到整個(gè)工藝鏈生產(chǎn)的可靠性和持續(xù)性。

1 空氣干燥器的工作原理和特點(diǎn)

干燥操作是采用某種方式將熱量傳給含水物料，并將此熱量作為潛熱而使水分蒸發(fā)、分離的操作。氯化鎂空氣干燥器是一種固定式流化床設(shè)備，主要由進(jìn)料口、多孔塔盤(pán)、熱風(fēng)室、下料管(溢流管)、腮型布料器等構(gòu)成(如圖1所示)，流化床干噪是利用固體流態(tài)化原理進(jìn)行的一種干燥過(guò)程。氯化鎂濕顆粒料由下料口進(jìn)入到達(dá)多孔塔盤(pán)，熱空氣從熱風(fēng)室向多孔塔盤(pán)底部吹入與濕顆粒料混合形成沸騰流化狀態(tài)，待濕顆粒料脫水使MgCl2的含水量降低到1.8 mol H2O(半干顆粒料)，再?gòu)南铝瞎?溢流管)源源不斷的濃相流出，通過(guò)腮型布料器吹出的熱風(fēng)均勻分布開(kāi)來(lái)。

圖1 空氣干燥器結(jié)構(gòu)原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of structure and principle of air dryer

空氣干燥器脫水的主要目的是將六水氯化鎂(MgCl2·6H2O)脫水致四水氯化鎂(MgCl2·4H2O)，由于該反應(yīng)有包晶點(diǎn)的存在，固體水合物在升溫時(shí)會(huì)出現(xiàn)熔融，所以最高溫度設(shè)定為454.7(181.55 ℃)，如果避免局部高溫或熱量集中，實(shí)際溫度可根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷需要適當(dāng)提高，過(guò)程反應(yīng)式為：

MgCl2·6H2O(s)→MgCl2·4H2O+2H2O(g)

氯化鎂空氣干燥器特點(diǎn)是：

(1)顆粒較小的固體物料，在流化床內(nèi)熱空氣與固體顆粒充分混合，單位體積內(nèi)的表面積很大，于是傳質(zhì)和傳熱速率很高，使過(guò)程能很快進(jìn)行。

(2)物料在流化床干燥器內(nèi)停留的時(shí)間可按工藝生產(chǎn)要求進(jìn)行自由調(diào)節(jié)(通常在幾分鐘至幾小時(shí)之間)。因此，對(duì)于需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間干燥的含水率要求很低且易波動(dòng)的氯化鎂濕顆粒料很適合使用。

(3)極易粘結(jié)成團(tuán)塊的氯化鎂濕顆粒物料，如果局部溫度過(guò)高或流化不暢，容易在流化干燥過(guò)程中出現(xiàn)粘管或堵床現(xiàn)象。

2 存在問(wèn)題及其影響

空氣干燥器原下料管在穿過(guò)高溫風(fēng)室的時(shí)候，由于局部高溫且熱量無(wú)法及時(shí)散出，會(huì)出現(xiàn)熔料粘結(jié)堵塞下料管，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)塔盤(pán)集料(如圖2所示)，最終不得不停車(chē)處理。頻繁堵料停車(chē)，不但嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率，而且每次開(kāi)人孔清理塔盤(pán)都消耗大量的人力物力，并且存在受限空間作業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)，清理干燥器時(shí)外漏的氯化鎂顆粒粉塵對(duì)其他設(shè)備和作業(yè)人員產(chǎn)生不良影響(如：附著在機(jī)體表面的氯化鎂吸潮形成HCl造成氯離子腐蝕、對(duì)人的呼吸道等黏膜器官造成傷害)。

圖2 下料管改造前后運(yùn)行對(duì)比Fig.2 Operation comparison of blanking pipe before and after transformation

3 優(yōu)化改造方法及注意事項(xiàng)

此次優(yōu)化改造的思路是，避開(kāi)熱風(fēng)室高溫區(qū)通過(guò)外部管道下料。具體操作方法是在干燥器外壁上開(kāi)孔，用方管(原下料管過(guò)流截面積0.93 m2，方管截面為650 mm×320 mm)代替原下料管并跨過(guò)熱風(fēng)室高溫區(qū)防止下料過(guò)程中熔料堵塞，使生產(chǎn)得以可靠持續(xù)。為了讓六水氯化鎂(MgCl2·6H2O)與熱空氣接觸時(shí)間和熱交換時(shí)間更長(zhǎng)，方管上沿比原來(lái)下料管上沿高出10 mm。由于需要耐高溫HCl腐蝕和粒料沖刷，所以方管選用的材料與原下料管材料一致，是厚度為5 mm的鎳鉻鐵合金UNS NO6600(Inconel 600)板材，所以在成型與焊接時(shí)注意以下幾點(diǎn)：

(1)方型下料管進(jìn)行折彎后線下拼接無(wú)問(wèn)題后再行安裝，盡可能減少因焊縫導(dǎo)致的薄弱點(diǎn)。

(2)折彎前下料劃線通過(guò)公式L=0.5π×(R+K系數(shù)×T)×(θ/90)進(jìn)行計(jì)算，K取0.5(其中L為板材展開(kāi)長(zhǎng)度、R為折彎處的內(nèi)側(cè)半徑、T為材料厚度)。

(3)根據(jù)《石油化工鉻鎳不銹鋼、鐵鎳合金和鎳合金焊接規(guī)程》(SH/T 3523- 2009)和《鎳及鎳合金焊條》(GB/T13814-2008)中的相關(guān)規(guī)定，選用鎳合金專用Φ3.2 mm的焊條ENiCrFe-3(焊絲ERNiCr-3)。

(4)焊條(焊絲)用350 ℃烘干2 h，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度低于0 ℃時(shí)，應(yīng)在始焊處100 mm范圍內(nèi)預(yù)熱到15 ℃以上。

(5)由于鐵鎳合金、鎳合金的焊縫金屬在液態(tài)下流動(dòng)性、浸潤(rùn)性較差、熔深較小、故其坡口角度、對(duì)口間隙要相應(yīng)增大，鈍邊則相應(yīng)減小。

4 改造后運(yùn)行效果

如表1所示，在濕顆粒加料負(fù)荷穩(wěn)定在97%的工況下連續(xù)運(yùn)行了168 h。穩(wěn)定產(chǎn)出合格的四水氯化鎂(MgCl2·4H2O)半干顆粒，且熱空氣溫度顯著高于設(shè)計(jì)值的情況下，下料管在試車(chē)全程未發(fā)生熔料堵塞現(xiàn)象。

表1 空氣干燥器下料管改造前后運(yùn)行情況對(duì)比表Tab.1 Comparison table of operation before and after the transformation of air dryer discharge pipe

改造前，氯化鎂空氣干燥器每次堵料故障停車(chē)都要10 d左右的時(shí)間才能再次恢復(fù)生產(chǎn)，其中工作內(nèi)容主要是人孔啟閉和清除塔盤(pán)廢料，如果將停車(chē)產(chǎn)量損失、備件消耗、人工時(shí)支出、清除廢料損失等合計(jì)到一起，單次停車(chē)損失約124萬(wàn)余元，如果是按全年核算，不但損失巨大，而且生產(chǎn)根本無(wú)法持續(xù)。

此次改造除了獲得上述經(jīng)濟(jì)效益之外，對(duì)設(shè)備使用壽命和整個(gè)企業(yè)的穩(wěn)定生產(chǎn)也有著很大的積極性影響：

(1)避免了頻繁啟停對(duì)主體特材設(shè)備應(yīng)力腐蝕和所有關(guān)聯(lián)設(shè)備造成的不良影響,延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命和服役期，獲得更大的設(shè)備投資效益。

(2)避免頻繁清理作業(yè)，減少安全風(fēng)險(xiǎn)(如高溫作業(yè)、受限空間作業(yè)等)，同時(shí)也減少了氯化鎂粉塵對(duì)生產(chǎn)環(huán)境、設(shè)備衛(wèi)生和運(yùn)行狀態(tài)、人員健康的危害。

(3)改造后，使生產(chǎn)更加趨于“安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿、優(yōu)”，穩(wěn)定的生產(chǎn)是企業(yè)生存發(fā)展和提高競(jìng)爭(zhēng)力的核心實(shí)力之一，尤其是對(duì)供應(yīng)鏈要求極高的電解金屬鎂行業(yè)。

(4)此次改造解決了該行業(yè)的技術(shù)瓶頸，取得了技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和人員技術(shù)能力的提高，有力加強(qiáng)了企業(yè)軟實(shí)力和技術(shù)儲(chǔ)備。

(5)相關(guān)設(shè)備已申請(qǐng)了發(fā)明專利《一種帶有外掛式下料系統(tǒng)的氯化鎂流化干燥塔》(202010654476.2)，有效保護(hù)了該技術(shù)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

5 結(jié)論及建議

雖然該空氣干燥器下料管改造取得了圓滿成功，也順利通過(guò)驗(yàn)證性試車(chē)，但對(duì)塔壁開(kāi)孔位置和外掛方形管安裝位置計(jì)算不夠精確，安裝過(guò)程中出現(xiàn)打補(bǔ)丁、修角、熱彎等附加操作，不但增加了工作量，也增加了焊縫數(shù)量，對(duì)一個(gè)高溫耐腐蝕設(shè)備而言，此類情況應(yīng)盡量避免。在后續(xù)的改造過(guò)程中參考已改造完的下料管，加強(qiáng)計(jì)算、減小機(jī)加工和焊接誤差，同時(shí)減少流道尖角，增加圓弧過(guò)渡，不但要提高下料管與塔壁的安裝強(qiáng)度和密封性，也要確保下料管下料順滑，在達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)的情況下盡可能長(zhǎng)周期運(yùn)行。