钾是植物生长所必需的三大元素之一。硫酸钾(SOP)主要用于烟草、甜菜、甘蔗、马铃薯、葡萄、西瓜、菠萝、茶叶等喜钾忌氯作物，其不但能提高农作物产量，而且还能提高农作物质量，如提高烟草的可燃性，提高葡萄、西瓜的糖度，提高薯类的淀粉含量等，在干旱地区施用硫酸钾还能避免作物对有害氯化物的积累，保持稳定高产^[1-3]。

曼海姆法是农用SOP的主要生产方法，以氯化钾(MOP)和工业浓硫酸(SA)为原料，在反应炉中通过高温反应(500~600 ℃)，直接生成SOP并释放出氯化氢(HCl)气体，SOP经冷却、粉碎并添加石粉后即可得到成品。HCl气体经冷却、净化、水吸收得到质量分数31.0%的工业盐酸。曼海姆法除了工艺成熟、能耗低、产品质量好之外，还可以得到副产品工业盐酸^[4-5]。为了进一步提高曼海姆装置的使用寿命和可操作性，针对装置存在的不足，本文对曼海姆法的工艺和设备布置等进行了优化。

曼海姆反应炉的搅拌推料系统主要由电动机、减速机、主轴、耙臂以及耙齿等组成(见图 1)，原设计通过皮带轮、减速机、大小齿轮等，最终将搅拌速率控制在1.1 r/min，一旦整个搅拌推料系统减速比确定后，反应炉的搅拌速率将被固定。反应炉耙臂上的耙齿砖呈螺旋状布置，一方面主轴带动耙臂及耙齿能起到搅拌的作用，使MOP与SA充分接触，增加物料的接触面积，加快热传递，以促进反应能快速高效地进行; 另一方面由于耙齿的螺旋布置，主轴带动耙臂及耙齿还起到推料的作用，将反应物料由反应炉中心逐渐推至出料口，整个反应进行4.0~4.5 h。

图 1

曼海姆反应炉传动示意

原料粒度、物料配比、反应温度、反应压力、搅拌速率、停留时间等都会影响化学反应的进行。如果选用固定减速比，将造成搅拌推料系统的速率不可调，即不能控制搅拌的速率和停留时间。当原料的粒度等发生变化时，操作人员就无法根据原料特性来选择合适的停留时间。原料粒度越大，SA扩散至MOP颗粒内部的时间就越长，即反应需要更长的时间或在反应炉中停留更长的时间。如果停留时间固定，操作人员只能通过调节温度、降低负荷或增加SA用量等方法，来保证反应能够较好地完成，以得到合格的产品。

此外，司炉工每隔一段时间就要对耙齿等部位进行清理打疤，打疤时需要暂时关闭主电动机，以保护反应炉和操作人员，防止在打疤过程中运转的耙臂与打疤工具相碰产生危害。但是，长时间停炉会造成反应炉内物料变硬结块，再次启动时有可能会损坏耙臂或主轴。

为了解决以上问题，项目选用变频电机，增加变频器，仍采用皮带轮、减速机、大小齿轮等控制减速，使主轴的转速控制在1.4 r/min，操作人员可根据原料特性、温度等，通过增大或减小变频器频率, 将推料系统的转速控制在1.0~1.2 r/min，通过改变物料在反应炉内的停留时间，获得最佳反应效果。增设变频装置后，司炉工打疤时可通过减小变频速率，降低耙臂的转速来增加打疤时间，而不必停主电动机。项目实施13个月以来，产品的合格率从89%提升至95%，同时也大大减轻了司炉工的工作强度，提高了反应炉的可操作性。

曼海姆法产生的HCl气体从反应炉尾部的卤化氢气体箱通过管道与石墨换热器相连，由风机将HCl气体引至吸收系统。尽管HCl气体出口箱能够起到一定的沉降作用，但是仍会有一部分反应室内的粉尘进入反应炉与石墨换热器之间的管道，随着运行时间的延长，粉尘在管道内积累会堵塞管道，增加尾气风机的负荷，进而破坏反应炉内的负压，造成打疤时HCl气体外泄。为了防止堵塞，司炉工要定期清理该部分管道。由于该部分管道温度较高，清理比较困难，因此在反应炉与石墨换热器之间增加旋风分离器(见图 2)，司炉工只需定期打开旋风分离器的卸料阀，就可随时清理该部分管道，既减轻了司炉工的工作量，又可以保持系统尾气风机稳定运行，减少反应炉内HCl气体的外泄。

图 2

增设旋风分离器前后的对比

SA作为反应原料从反应炉顶部通过插入到炉内的硫酸下料管进入炉内的硫酸分布器，再由硫酸分布器将硫酸投送到固定的位置与MOP混合。反应炉内反应室的平均温度为550 ℃，室温的SA进入高温的炉内部，由于温差太大，大大缩短了硫酸下料管的使用寿命，平均每40 d就需要更换一次。为了延长硫酸下料管的使用寿命，将原来的单管改为带夹套的夹套管，用鼓风机引来的空气作为冷却媒介对硫酸下料管进行冷却，控制SA沿下料管进入反应炉时的温度在150 ℃左右，大大降低了SA在低温环境下对硫酸下料管的腐蚀速率。硫酸下料管改用带夹套的结构后，其使用寿命延长至8个月，降低了装置的运行成本。

MOP加入量的精确控制能够提高产品的质量和反应炉的可操作性。项目在MOP中间料仓下方(见图 3a)和MOP进料螺旋之间增设了皮带计量秤，该皮带计量秤可以精确控制MOP的加入量，皮带秤的引入提高了反应炉的可操作性。但由于打疤或者误操作造成炉区HCl气体外泄，酸性气体会腐蚀皮带秤的传感器，经常出现数据不准的情况，导致产品质量不稳定; 使用一段时间后，皮带秤就需调校，甚至更换称重传感器。为了解决上述问题，对原设计进行了改造。原设计MOP中间料仓和皮带秤都在反应炉的正上方，此区域酸性气体的含量较高，气体发生泄漏的概率较大，易造成皮带秤敏感元件腐蚀。将MOP料仓移到反应炉的侧面(见图 3b)，料仓和皮带秤远离腐蚀性气体，通过增设隔挡的方式，有效降低了酸性气体对皮带秤中敏感元件的腐蚀，皮带秤可以长期无故障地工作，大大延长了皮带秤的使用寿命，彻底解决了皮带秤高故障率的问题。改造后皮带秤已使用13个月，未发生重力传感器腐蚀的情况，大大节省了项目的运行成本，同时也提高了SOP生产装置的稳定性。

图 3

优化前后MOP给料系统对比

在SOP生产过程中，不可避免地会产生粉尘，为了有效降低粉尘含量，减轻粉尘污染，项目配置2台反吹袋式除尘器，对成品斗提机、振动筛、粉碎机进行收尘，布置图如图 4所示。2台除尘器支撑在二层楼面上，除尘器出口气体含尘质量浓度低于100 mg/m³。除尘器收集的粉尘通过星形卸料阀经由遛管返回成品输送皮带机，再经过成品斗提机和振动筛进入成品料仓。由于SOP粒度较细且有一定的黏度，因此容易造成遛管堵塞，需要定期清理维护遛管。另外，除尘器收集的粉尘返回成品皮带输送机，然后进入成品斗提机和振动筛，会再次形成粉尘，增大了除尘器的负荷，影响除尘效果。粒度越细的粉尘越容易附着在振动筛的筛网上，造成振动筛堵塞，影响生产，因此对除尘器的布置进行了调整(见图 4b)，除尘器被支撑到了四层楼面，位于SOP成品料仓的正上方，除尘器收集的粉尘通过垂直遛管直接输送至成品料仓，这样不仅避免了除尘器下料管的堵塞，还可以避免二次扬尘，减轻成品斗提机和振动筛的负荷，避免振动筛因细粉过多而发生堵塞。除尘器位置调整后，在实际运行过程中未发现下料管堵塞，且除尘器附近的空气含尘量明显下降，优化了操作环境。

图 4

调整前后除尘系统对比

(1) 通过对曼海姆反应炉的主减速机电动机增设变频器，实现了对反应物料停留时间的控制，极大地提高了反应炉的可操作性，产品的合格率由89%提高至95%。

(2) 通过增设空冷夹套管，延长了硫酸下料管的使用寿命，减少了反应炉停料的次数，下料管的更换时间由40 d更换一次，延长至8个月更换一次。

(3) 通过增设旋风分离器，解决了HCl气体出口管道易堵及不易清理的问题。

(4) 通过调整MOP料仓位置，解决了皮带秤寿命过短、不稳定的问题。

(5) 通过调整除尘器位置，解决了除尘器卸灰口易堵的问题，有效降低了除尘器附近空气中的含尘量。