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磷酸浓缩石墨换热器列管破裂的原因及预防措施分析
1 概述
石墨换热器是二水湿法磷酸浓缩系统的主要设备之一。该设备事故发生率高,且一旦发生事故,停车时间较长,影响整个浓缩装置的运转率,造成巨大的经济损失。安徽六国化工股份有限公司现有2套浓缩装置,12万t/a磷酸二铵于1987年建成,24万t/a磷酸二铵于2001年7月建成投产,现使用的石墨换热器均为国产设备。2套装置在运行的过程中,曾多次因石墨管断裂而停车,严重制约了磷铵产量的提高。基于上述情况,公司成立QC小组,对系统进行攻关,取得了显著的成效。现将石墨换热器列管破裂的原因及预防措施分析如下。
二水湿法磷酸生产中,石墨换热器列管破裂的主要原因有3个方面。
(1) 刚开车阶段石墨换热器列管的破裂
系统刚开车时,若有操作人员违章作业,极易造成石墨换热器列管的破裂。具体表现为以下3种形式。
1 温差效应 刚开车时,系统管程磷酸温度为70℃左右,壳程中蒸汽的温度为120～130℃,两者温差约60℃,由于突然加大蒸汽量,会使一些积满坚硬堵塞物的石墨管因膨胀系数大,而造成管子胀裂。
2 低压蒸汽的冲击力 系统刚开车时,由于操作不慎,瞬间向系统加入大量蒸汽,会使石墨管受到巨大的冲击力而断裂。
3 循环酸的冲击力 刚开车时,若磷酸未充满系统,就开启轴流泵,则会产生较大的冲击力,造成换热器管摆动,从而损伤石墨管,甚至导致列管破裂。
(2) 生产过程中石墨换热器列管的破裂
1 生产过程中,当系统提浓蒸发水量过大,而长时间未能补充液位,使得系统静压头不足,造成磷酸在石墨换热器管内沸腾,引起爆管。同时由于系统酸循环量不足,引起酸的冲击而损伤石墨管。
2 生产过程中,磷酸循环泵跳停或突然停电,使得系统的磷酸停止循环,而此时蒸汽未能及时切断,管内酸温局部过热导致石墨换热器管的爆裂。
3 由于生产过程中磷酸爆沸,造成蒸发室气相空间存在着大量的液沫,液沫中的杂质附在器壁上,形成垢层脱落堵塞石墨管口,在连续加热过程中结垢物堵塞管子,导致磷酸中止循环,引起石墨换热器爆裂。
(3) 清理过程中石墨换热器列管的破裂
二水湿法磷酸生产中,石墨管堵塞主要表现为石膏堵塞和结垢(主要成分为Na2SiF6与K2SiF6)堵塞两种方式。这些堵塞物有的用水冲洗就可疏通,有的很难疏通,不得不借助机械器具或高压水枪(一般高压水枪冲洗水压力为15～20MPa)进行清理,这样极易造成管子破裂。
3 预防石墨换热器列管破裂的措施
(1) 严把磷矿品位关,对矿质较差的矿源进行配矿，目前,六国公司基本使用开阳、宜昌、瓮福3家磷矿,根据矿源状况,搭配使用,基本上控制矿中w(K2O+Na2O)≤0.35%;w(P2O5)≥32%;w(Fe2O3+Al2O3+MgO)≤3.2%,从而在一定程度上减少了系统堵塞。
(2) 严格控制工艺指标
1 严格控制进系统低压蒸汽的工艺参数。一般低压蒸汽的温度控制在120～130℃,蒸汽压力控制在0.10～0.22MPa,这样可以避免因温差效应引起石墨换热器列管的破裂及蒸汽压力过大对管子的冲击力。
2控制进浓缩系统稀磷酸的含固量。六国公司控制稀酸的含固量主要从两方面着手。第1,先将稀磷酸在沉降槽进行沉降,随着温度的逐渐降低,稀磷酸中的杂质盐类不断达到过饱和而析出,从而使进入系统的稀酸得到净化。第2,控制好磷酸反应的工艺指标,特别是反应料浆中SO42-余量,形成粗大均匀的CaSO4•2H2O晶体,并对破损的滤布及时更换,减小细晶、碎晶进入稀酸。生产中,一般要求控制进系统稀酸含固量小于2%。
3 控制闪蒸室真空度,避免因管程磷酸温度过高而爆管。在生产中,我公司控制系统绝压为10～20kPa,管程酸温低于77℃,这样在减缓管壁结垢速率、延长设备和石墨管寿命等方面都起到了很大的作用。
4 确保进、出系统的酸管畅通,并适当提高循环酸在石墨管中的流速,有利于减少石墨管内的结垢。对石墨列管式换热器通常要求管内磷酸流速维持在2.5m/s左右,我公司石墨换热器管内磷酸流速为2.12m/s,基本满足了生产要求。
5 严格控制闪蒸室的液位及磷酸循环轴流泵的电流。在操作中,我公司老装置主要通过磷酸循环轴流泵的电流(160～170A)来控制液位,新装置则通过闪蒸室液位计进行观察,从而确保系统运行时液位达到操作要求,保持一定的静压头,防止磷酸在管程中沸腾,从而在一定程度上防止结垢,避免管子爆裂。
(4) 优化系统清洗流程,定期热洗
经过一段时间的操作,石墨换热器的内壁总难免产生盐类沉积和结垢,定期进行清洗十分必要。对于石墨管的清洗一般要求洗水温度维持在85～90℃。六国公司采用含60～80g/L(即5%H2SO4)的热硫酸液对系统进行循环清洗,清洗时间为6～8h,清洗周期为5～6天1次。同时在对石墨换热器进行清洗时,每次都对进、出系统的酸管线清洗约40min,从而减少结垢,确保整个系统连续、稳定的生产。
在生产中,操作人员一定要严格执行规章制度,避免人为因素造成对石墨换热器的损害。六国公司要求员工在操作中注意以下几点。1 减少各种介质的冷热冲击,减缓温差效应。开停车时,注意控制换热器的加(减)汽量,一般控制为1～2t/h,石墨管温升(或温降)速度小于20℃/h,从而避免冷热冲击而损伤石墨管。2 在向系统加汽时,应先打开疏水阀,及时排出蒸汽管线中的不凝气体和冷凝水,以防水击现象。3 开车时,要确定系统充满酸后,再开启轴流泵;停车时先关闭轴流泵,再倒酸,可防止酸液对管束的冲击。4 清理时,先热水清洗石墨管,再派专人清理。这样既可减轻劳动强度,又可积累经验,减少清理时对石墨列管的伤害。
3 对破损石墨管的处理
当石墨管破裂后,就应及时采取措施进行处理,其步骤如下:(1) 试漏 系统清洗完毕,从低位(或高位)向壳程中充水试压,查找裂管。试压压力为0.3MPa(表压)。(2) 堵管 排完水后封堵裂管,一般采用酚醛石墨胶泥的石墨柱并固化20h,或采用橡胶堵头进行堵管。(3) 换管 当石墨换热器堵管数多达不能满足生产计划的要求时(一般达到总管的30%左右),就应该换管。
4 结束语
造成石墨换热器管束破裂的原因很多,但只要按规程认真操作,定期热洗,就能防患于未然,使整个系统连续平稳地运行。
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