湿法磷酸浓缩装置清洗工艺优化

张 品

（湖北大峪口化工有限责任公司，湖北荆门 431910）

0 引言

湖北某磷化公司有2 套P2O5150 kt/a 湿法磷酸浓缩装置，在装置运行过程中，石墨管内壁及闪蒸室器壁上结垢，导致石墨换热器的换热效率下降、壳程压力上升、蒸汽加入量减少；结垢达到一定厚度会垮落，堵塞换热器进口筛网，造成循环量下降，循环泵电流升高，须进行停车清洗、清理。2019 年湿法磷酸浓缩装置运转率只有81.60%，非常有必要研究优化清洗工艺，改善清洗效果，提高浓缩装置运转率。

1 浓缩装置结垢形成原因、生产现状和清洗情况

浓缩工艺是将过滤、澄清后w（P2O5）20%～26%的稀磷酸，用低压蒸汽间接加热，轴流泵强制循环、真空条件下蒸发除去部分水分，浓缩为w（P2O5）45%～47%的浓磷酸，同时循环洗涤回收从稀磷酸中挥发的氟，生产所需浓度的氟硅酸（见图1）。采取真空减压操作，可降低磷酸溶液的沸点，强制循环操作可减缓杂质沉淀结垢。

图1 湿法磷酸浓缩工艺流程

1.1 湿法磷酸浓缩装置结垢形成原因

湿法磷酸中一般含有多种杂质，如钙、镁、氟、钾、钠等离子，在磷酸浓缩过程中，它们会逐渐沉淀析出，有关沉淀物的形成举例如下：

这些沉淀常常沉积在加热器的列管内壁上，使传热性能降低，严重时可能堵塞换热器导致无法生产［1］。表1为湿法磷酸浓缩装置垢块主要成分检测结果。从表1可看出，垢块主要成分是钙盐、氟盐（包括钾和钠的氟硅酸盐以及铝盐）。在磷酸浓缩装置停车后观察，其中钙盐主要以酸垢和石膏形式堵塞石墨管，氟盐在蒸发器及加热管的内表面上结垢析出。

表1 湿法磷酸浓缩装置垢块主要成分检测结果%

1.2 湿法磷酸浓缩装置除垢原理

利用大部分结垢溶于硫酸的特性，使之转化为可溶性盐。保持清洗液在一定的压力和温度条件下循环流动，反复地对不溶于硫酸的盐类进行冲刷，使其脱落，然后被酸洗液带出，从而达到清除结垢同时又保护换热器的目的［2］。浓缩熬煮清洗时，含钾、钠的氟硅酸盐与硫酸反应，主要化学反应式为：

1.3 湿法磷酸浓缩装置生产现状和清洗情况

1.3.1 生产现状

稀磷酸在闪蒸室内蒸发过程中，含氟气体带走的雾沫撞击其顶部，部分石膏黏附在顶部长期积聚形成熔岩式结垢。随着时间延长，结垢在自身重力作用下掉落砸坏筛网，小块的石膏块进入石墨换热器，造成石墨换热器列管堵塞［4］。湿法磷酸浓缩装置曾多次出现闪蒸室垮垢现象，明显特征是浓缩循环泵电流上升、换热器进出口温差变大，1#浓缩装置曾发生过一次大量垮垢，撞击进换热器锥形筛网，导致其严重变形。

受温降影响，稀磷酸中杂质溶解度变小，析出结垢附着在管壁上，通径变小引起输送流量下降，为不降低浓缩生产负荷，常采用切换备用管线或多次用稀硫酸清洗等办法提高输送流量，清洗管线会造成浓磷酸浓度降低、生产负荷下降，当两条管线都结垢且补酸流量不足时，需要停车下线清理。

1.3.2 常用清洗、清理办法

在浓缩装置停车排酸后，用池水配制w（H2SO4）5%～8%的溶液400 m3补入闪蒸室，液位到溢流口后开启循环泵，升温到80～85 ℃，在-40 kPa（绝压）下熬煮20～30 h，再排空清洗液。用高压清洗泵加压到10～15 MPa，人工机械清理每根石墨管，约需要16 h，清理时经常有石墨管不能通过φ35 mm枪头，需要二次熬煮8 h，再次清理后对石墨换热器试压查漏，正常后补酸生产。每次清洗时间在90 h以上，熬煮、清理数据和浓磷酸产量见表2。

表2 2019—2020年湿法磷酸浓缩装置熬煮、清理数据和浓磷酸产量

该公司浓缩换热器由1 000根φ51/38 mm×6 000 mm石墨列管组成，自2012年投产以来，因熬煮效果欠佳，清理石墨管常卡枪头，多人用力才能拔出，1#浓缩装置石墨管破损5根，2#浓缩装置破损4根，均已封堵处理。

2 优化湿法磷酸浓缩装置清洗工艺和改善清洗效果的措施

2.1 先清理堵塞石墨管，后熬煮

在磷酸浓缩装置停车排酸后，检查堵塞石墨管通常在200根以内，采取先清理疏通堵塞管，再补洗液进行熬煮方式，循环冲刷管壁结垢，可强化清洗效果。

2.2 采取保护性的清理方式，避免石墨管破损

石墨管的内径通常为38 mm，壁厚6 mm，管长6～9 m，主要缺点是机械强度较差，在日常维修或进行机械清洗时容易引起开裂，因此，谨慎操作对延长换热器的使用周期十分重要［5］。

为保护石墨管，制作不同尺寸型号（φ27.8～35.0 mm）的枪头，根据难易程度选择适当型号的枪头清理，可避免卡阻引起石墨管破损，近3年来没有再破损一根石墨管。

2.3 加大清洗液量，消除雾沫分离器穹顶结垢

磷酸浓缩装置正常生产时补稀硫酸量360 m3即可达到闪蒸室溢流口，通常加入400 m3清洗液可以对雾沫分离器下部进行清洗；但浓缩闪蒸室、雾沫分离器穹顶清洗不到，垢块达到一定厚度后会垮落而堵塞换热器筛网。通过增加清洗液量到800 m3，在雾沫分离器穹顶增设排气阀，排气后再进行真空循环熬煮，可避免顶部形成真空区，结垢无法清洗现象。在清洗完成后多次检查闪蒸室、雾沫分离器顶部，结垢均脱落，生产过程中没有再出现垮垢、循环泵电流升高、闪蒸室进出口温差变大现象。

2.4 完善清洗流程，实施循环清洗

通过在罐区稀磷酸澄清槽顶部增加管线，连接浓缩产品磷酸与稀磷酸槽溢流口管线，在熬煮清洗时建立回路，循环清洗两条补酸管线16 h 左右，拆管线检查可彻底清洗干净，自实行此清洗方法后，补稀磷酸管线流量可维持生产1个月左右不受影响。

2.5 改用工艺水配制清洗液

表3 为浓缩用池水配制清洗液熬煮过程数据，从表3 可见，清洗液中K+、Na+含量高，接近达到饱和状态，很难继续上涨。表4 为渣场池水指标，从表4 可见，池水中K+、Na+等杂质含量偏高，导致所配制的清洗液熬煮效果差。

表3 池水配制清洗液熬煮过程数据

表4 2020年3—6月渣场池水指标

为降低初始清洗液中杂质含量，自2020年5月22 日起用工艺水配制洗液，工艺水配制清洗液熬煮过程数据见表5。

表5 工艺水配制清洗液熬煮过程数据

对比表3、表5 数据可以发现，在硫酸浓度、熬煮温度、浓缩绝压等工况相近情况下，工艺水配制洗液初始K+、Na+含量低，升温熬煮过程中含量迅速上涨，垢块溶解速度加快。后期排熬煮液时，可用熬煮液清洗反应闪冷系统结垢管线，最终返回到反应槽分解磷矿浆，回收利用清洗液。

改用工艺水配制清洗液后，熬煮、清理数据和浓磷酸产量见表6。

表6 2020年湿法磷酸浓缩装置用工艺水配制清洗液后的熬煮、清理数据和浓磷酸产量

由表2、表6可知，改用工艺水配制清洗液熬煮后清洗时间缩短，用φ35 mm 枪头清理石墨管可全过，无须二次熬煮，浓磷酸产量也有了提高。

3 结束语

湿法磷酸浓缩系统结垢对生产周期、设备安全运行、装置产能等造成较大影响，通过选择适当型号的枪头清理可避免清破石墨管，增加清洗液量，消除垮垢现象，特别是改用工艺水配制清洗液可缩短浓缩清洗时间，改善清洗效果，经2020年生产实践检验，湿法磷酸浓缩装置运转率达到85.56%，相比2019年提高了3.96百分点。