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磷酸濃縮石墨換熱器列管破裂的原因及預防措施分析
1 概述
石墨換熱器是二水濕法磷酸濃縮系統(tǒng)的主要設(shè)備之一。該設(shè)備事故發(fā)生率高,且一旦發(fā)生事故,停車時間較長,影響整個濃縮裝置的運轉(zhuǎn)率,造成巨大的經(jīng)濟損失。安徽六國化工股份有限公司現(xiàn)有2套濃縮裝置,12萬t/a磷酸二銨于1987年建成,24萬t/a磷酸二銨于2001年7月建成投產(chǎn),現(xiàn)使用的石墨換熱器均為國產(chǎn)設(shè)備。2套裝置在運行的過程中,曾多次因石墨管斷裂而停車,嚴重制約了磷銨產(chǎn)量的提高。基于上述情況,公司成立QC小組,對系統(tǒng)進行攻關(guān),取得了顯著的成效。現(xiàn)將石墨換熱器列管破裂的原因及預防措施分析如下。
二水濕法磷酸生產(chǎn)中,石墨換熱器列管破裂的主要原因有3個方面。
(1) 剛開車階段石墨換熱器列管的破裂
系統(tǒng)剛開車時,若有操作人員違章作業(yè),極易造成石墨換熱器列管的破裂。具體表現(xiàn)為以下3種形式。
1 溫差效應 剛開車時,系統(tǒng)管程磷酸溫度為70℃左右,殼程中蒸汽的溫度為120～130℃,兩者溫差約60℃,由于突然加大蒸汽量,會使一些積滿堅硬堵塞物的石墨管因膨脹系數(shù)大,而造成管子脹裂。
2 低壓蒸汽的沖擊力 系統(tǒng)剛開車時,由于操作不慎,瞬間向系統(tǒng)加入大量蒸汽,會使石墨管受到巨大的沖擊力而斷裂。
3 循環(huán)酸的沖擊力 剛開車時,若磷酸未充滿系統(tǒng),就開啟軸流泵,則會產(chǎn)生較大的沖擊力,造成換熱器管擺動,從而損傷石墨管,甚至導致列管破裂。
(2) 生產(chǎn)過程中石墨換熱器列管的破裂
1 生產(chǎn)過程中,當系統(tǒng)提濃蒸發(fā)水量過大,而長時間未能補充液位,使得系統(tǒng)靜壓頭不足,造成磷酸在石墨換熱器管內(nèi)沸騰,引起爆管。同時由于系統(tǒng)酸循環(huán)量不足,引起酸的沖擊而損傷石墨管。
2 生產(chǎn)過程中,磷酸循環(huán)泵跳停或突然停電,使得系統(tǒng)的磷酸停止循環(huán),而此時蒸汽未能及時切斷,管內(nèi)酸溫局部過熱導致石墨換熱器管的爆裂。
3 由于生產(chǎn)過程中磷酸爆沸,造成蒸發(fā)室氣相空間存在著大量的液沫,液沫中的雜質(zhì)附在器壁上,形成垢層脫落堵塞石墨管口,在連續(xù)加熱過程中結(jié)垢物堵塞管子,導致磷酸中止循環(huán),引起石墨換熱器爆裂。
(3) 清理過程中石墨換熱器列管的破裂
二水濕法磷酸生產(chǎn)中,石墨管堵塞主要表現(xiàn)為石膏堵塞和結(jié)垢(主要成分為Na2SiF6與K2SiF6)堵塞兩種方式。這些堵塞物有的用水沖洗就可疏通,有的很難疏通,不得不借助機械器具或高壓水槍(一般高壓水槍沖洗水壓力為15～20MPa)進行清理,這樣極易造成管子破裂。
3 預防石墨換熱器列管破裂的措施
(1) 嚴把磷礦品位關(guān),對礦質(zhì)較差的礦源進行配礦，目前,六國公司基本使用開陽、宜昌、甕福3家磷礦,根據(jù)礦源狀況,搭配使用,基本上控制礦中w(K2O+Na2O)≤0.35%;w(P2O5)≥32%;w(Fe2O3+Al2O3+MgO)≤3.2%,從而在一定程度上減少了系統(tǒng)堵塞。
(2) 嚴格控制工藝指標
1 嚴格控制進系統(tǒng)低壓蒸汽的工藝參數(shù)。一般低壓蒸汽的溫度控制在120～130℃,蒸汽壓力控制在0.10～0.22MPa,這樣可以避免因溫差效應引起石墨換熱器列管的破裂及蒸汽壓力過大對管子的沖擊力。
2控制進濃縮系統(tǒng)稀磷酸的含固量。六國公司控制稀酸的含固量主要從兩方面著手。第1,先將稀磷酸在沉降槽進行沉降,隨著溫度的逐漸降低,稀磷酸中的雜質(zhì)鹽類不斷達到過飽和而析出,從而使進入系統(tǒng)的稀酸得到凈化。第2,控制好磷酸反應的工藝指標,特別是反應料漿中SO42-余量,形成粗大均勻的CaSO4•2H2O晶體,并對破損的濾布及時更換,減小細晶、碎晶進入稀酸。生產(chǎn)中,一般要求控制進系統(tǒng)稀酸含固量小于2%。
3 控制閃蒸室真空度,避免因管程磷酸溫度過高而爆管。在生產(chǎn)中,我公司控制系統(tǒng)絕壓為10～20kPa,管程酸溫低于77℃,這樣在減緩管壁結(jié)垢速率、延長設(shè)備和石墨管壽命等方面都起到了很大的作用。
4 確保進、出系統(tǒng)的酸管暢通,并適當提高循環(huán)酸在石墨管中的流速,有利于減少石墨管內(nèi)的結(jié)垢。對石墨列管式換熱器通常要求管內(nèi)磷酸流速維持在2.5m/s左右,我公司石墨換熱器管內(nèi)磷酸流速為2.12m/s,基本滿足了生產(chǎn)要求。
5 嚴格控制閃蒸室的液位及磷酸循環(huán)軸流泵的電流。在操作中,我公司老裝置主要通過磷酸循環(huán)軸流泵的電流(160～170A)來控制液位,新裝置則通過閃蒸室液位計進行觀察,從而確保系統(tǒng)運行時液位達到操作要求,保持一定的靜壓頭,防止磷酸在管程中沸騰,從而在一定程度上防止結(jié)垢,避免管子爆裂。
(4) 優(yōu)化系統(tǒng)清洗流程,定期熱洗
經(jīng)過一段時間的操作,石墨換熱器的內(nèi)壁總難免產(chǎn)生鹽類沉積和結(jié)垢,定期進行清洗十分必要。對于石墨管的清洗一般要求洗水溫度維持在85～90℃。六國公司采用含60～80g/L(即5%H2SO4)的熱硫酸液對系統(tǒng)進行循環(huán)清洗,清洗時間為6～8h,清洗周期為5～6天1次。同時在對石墨換熱器進行清洗時,每次都對進、出系統(tǒng)的酸管線清洗約40min,從而減少結(jié)垢,確保整個系統(tǒng)連續(xù)、穩(wěn)定的生產(chǎn)。
在生產(chǎn)中,操作人員一定要嚴格執(zhí)行規(guī)章制度,避免人為因素造成對石墨換熱器的損害。六國公司要求員工在操作中注意以下幾點。1 減少各種介質(zhì)的冷熱沖擊,減緩溫差效應。開停車時,注意控制換熱器的加(減)汽量,一般控制為1～2t/h,石墨管溫升(或溫降)速度小于20℃/h,從而避免冷熱沖擊而損傷石墨管。2 在向系統(tǒng)加汽時,應先打開疏水閥,及時排出蒸汽管線中的不凝氣體和冷凝水,以防水擊現(xiàn)象。3 開車時,要確定系統(tǒng)充滿酸后,再開啟軸流泵;停車時先關(guān)閉軸流泵,再倒酸,可防止酸液對管束的沖擊。4 清理時,先熱水清洗石墨管,再派專人清理。這樣既可減輕勞動強度,又可積累經(jīng)驗,減少清理時對石墨列管的傷害。
3 對破損石墨管的處理
當石墨管破裂后,就應及時采取措施進行處理,其步驟如下:(1) 試漏 系統(tǒng)清洗完畢,從低位(或高位)向殼程中充水試壓,查找裂管。試壓壓力為0.3MPa(表壓)。(2) 堵管 排完水后封堵裂管,一般采用酚醛石墨膠泥的石墨柱并固化20h,或采用橡膠堵頭進行堵管。(3) 換管 當石墨換熱器堵管數(shù)多達不能滿足生產(chǎn)計劃的要求時(一般達到總管的30%左右),就應該換管。
4 結(jié)束語
造成石墨換熱器管束破裂的原因很多,但只要按規(guī)程認真操作,定期熱洗,就能防患于未然,使整個系統(tǒng)連續(xù)平穩(wěn)地運行。
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