濕法磷酸濃縮裝置清洗工藝優(yōu)化

張 品

（湖北大峪口化工有限責(zé)任公司，湖北荊門 431910）

0 引言

湖北某磷化公司有2 套P2O5150 kt/a 濕法磷酸濃縮裝置，在裝置運行過程中，石墨管內(nèi)壁及閃蒸室器壁上結(jié)垢，導(dǎo)致石墨換熱器的換熱效率下降、殼程壓力上升、蒸汽加入量減少；結(jié)垢達到一定厚度會垮落，堵塞換熱器進口篩網(wǎng)，造成循環(huán)量下降，循環(huán)泵電流升高，須進行停車清洗、清理。2019 年濕法磷酸濃縮裝置運轉(zhuǎn)率只有81.60%，非常有必要研究優(yōu)化清洗工藝，改善清洗效果，提高濃縮裝置運轉(zhuǎn)率。

1 濃縮裝置結(jié)垢形成原因、生產(chǎn)現(xiàn)狀和清洗情況

濃縮工藝是將過濾、澄清后w（P2O5）20%～26%的稀磷酸，用低壓蒸汽間接加熱，軸流泵強制循環(huán)、真空條件下蒸發(fā)除去部分水分，濃縮為w（P2O5）45%～47%的濃磷酸，同時循環(huán)洗滌回收從稀磷酸中揮發(fā)的氟，生產(chǎn)所需濃度的氟硅酸（見圖1）。采取真空減壓操作，可降低磷酸溶液的沸點，強制循環(huán)操作可減緩雜質(zhì)沉淀結(jié)垢。

圖1 濕法磷酸濃縮工藝流程

1.1 濕法磷酸濃縮裝置結(jié)垢形成原因

濕法磷酸中一般含有多種雜質(zhì)，如鈣、鎂、氟、鉀、鈉等離子，在磷酸濃縮過程中，它們會逐漸沉淀析出，有關(guān)沉淀物的形成舉例如下：

這些沉淀常常沉積在加熱器的列管內(nèi)壁上，使傳熱性能降低，嚴重時可能堵塞換熱器導(dǎo)致無法生產(chǎn)［1］。表1為濕法磷酸濃縮裝置垢塊主要成分檢測結(jié)果。從表1可看出，垢塊主要成分是鈣鹽、氟鹽（包括鉀和鈉的氟硅酸鹽以及鋁鹽）。在磷酸濃縮裝置停車后觀察，其中鈣鹽主要以酸垢和石膏形式堵塞石墨管，氟鹽在蒸發(fā)器及加熱管的內(nèi)表面上結(jié)垢析出。

表1 濕法磷酸濃縮裝置垢塊主要成分檢測結(jié)果%

1.2 濕法磷酸濃縮裝置除垢原理

利用大部分結(jié)垢溶于硫酸的特性，使之轉(zhuǎn)化為可溶性鹽。保持清洗液在一定的壓力和溫度條件下循環(huán)流動，反復(fù)地對不溶于硫酸的鹽類進行沖刷，使其脫落，然后被酸洗液帶出，從而達到清除結(jié)垢同時又保護換熱器的目的［2］。濃縮熬煮清洗時，含鉀、鈉的氟硅酸鹽與硫酸反應(yīng)，主要化學(xué)反應(yīng)式為：

1.3 濕法磷酸濃縮裝置生產(chǎn)現(xiàn)狀和清洗情況

1.3.1 生產(chǎn)現(xiàn)狀

稀磷酸在閃蒸室內(nèi)蒸發(fā)過程中，含氟氣體帶走的霧沫撞擊其頂部，部分石膏黏附在頂部長期積聚形成熔巖式結(jié)垢。隨著時間延長，結(jié)垢在自身重力作用下掉落砸壞篩網(wǎng)，小塊的石膏塊進入石墨換熱器，造成石墨換熱器列管堵塞［4］。濕法磷酸濃縮裝置曾多次出現(xiàn)閃蒸室垮垢現(xiàn)象，明顯特征是濃縮循環(huán)泵電流上升、換熱器進出口溫差變大，1#濃縮裝置曾發(fā)生過一次大量垮垢，撞擊進換熱器錐形篩網(wǎng)，導(dǎo)致其嚴重變形。

受溫降影響，稀磷酸中雜質(zhì)溶解度變小，析出結(jié)垢附著在管壁上，通徑變小引起輸送流量下降，為不降低濃縮生產(chǎn)負荷，常采用切換備用管線或多次用稀硫酸清洗等辦法提高輸送流量，清洗管線會造成濃磷酸濃度降低、生產(chǎn)負荷下降，當(dāng)兩條管線都結(jié)垢且補酸流量不足時，需要停車下線清理。

1.3.2 常用清洗、清理辦法

在濃縮裝置停車排酸后，用池水配制w（H2SO4）5%～8%的溶液400 m3補入閃蒸室，液位到溢流口后開啟循環(huán)泵，升溫到80～85 ℃，在-40 kPa（絕壓）下熬煮20～30 h，再排空清洗液。用高壓清洗泵加壓到10～15 MPa，人工機械清理每根石墨管，約需要16 h，清理時經(jīng)常有石墨管不能通過φ35 mm槍頭，需要二次熬煮8 h，再次清理后對石墨換熱器試壓查漏，正常后補酸生產(chǎn)。每次清洗時間在90 h以上，熬煮、清理數(shù)據(jù)和濃磷酸產(chǎn)量見表2。

表2 2019—2020年濕法磷酸濃縮裝置熬煮、清理數(shù)據(jù)和濃磷酸產(chǎn)量

該公司濃縮換熱器由1 000根φ51/38 mm×6 000 mm石墨列管組成，自2012年投產(chǎn)以來，因熬煮效果欠佳，清理石墨管常卡槍頭，多人用力才能拔出，1#濃縮裝置石墨管破損5根，2#濃縮裝置破損4根，均已封堵處理。

2 優(yōu)化濕法磷酸濃縮裝置清洗工藝和改善清洗效果的措施

2.1 先清理堵塞石墨管，后熬煮

在磷酸濃縮裝置停車排酸后，檢查堵塞石墨管通常在200根以內(nèi)，采取先清理疏通堵塞管，再補洗液進行熬煮方式，循環(huán)沖刷管壁結(jié)垢，可強化清洗效果。

2.2 采取保護性的清理方式，避免石墨管破損

石墨管的內(nèi)徑通常為38 mm，壁厚6 mm，管長6～9 m，主要缺點是機械強度較差，在日常維修或進行機械清洗時容易引起開裂，因此，謹慎操作對延長換熱器的使用周期十分重要［5］。

為保護石墨管，制作不同尺寸型號（φ27.8～35.0 mm）的槍頭，根據(jù)難易程度選擇適當(dāng)型號的槍頭清理，可避免卡阻引起石墨管破損，近3年來沒有再破損一根石墨管。

2.3 加大清洗液量，消除霧沫分離器穹頂結(jié)垢

磷酸濃縮裝置正常生產(chǎn)時補稀硫酸量360 m3即可達到閃蒸室溢流口，通常加入400 m3清洗液可以對霧沫分離器下部進行清洗；但濃縮閃蒸室、霧沫分離器穹頂清洗不到，垢塊達到一定厚度后會垮落而堵塞換熱器篩網(wǎng)。通過增加清洗液量到800 m3，在霧沫分離器穹頂增設(shè)排氣閥，排氣后再進行真空循環(huán)熬煮，可避免頂部形成真空區(qū)，結(jié)垢無法清洗現(xiàn)象。在清洗完成后多次檢查閃蒸室、霧沫分離器頂部，結(jié)垢均脫落，生產(chǎn)過程中沒有再出現(xiàn)垮垢、循環(huán)泵電流升高、閃蒸室進出口溫差變大現(xiàn)象。

2.4 完善清洗流程，實施循環(huán)清洗

通過在罐區(qū)稀磷酸澄清槽頂部增加管線，連接濃縮產(chǎn)品磷酸與稀磷酸槽溢流口管線，在熬煮清洗時建立回路，循環(huán)清洗兩條補酸管線16 h 左右，拆管線檢查可徹底清洗干凈，自實行此清洗方法后，補稀磷酸管線流量可維持生產(chǎn)1個月左右不受影響。

2.5 改用工藝水配制清洗液

表3 為濃縮用池水配制清洗液熬煮過程數(shù)據(jù)，從表3 可見，清洗液中K+、Na+含量高，接近達到飽和狀態(tài)，很難繼續(xù)上漲。表4 為渣場池水指標(biāo)，從表4 可見，池水中K+、Na+等雜質(zhì)含量偏高，導(dǎo)致所配制的清洗液熬煮效果差。

表3 池水配制清洗液熬煮過程數(shù)據(jù)

表4 2020年3—6月渣場池水指標(biāo)

為降低初始清洗液中雜質(zhì)含量，自2020年5月22 日起用工藝水配制洗液，工藝水配制清洗液熬煮過程數(shù)據(jù)見表5。

表5 工藝水配制清洗液熬煮過程數(shù)據(jù)

對比表3、表5 數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在硫酸濃度、熬煮溫度、濃縮絕壓等工況相近情況下，工藝水配制洗液初始K+、Na+含量低，升溫熬煮過程中含量迅速上漲，垢塊溶解速度加快。后期排熬煮液時，可用熬煮液清洗反應(yīng)閃冷系統(tǒng)結(jié)垢管線，最終返回到反應(yīng)槽分解磷礦漿，回收利用清洗液。

改用工藝水配制清洗液后，熬煮、清理數(shù)據(jù)和濃磷酸產(chǎn)量見表6。

表6 2020年濕法磷酸濃縮裝置用工藝水配制清洗液后的熬煮、清理數(shù)據(jù)和濃磷酸產(chǎn)量

由表2、表6可知，改用工藝水配制清洗液熬煮后清洗時間縮短，用φ35 mm 槍頭清理石墨管可全過，無須二次熬煮，濃磷酸產(chǎn)量也有了提高。

3 結(jié)束語

濕法磷酸濃縮系統(tǒng)結(jié)垢對生產(chǎn)周期、設(shè)備安全運行、裝置產(chǎn)能等造成較大影響，通過選擇適當(dāng)型號的槍頭清理可避免清破石墨管，增加清洗液量，消除垮垢現(xiàn)象，特別是改用工藝水配制清洗液可縮短濃縮清洗時間，改善清洗效果，經(jīng)2020年生產(chǎn)實踐檢驗，濕法磷酸濃縮裝置運轉(zhuǎn)率達到85.56%，相比2019年提高了3.96百分點。