粉體流冷卻器在重質(zhì)純堿生產(chǎn)中的應(yīng)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(jīng)濟(jì)的背景下，節(jié)能降耗已成為化工企業(yè)生產(chǎn)加工中的目標(biāo)之一。節(jié)能降耗不僅可以降低生產(chǎn)成本，也可以減少環(huán)境污染。20 世紀(jì)90 年代，純堿生產(chǎn)企業(yè)將德國沸騰式干燥硫化床引入國內(nèi)，使干燥冷卻流程可以一次性完成。但是在實(shí)際應(yīng)用中，其動(dòng)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(yán)重。進(jìn)入21 世紀(jì)以來，加拿大SOLEX 公司所生產(chǎn)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(yīng)用。2009 年，青海省昆侖堿業(yè)引進(jìn)了SOLEX公司的粉流體冷卻器，有效提高了重質(zhì)純堿冷卻效果，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。因此，應(yīng)對粉流體冷卻器在重質(zhì)純堿生產(chǎn)中的作用進(jìn)行深入分析。

1 粉流體冷卻器概述

在傳統(tǒng)的重質(zhì)純堿生產(chǎn)中，冷卻是主要的環(huán)節(jié)之一。但是，傳統(tǒng)的冷卻環(huán)節(jié)通常是以流化床冷卻器和滾筒冷卻器為基礎(chǔ)，能耗大且還會(huì)對環(huán)境造成污染，不符合節(jié)能環(huán)保的生態(tài)要求。在這樣的背景下出現(xiàn)了粉體流換熱器，它是一種以干燥粉體為基礎(chǔ)物料進(jìn)行冷卻處理的新型設(shè)備，主要由機(jī)料倉、傳熱板組、下料裝置、控制裝置4 個(gè)部分組成[1]。粉體流冷卻器運(yùn)行的能量消耗較少，操作簡單，整體的設(shè)備占地面積較小，也不會(huì)產(chǎn)生大量的空氣污染問題，更符合節(jié)能環(huán)保的生態(tài)要求。

2 粉體流冷卻器關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 防止結(jié)疤技術(shù)

因?yàn)橹刭|(zhì)純堿在冷卻中很容易吸潮結(jié)塊、經(jīng)常導(dǎo)致出現(xiàn)結(jié)疤問題，這也是重質(zhì)純堿生產(chǎn)中最主要的質(zhì)量問題之一，所以粉體流冷卻器最主要的技術(shù)就是防止結(jié)疤技術(shù)。在研發(fā)之初，就應(yīng)充分考量重質(zhì)純堿的結(jié)疤問題，以干燥空氣為基礎(chǔ)，設(shè)置相關(guān)的配套設(shè)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(huì)出現(xiàn)結(jié)疤的問題。而且，在粉體流冷卻器運(yùn)行過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制進(jìn)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(qū)，由于冬季氣溫較低，很難將溫差控制在15 ℃以內(nèi)，所以粉體流冷卻器換熱板表面很容易出現(xiàn)輕微結(jié)痂的問題，這就需要對結(jié)痂問題進(jìn)行深入分析。如果該結(jié)痂不是由顆粒狀、而是由細(xì)粉粘結(jié)在一起構(gòu)成的，就意味著經(jīng)過流體冷卻器干燥后的重質(zhì)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(dǎo)致水蒸汽出現(xiàn)凝結(jié)現(xiàn)象。為了解決這個(gè)問題，需要控制空氣中的水蒸汽含量。因此，在我國北方地區(qū)，可以給粉體流冷卻器增加一個(gè)DN300 的呼吸管線，通過管線連接系統(tǒng)的濕法除塵系統(tǒng)，保證進(jìn)料區(qū)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(qū)域之內(nèi)。

2.2 防止堵塞技術(shù)

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

圖1 直線振動(dòng)篩

大部分的重質(zhì)純堿生產(chǎn)企業(yè)，所用機(jī)械設(shè)備也相對固定。粉體流冷卻器作為一種新增設(shè)備，在實(shí)際使用中必須考慮其安裝位置。例如，個(gè)別重質(zhì)純堿生產(chǎn)中會(huì)設(shè)置重灰流化床，這些設(shè)備并不具備風(fēng)選細(xì)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(jié)晶質(zhì)量的重視程度，確保不會(huì)出現(xiàn)細(xì)粉超標(biāo)的問題。在重質(zhì)純堿生產(chǎn)中，如果主要是對塊狀堿塊和堿球進(jìn)行篩選，氣旋篩是最佳的篩選方式。

2.3 料位控制技術(shù)

在粉體流冷卻器運(yùn)行過程中，粒位控制技術(shù)是其重要技術(shù)。粉體流冷卻器在實(shí)際運(yùn)行中，如果粉體粒度、表面摩擦力存在較大差異，粉體的流動(dòng)性也會(huì)產(chǎn)生較大的差異[3]。所以，在重質(zhì)純堿生產(chǎn)中，想要對粉體流冷卻器進(jìn)行充分應(yīng)用，就要根據(jù)重質(zhì)純堿的特性進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)，尤其是要對出料進(jìn)行重點(diǎn)控制。由于不同純堿廠在生產(chǎn)中，粒度分布特性都存在較大的區(qū)別，粉體流冷卻器在使用前，需要結(jié)合重度純堿生產(chǎn)中的實(shí)際要求進(jìn)行反復(fù)調(diào)試，使粉體流達(dá)到最佳效果。在實(shí)際調(diào)試中，主要是對出料器柵板、振動(dòng)源、料位計(jì)等內(nèi)容進(jìn)行深入研究。粉體流冷卻器出料器柵板角度一旦發(fā)生改變，摩擦力以及粉體流動(dòng)情況都會(huì)受到相應(yīng)的影響。所以，在實(shí)際調(diào)試中，要根據(jù)重質(zhì)純堿生產(chǎn)的需求，對出料器柵板角度進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證換熱板間的物料能夠呈現(xiàn)均量流動(dòng)。在對振動(dòng)裝置進(jìn)行設(shè)置中，主要需要考量彈性復(fù)合的需求，尤其是在低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，振動(dòng)裝置的振動(dòng)頻率必須能夠保證正常出量。

2.4 出堿溫度控制技術(shù)

粉體流冷卻器還是承擔(dān)冷卻功能的重要設(shè)備，出堿溫度控制也是其關(guān)鍵技術(shù)之一。對出堿溫度進(jìn)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(jìn)行的控制中，冷卻水的溫度并不是重點(diǎn)考慮的內(nèi)容，主要需要衡量出堿溫度和冷卻水量之間的自動(dòng)控制。重灰產(chǎn)量為25 t/h 時(shí)，重質(zhì)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(wěn)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(wěn)定性方面，粉體冷卻器明顯優(yōu)于傳統(tǒng)流化床。所以，重質(zhì)純堿生產(chǎn)應(yīng)提高對粉體流冷卻器的關(guān)注程度。

表1 重灰粉體流冷卻器生成中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

2.5 防止開裂技術(shù)

粉體流冷卻器是以金屬為原材料的機(jī)械設(shè)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(shù)的不斷進(jìn)步發(fā)展，粉體流冷卻器焊接開裂問題很少發(fā)生，焊接開裂問題主要是在換熱片焊接位置產(chǎn)生。所以，在對粉體流冷卻器關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析中，防止開裂技術(shù)也是主要內(nèi)容。本文中的防止開裂技術(shù)，主要是指防止換熱板片焊接開裂的關(guān)鍵技術(shù)。在分析該技術(shù)之前，需要分析焊接開裂原因。換熱板片出現(xiàn)焊接開裂問題，有可能是焊接技術(shù)不達(dá)標(biāo)，也可能是生產(chǎn)操作過程中出現(xiàn)故障導(dǎo)致的。例如，在換熱板片的焊接過程中，由于操作不當(dāng)導(dǎo)致焊接位置厚度發(fā)生了變化，進(jìn)而導(dǎo)致焊接點(diǎn)金相結(jié)構(gòu)發(fā)生物理變化，這與熱脹冷縮現(xiàn)象有直接關(guān)系。

在實(shí)際運(yùn)行中，粉體流冷卻器換熱板上部溫度一般會(huì)超過160 ℃，如果突然停止下堿工作而冷卻水卻沒有及時(shí)進(jìn)行關(guān)閉，換熱板的溫度會(huì)快速下降至40 ℃，接近120 ℃的溫差會(huì)造成板片之間的相對應(yīng)力[4]。一旦換熱板片之間存在堵料問題，就會(huì)出現(xiàn)受力不均的現(xiàn)象，所以在應(yīng)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(xiàn)較大溫差的問題。

3 粉體流冷卻器在重質(zhì)純堿生產(chǎn)中的應(yīng)用分析

作為一種重要的冷卻設(shè)備，粉體流冷卻器對于提高重質(zhì)純堿冷卻水平有著重要作用，也是在生態(tài)環(huán)保理念下的一種新型節(jié)能降耗機(jī)械設(shè)備。為了提高重質(zhì)純堿生產(chǎn)中的冷卻水平，土耳其某堿廠引進(jìn)了20 萬噸的重質(zhì)純堿冷卻設(shè)備（圖2）。

圖2 重質(zhì)純堿冷卻系統(tǒng)

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，粉體流冷卻器有如下優(yōu)勢：

（1）與傳統(tǒng)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(shè)備主要是以模塊化結(jié)構(gòu)進(jìn)行安裝，現(xiàn)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(huì)產(chǎn)生額外的風(fēng)氣能耗，而同等規(guī)模的沸騰床冷卻器至少需要200 kW·h。按照一年工作8000 h 計(jì)算，粉體流冷卻器每年可以節(jié)約180 萬千瓦時(shí)。

（3）粉體流冷卻設(shè)備不會(huì)涉及運(yùn)動(dòng)部件，維護(hù)保養(yǎng)成本較低，這對于重質(zhì)純堿的連續(xù)性生產(chǎn)非常重要。

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

4 結(jié)束語

粉流體冷卻器是一種新型的冷卻干燥冷卻設(shè)備，具有占地面積小、環(huán)境污染少、傳熱效率高等優(yōu)勢。其采用防結(jié)疤技術(shù)、防堵塞技術(shù)、粒位控制技術(shù)、出堿溫度控制技術(shù)及防止開裂技術(shù)，可以應(yīng)用于重質(zhì)純堿的生產(chǎn)。結(jié)合實(shí)際案例分析可知，粉流體冷卻器可以有效提高重質(zhì)純堿生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，還能有效控制結(jié)垢、粉塵污染問題以及改善重質(zhì)純堿的品質(zhì)，是重質(zhì)純堿生產(chǎn)企業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗目的重要設(shè)施。