新建硫酸廠儀表選型及安裝初探

梁 磊 梁 美

(會理縣昆鵬銅業(yè)有限責(zé)任公司1，四川 會理 615141;哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動化學(xué)院2，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

現(xiàn)代生產(chǎn)中，各類檢測儀表遍布整個工藝流程。制酸過程同其他化工生產(chǎn)一樣，生產(chǎn)自動化也是建立在可靠的檢測儀表和完善的控制方案之上的。會理昆鵬銅業(yè)硫酸廠年產(chǎn)32萬t酸，是10萬t陽極銅/年的配套項目，屬煙氣制酸［1］。煙氣制酸介于冶煉與化工行業(yè)之間，因其工藝的特殊性，對現(xiàn)場儀表的要求也有其特點。工藝介質(zhì)為高溫?zé)煔饧皾饬蛩幔x型上需要耐高溫、防腐蝕、抗氧化;主體設(shè)備多為玻璃鋼或帶內(nèi)襯材質(zhì)的塔罐，儀表安裝后更改難度大，應(yīng)綜合考慮各種因素，確定最優(yōu)方案進行安裝。本文將對此項目中儀表選型及安裝時遇到的各類問題，分工序進行探討，并著重分析易疏忽或遺漏的內(nèi)容。

1 硫酸廠生產(chǎn)工藝簡介

昆鵬銅業(yè)硫酸分廠采用銅冶煉煙氣制酸，采用絕熱蒸發(fā)、稀酸洗滌凈化和雙轉(zhuǎn)雙吸工藝。制酸系統(tǒng)凈化工段宜采用絕熱蒸發(fā)、稀酸洗滌凈化技術(shù)［2］，將冶煉煙氣除塵凈化;轉(zhuǎn)化工藝采用兩次轉(zhuǎn)化，煙氣先通過轉(zhuǎn)化器的一、二、三段完成一次轉(zhuǎn)化，再通過四段完成二次轉(zhuǎn)化，并依次流經(jīng) III、I、IV、II換熱器進行換熱，將SO2轉(zhuǎn)化為SO3;干吸工藝采用一級干燥、二級吸收，泵后冷卻串酸流程，將SO3吸收為合格硫酸。轉(zhuǎn)化預(yù)熱系統(tǒng)使用電加熱爐。

污酸處理采用石灰石中和法［3］，將污酸pH中和至6～9，再進行污水處理。污酸處理后的殘渣為石膏，由汽車外運。污水處理采用石灰鐵鹽法，分兩段處理，每段用石灰乳中和酸并投加鐵鹽，將pH調(diào)整至7～9，去除污水中的砷(As)等重金屬離子后排至廢水調(diào)節(jié)池，進行回用水的深度處理。污水處理后的殘渣含有砷，由汽車外運至有害渣場，防止二次污染。

尾氣處理采用氧化鈣/石膏脫硫工藝，以氧化鈣漿液作為脫硫劑。陽極爐煙氣和從二吸塔出來的煙氣混合后進入脫硫塔。在脫硫塔，煙氣與噴淋的氧化鈣的循環(huán)漿液逆流接觸，煙氣中的SO2被溶解、吸收、氧化后，轉(zhuǎn)化為石膏。脫硫后的尾氣經(jīng)尾氣煙囪排空。

2 儀表控制在工藝生產(chǎn)中的應(yīng)用及探討

2.1 凈化工序

冶煉煙氣首先進入凈化工序［4］，依次通過一級動力波、氣體冷卻塔、二級動力波、兩級電除霧器。煙氣在三個塔中進行降溫除塵，去除砷、氟、硒等雜質(zhì)以及部分酸霧，在電除霧器中通過高壓靜電作用除去剩余酸霧。

一級動力波的作用是至關(guān)重要的，250℃左右的煙氣經(jīng)過一級動力波后要降到60℃。在此過程中，若溢流堰噴淋水流量不足或者酸循環(huán)泵跳車，都會導(dǎo)致無法在塔內(nèi)壁形成酸膜，高溫?zé)煔鈺芸鞂⒉Ａт摬馁|(zhì)的動力波融化。因此，以下幾個聯(lián)鎖程序是必須編寫的。

①一級動力波兩臺循環(huán)泵要互為聯(lián)鎖。

②溢流堰處事故水閥要做程控。當(dāng)進入溢流堰的流量值低于設(shè)定值時，或者一級動力波煙氣出口溫度高于設(shè)定值時，閥門自動開啟，由事故水箱快速向溢流堰補水。

③一級動力波事故噴嘴處閥門要做聯(lián)鎖。當(dāng)循環(huán)泵突然跳車或煙氣出口溫度高于設(shè)定值時，閥門自動開啟，由事故水箱快速向噴嘴處補水。

④事故高位水箱內(nèi)的應(yīng)急水必須保持足夠液位，故液位與水箱進水閥門也應(yīng)做程控。

⑤當(dāng)溢流堰閥門、事故噴淋閥全部開啟，但煙氣溫度還持續(xù)升高時，為避免一級動力波塔被高溫?zé)煔鈸p壞，需讓SO2煙氣打回流，即風(fēng)機的回流閥也要參與聯(lián)鎖。若煙氣繼續(xù)升溫，只能讓風(fēng)機聯(lián)鎖跳車，停止接引上游煙氣。

為保證以上程序能正常運行，現(xiàn)場儀表必須有較高的質(zhì)量和精度。在儀表設(shè)計選型及施工中需要注意以下幾點。

① 溢流堰入口電磁流量計［5］的選型及安裝:一級動力波內(nèi)是濃度為3% ～12%的高溫稀酸，腐蝕性強，故電極材質(zhì)至少應(yīng)選用鉭合金，如表1所示。

表1 電極腐蝕性Tab.1 Electrode causticity

選擇合理的型號后，安裝也很重要。溢流堰為環(huán)形管路，且一級動力波上部管道較多，空間小，而且又要避免在閥門、彎頭或者三通接頭后面安裝傳感器(因為此處易形成渦流或者氣泡)。因此，最好將傳感器安裝在豎直的上酸管路，或在傳感器前預(yù)留＞10D、后預(yù)留＞5D的水平直管段，避免安裝在管道的最高點或垂直向下處。溢流堰流量計安裝位置示意圖如圖1所示。

圖1 溢流堰流量計安裝位置示意圖Fig.1 The installation location of overflow weir flow meter

②溢流堰事故水閥的選型:溢流堰事故水閥的作用是保證當(dāng)溢流堰入口酸量不足時，高位水箱立即補水。它的閥板兩側(cè)，一面介質(zhì)為酸、另一面介質(zhì)為水，但設(shè)計時經(jīng)常容易忽略這一點，選型只選擇普通304或316材質(zhì)。該閥門一定要內(nèi)襯氟或鉭材質(zhì)。

③凈化工序壓力變送器的選型及安裝:凈化工序塔罐及管道都處于負壓狀態(tài)，壓力表不易損壞，但要注意，壓力取樣點不能選在管道的正下方。因為在管道內(nèi)的冷凝積酸會順著引壓管進入變送器內(nèi)，造成測量不準(zhǔn)，甚至損壞儀表。煙氣制酸的工藝特性決定凈化工序，尤其是一級動力波內(nèi)氟含量較高，必須采取適當(dāng)?shù)拇胧缤都铀ＡУ热コ驗闅浞釙g管道上的隔膜壓力變送器。

2.2 轉(zhuǎn)化工序

轉(zhuǎn)化工序［6－7］主要是升溫轉(zhuǎn)化，將 SO2轉(zhuǎn)化為SO3。該工序中主要包括轉(zhuǎn)化器、換熱器、電加熱爐和SO3冷卻器等設(shè)備。

在轉(zhuǎn)化工序中，溫度控制是重點，因此熱電偶的選型很關(guān)鍵。轉(zhuǎn)化觸媒的最高溫度可達600℃，溫度高，腐蝕性大，故應(yīng)選擇鎧裝絕緣型熱電偶。同時，盡量采用平焊法蘭固定的安裝方式，法蘭與鎧裝套管處應(yīng)滿焊，不可采用螺紋連接頭方式。這是因為高溫SO3氣體若沿縫隙漏出后，吸收空氣中的水分，形成硫酸，會繼續(xù)腐蝕法蘭盤及套管，造成更嚴(yán)重的泄漏。

當(dāng)SO3氣體高于設(shè)定值時，冷卻風(fēng)機自動開啟進行降溫。很多設(shè)計人員將此程序?qū)懗砷_關(guān)量控制，即高于上限開、低于下限停，這對電機損害較大，且溫度范圍寬泛。在工藝穩(wěn)定的條件下，建議加裝變頻器，采用PID調(diào)節(jié)方式，這樣能達到最優(yōu)的調(diào)節(jié)目的，延長使用壽命。

制酸用SO2風(fēng)機多為進口大功率風(fēng)機。綜合考慮風(fēng)機出口處的氣體成分、溫度波動不大、管道直徑大及設(shè)計流量大等因素，建議在風(fēng)機出口處選用熱式質(zhì)量流量計。昆鵬銅業(yè)硫酸分廠采用的是FCI ST98熱式流量計。

安裝熱式流量計時應(yīng)注意:為安全考慮，要求220 V電源采用三線制，其中一根接地線必須接到變送器端子排的接地端;大型風(fēng)機多為同步電機，裝有勵磁裝置，而熱式流量計對高頻噪聲干擾特別敏感，因此輸出信號必須采用屏蔽電纜，屏蔽層在變送器一端接地，PLC柜端包裹保護，最好再加裝信號隔離器。

轉(zhuǎn)化器各層都設(shè)有冷敷線，用于調(diào)節(jié)溫度。建議設(shè)計時閥門都用電動調(diào)節(jié)閥，以便能靈活地進行微調(diào)，或采用PID，全部設(shè)為自控。冷敷線管道一般都較高，溫度高易使閥門變形或被酸泥卡死，采用電動閥門可減少維護量。

轉(zhuǎn)化工序還安裝了大量壓力變送器，以測量各塔或管道內(nèi)的壓力。對此一定要保證取樣點和引壓管上各個閥門的密封性，并定期檢查更換四氟膠帶，以避免泄漏。

2.3 干吸工序

從凈化工序來的煙氣在干燥塔內(nèi)用93%的硫酸吸收水分后，送往轉(zhuǎn)化工序，經(jīng)兩次轉(zhuǎn)化后分別由一吸塔、二吸塔用98%的硫酸吸收，制取工業(yè)硫酸。

干吸工序［8］是出硫酸成品的工序，酸濃度計是至關(guān)重要的儀表。它的優(yōu)劣直接影響操作人員的工作量和產(chǎn)品的合格率。選用時要注意以下幾點。

①選型時應(yīng)注意，不同的硫酸選用的濃度計是不同的。如發(fā)煙酸酸濃度計，測量98%的酸是沒有參考性的。

②酸濃度計有不同的適用溫度，針對不同工況的溫度范圍，要選擇合理的濃度計。

③取樣罐要設(shè)計得盡可能小，而且酸最好是下進上出，以保證酸的流動性，以及人工取樣與儀表分析樣的一致性。

只有酸濃度計測量精準(zhǔn)，串酸調(diào)節(jié)閥才能用PID調(diào)節(jié)并投入自動運行。串酸時，液位系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)先設(shè)定經(jīng)驗值:P∈20% ～80%、I∈［1，5］、D=1，然后逐步調(diào)試，直到調(diào)至合適的參數(shù)值［9］。但實際調(diào)試時會發(fā)現(xiàn)，在閉環(huán)控制中，現(xiàn)場的各種干擾因素很容易造成超調(diào)。對此，可以在程序中設(shè)定好閥門最大開度，如自動運行時，二吸循環(huán)槽自動補水閥門最大只能開50%，可有效避免超調(diào)或滯后現(xiàn)象。

循環(huán)槽除安裝有雷達液位計外，一般還裝有翻板浮筒液位計，用來現(xiàn)場指示，方便操作人員操作。浮筒一般都選用316 L材質(zhì)，耐酸等級符合要求，但浮筒還是經(jīng)常遭腐蝕或脫落。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，循環(huán)槽內(nèi)的濃酸泵運行、液位低加水、各泵槽串酸時，都會對浮筒造成沖擊，而浮筒一般都是焊接成型，若高溫酸經(jīng)常沖擊，易在焊縫處破損腐蝕。建議采購翻板液位計時要求浮筒車削加工。

陽極保護酸冷卻器也要關(guān)注，與其配套的恒電位儀盡量不要安裝在干吸現(xiàn)場或平臺下面，以避免檢修或滲漏酸的損害，安裝時參比電極電纜長度一般不能超過150 m。對于冷卻器的冷卻水管，盡量使上水管段或水平管段間有足夠長度來安裝流量開關(guān)。

2.4 尾氣脫硫工序及污酸污水處理

尾氣脫硫［10］和污酸污水處理［11］這兩個工序中使用最多的儀表設(shè)備是雷達或超聲波液位計，兩個工序的塔罐設(shè)備多為玻璃鋼材質(zhì)。雷達波極易穿透塔壁，造成測量不準(zhǔn)確，安裝時一定要選擇合理的位置。不能把傳感器安裝在塔罐中心，最好安裝在距罐壁1/6直徑處;避免在進料口測量;同一個罐不能安裝兩個雷達液位計，以免干擾;在信號波束角內(nèi)禁止安裝溫度計、攪拌管等任何附屬設(shè)備，特別是對稱裝置(如圖2中1、2所示)。如果條件允許，最好使用導(dǎo)波管，以減少外界因素的影響。

圖2 雷達液位計安裝位置示意圖Fig.2 The installation location of radar level gauge

pH計和氧化還原電位計也是常用的檢測儀表，需要注意日常維護保養(yǎng)，并用標(biāo)準(zhǔn)液定期校驗。安裝時，盡量不要安裝在塔罐的中下部，因為正常生產(chǎn)時，幾乎無法拔出探頭進行調(diào)校;校驗或停產(chǎn)時，應(yīng)保證探頭浸沒在液體中，因為探頭長時間脫水就會損壞。

在尾氣脫硫工序中，SO2分析儀用來檢測最終排放氣體中硫的含量。選型時要注意不同的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和量程范圍。有的地方環(huán)保部門對排放尾氣的控制較嚴(yán)格，一般會指定分析儀的精度等級以及數(shù)據(jù)單位等，因此采購前最好咨詢當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門。下面給出SO2氣體濃度不同單位的換算關(guān)系，以供參考。

式中:X為污染物以每標(biāo)立方米的毫克數(shù)表示的濃度值;C為污染物以10－6表示的濃度值;M為污染物的分子量。

3 結(jié)束語

儀表是生產(chǎn)的感知器官，它將現(xiàn)場情況及時送至大腦即控制系統(tǒng)，以便做出正確的動作。歸根結(jié)底，儀表是為工藝服務(wù)的。現(xiàn)場儀表測量越精確，反饋越及時，控制系統(tǒng)運算越迅速，工藝生產(chǎn)也會越順利。細節(jié)決定結(jié)果，優(yōu)質(zhì)的選型設(shè)計以及規(guī)范的安裝是自動化系統(tǒng)運行成功的保證，也是工藝順暢的前提。

尤其對煙氣制酸系統(tǒng)，合理的儀表選型和安裝，不僅是制酸工藝通暢的前提，對整個冶煉大系統(tǒng)也是必要的保險。它使制酸系統(tǒng)能更及時、準(zhǔn)確、有效地平衡冶煉煙氣，保證下游生產(chǎn)穩(wěn)定，并對上游煙氣有更好的預(yù)見性操作和容納吸收能力，使制酸、冶煉獲得雙贏。

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