基于“智能、綠色、服務”轉型升級的陽極保護濃硫酸設備

鄭建國， 王興忠， 陳曙彤， 石德龍， 莫春萍， 史立軍

(天華化工機械及自動化研究設計院有限公司, 甘肅蘭州 730060)

基于“智能、綠色、服務”轉型升級的陽極保護濃硫酸設備

鄭建國， 王興忠， 陳曙彤， 石德龍， 莫春萍， 史立軍

(天華化工機械及自動化研究設計院有限公司, 甘肅蘭州 730060)

在硫酸工業智能制造和綠色生產轉型升級進程中，天華化工機械及自動化研究設計院有限公司對陽極保護濃硫酸設備進行全面升級改造，綜合運用物聯網信息技術、傳感技術、軟件技術，大力發展生產性服務業，實現陽極保護濃硫酸設備的智能化和智能管理，提升陽極保護濃硫酸設備的環保性能；使陽極保護濃硫酸設備全面融入硫酸工業轉型升級進程，促進了硫酸工業發展進步。

硫酸生產 陽極保護技術 設備 智能管理 改造 應用

20世紀80年代天華化工機械及自動化研究設計院有限公司(以下簡稱天華院)自主研發了陽極保護濃硫酸冷卻器(簡稱“陽極保護酸冷卻器”)，打破國外技術壟斷，成功替代了價格昂貴的進口產品，并以其占地小、無污染、易維護等特點淘汰了落后的鑄鐵排管冷卻器，使得硫酸生產干吸流程變得綠色清潔、高效、安全，綜合效益明顯，很快被廣大硫酸企業接受，得到了迅速普及。20世紀90年代中天華院逐步將陽極保護技術推廣應用，又相繼研發了陽極保護濃硫酸分酸器、陽極保護濃硫酸管道、陽極保護濃硫酸槽。產品覆蓋了整個干吸工序，完全解決了濃硫酸腐蝕問題，極大地促進了我國硫酸工業的發展。

30年來，硫酸工業技術進步蓬勃發展，生產規模向大型化、生產工藝向高溫化發展。天華院司陽極保護濃硫酸設備與時俱進、改進創新，從創新設計、優化設計、新型耐腐蝕材料開發與應用等方面提升陽極保護設備的綜合效能，使其向高端設備發展。

《中國制造2025》的提出，“智能制造、綠色制造”等全新生產方式及管理理念深刻影響和改變了化工行業的發展路徑。硫酸工業等傳統制造業在產能過剩、供給側改革的大環境下迎來了新的機遇，生產流程的“智能制造”和“綠色生產”是節能減排、精益生產的有效手段，是轉型升級的必然選擇。天華院作為陽極保護濃硫酸設備(簡稱“陽極保護設備”)的供應商，在行業轉型升級過程中，以“智能制造、綠色生產”理念為向導，發展創新智能化的、綠色無污染的陽極保護設備；并努力發展生產性服務業，為陽極保護設備運行全過程提供專業的技術保障，見圖1。

圖1 陽極保護工作成果

1 陽極保護設備簡介

1.1 陽極保護技術原理[1]

向浸在電解質溶液中的金屬電極施加正向直流電，金屬的電極電位會升高，這種現象稱作陽極極化。具有鈍化性傾向的金屬在進行陽極極化時，如果電流達到足夠的數值，在金屬表面上能夠生成一層具有很高耐蝕性能的鈍化膜而使電流減少，金屬呈鈍化狀態。持續給金屬施加較小的電流，就可以維持這種鈍態，從而減緩金屬的腐蝕。這就是陽極保護的基本原理。典型的鈍性金屬陽極極化曲線見圖2。

圖2 典型的鈍性金屬陽極極化曲線

圖2中表現出四個特性區域：

1) AB段(活化區)：在A點，外加電流為0，金屬處于自腐蝕狀態，自腐蝕電位為EA；當通以陽極電流時，其電流密度隨電位的升高而增加；金屬表面持續失去電子，處于活化溶解狀態，其電極反應如下：Me→Men++ne；

2) BC段(過渡區)：電位升過B 點后外加電流密度迅速下降，到C點降到最小值，金屬表面進入鈍化狀態。BC區金屬表面處于活化/鈍化不穩定狀態，故將此區域叫做過渡區。

3) CD段(鈍化區)：從C點到D點，電位變化時外加陽極電流密度變化很小，金屬表面形成穩定的氧化物鈍化膜，使金屬腐蝕極大的減弱，故將此區域叫做鈍化區。電極反應如下：3H2O+2Me→Me2O3+6H++6e；

4) DE段(過鈍化區)：金屬的電位會升高至DE區，金屬表面產生了新的電極反應，鈍化膜轉化成高價化合物而受到破壞，金屬腐蝕重新加劇，故將此區域叫做過鈍化區。電極反應如下：Me2O3+4H2O→Me2O72-+8H++6e；

陽極保護濃硫酸設備是將與濃硫酸接觸的設備全部表面作為陽極(接整流電源正極)，另外設置一根或數根陰極(接整流電源負極)，通過濃硫酸形成電流回路。向設備施加一定的陽極電流，使其產生陽極極化，較迅速地進入鈍化區并維持其電位在這個區域，依靠在鈍化區形成的鈍化膜減緩濃硫酸對設備的腐蝕。

1.2 陽極保護設備的構成

以陽極保護酸冷器為例，陽極保護設備的系統構成見圖3，陽極保護設備由設備本體和恒電位儀兩個主要部分構成。

圖3 陽極保護設備的系統構成

設備本體包括陽極、陰極、參比電極(分為控參和監參)。陽極(即與濃硫酸接觸的不銹鋼)是被保護對象；陰極起導通電流的作用，與陽極構成電流回路；參比電極用以讀取陽極的電位變化。

恒電位儀是微電腦智能型電位控制儀器，功用是自動地調節輸出電流使陽極電位恒定在保護電位上，在恒定電位的過程中同時控制輸出電流在規定范圍以內；并具有參數調節、故障報警、自動/手動切換、Modbus數字通訊等功能。

1.3 陽極保護系統控制原理[2]

就陽極保護設備而言，設備運行的好壞由陽極保護運行狀態(即給定電位值、控參電極電位(控參)、監參電極電位(監參)、電流、電壓)以及工藝參數等決定，工藝參數主要由現場的工況決定。陽極保護控制原理見圖4。

圖4 陽極保護控制原理

給定電位值是人為給定的一個參數，即根據陽極保護設備的需要進行設定，將其設定在設備穩定運行所需電位的范圍之內，一般設定在+250 mV左右。陽極保護的目標就是通過調節電流，使得控參與給定值保持相等，而電流的變化取決于現場的工藝條件。監參是設備的另一個觀測點，不參與控制，只是監測設備另一端的電位，此值需在保護范圍內，一般在-100 mV到+600 mV。

2 陽極保護設備的智能制造

陽極保護系統的運行情況與生產裝置的工藝情況息息相關，因工藝波動引起的陽極保護系統操作較多，提升陽極保護設備的智能化水平有助于減少人工干預操作、提升對設備的全面感知能力和預警能力，對提高生產過程的柔性和連續性意義重大。為此該公司共開發了三套智能化系統，即陽極保護遠程監控與預警系統、“DCS系統參數”遠程監測系統和陽極保護設備故障診斷系統。

2.1 陽極保護遠程監控與預警系統

基于物聯網技術搭建“陽極保護遠程監控與預警系統”，實施遠程實時監控設備運行參數。該系統是利用物聯網技術對遠端陽極保護設備進行監控，并完成對陽極保護運行狀態評估、隱患預警等功能的智能化系統；其是將傳統的監控、預警技術與計算機網絡技術、現代通信技術相結合的一種新型設備管理系統。該系統具有以下功能：① 遠程實時監控、報警(手機短信報警和終端報警)；② 遠程故障診斷、處理；③ 遠程在線維護、調試；④ 數據集成分析、共享共用；⑤ 可追溯管理。

在“陽極保護遠程監控與預警系統”中物聯網適配器起到數據傳輸中樞的作用，陽極保護信號的遠程傳送以及遠端控制指令的接收均由該裝置完成，其主要由信號收發及協議轉化裝置、無線網絡收發裝置組成。圖5以陽極保護信號傳輸(監測、控制)過程說明了其功能。

圖5 陽極保護信號傳輸(監測、控制)過程

如圖5所示，陽極保護信號(參數)首先被傳送至物聯網適配器進行通訊協議格式轉換，然后傳送至陽極保護監控中心；同時，物聯網適配器判定陽極保護參數正常與否，若異常則通過手機短信報警；其次，監控中心對陽極保護參數進行最終分析、處理，實現遠程故障診斷、維護、管理等，從而完成遠程監測過程。相反，監控中心或監控終端也可對恒電位儀的控制參數進行遠程修改，修改后的控制參數傳送給物聯網適配器進行通訊協議格式轉換，并傳送給指定的恒電位儀，進而完成遠程控制過程。

2.2 “DCS系統參數”遠程監測系統

“DCS系統參數”遠程監測系統是由天華院根據用戶需求開發的一套基于物聯網技術實現對企業生產DCS系統工藝參數進行遠程監測的管理系統。該系統具有對硫酸企業生產的工藝參數實時監測的功能，使硫酸企業生產現場的工作人員及設備制造廠家工程師在任何地方使用手機端或電腦端通過網絡實時監測設備運行情況。為硫酸生產過程中及時的發現問題，解決問題提供了可靠地保證，提高了硫酸生產的連續性、安全性。“DCS系統參數”遠程監測系統通訊見圖6。

圖6 “DCS系統參數”遠程監測系統通訊

2.3 陽極保護設備故障診斷系統

2.3.1 診斷系統介紹

基于前文所述陽極保護控制原理，采用asp語言和故障樹技術開發了陽極保護設備故障診斷系統。系統的整體框架主要由故障查詢模塊、數據診斷模塊、瀏覽模塊三部分組成，見圖7。

圖7 陽極保護設備故障診斷系統框架

1) 故障查詢模塊主要功能：用戶手動向系統輸入故障現象，系統進行模糊搜索，從數據庫中找出于之匹配的故障原因，用戶可以逐級匹配查看，粗略的進行故障排除；

2) 數據診斷模塊主要功能：遠程監測參數傳輸(或手動輸入設備運行參數)到診斷系統中，計算機綜合運用各種規則，將輸入數據與數據庫信息進行匹配、判斷，確定故障類型，快速地找到最終故障或最有可能的故障，再由用戶來逐一排查，最終解決故

障問題；

3) 瀏覽模塊主要功能：向用戶展現設備出現故障的各種類型，以及相應的解決方法，供用戶隨時查看、了解設備的基本特性，以及了解設備的故障類型及相應的解決措施。

2.3.2 故障診斷系統診斷流程

基于故障樹分析技術，畫出相應的故障樹圖。可以獲取故障產生的根本原因，從而清晰的判斷故障類型，再依據不同的故障類型，畫出故障檢修流程圖，最終排除設備故障。這就是陽極保護故障診斷系統最核心的內容。

下面以陽極保護設備電流出現異常為例，通過故障樹技術分析、找出可能的故障類型，見圖8；同時，表1給出了故障原因及相應的解決措施，圖9給出了表1(Ⅰ)故障檢修步驟。

圖8 陽極保護設備電流異常故障樹

3 陽極保護設備的綠色生產

3.1 陽極保護酸冷卻器的綠色生產

陽極保護酸冷卻器替代傳統鑄鐵排管冷卻器的過程即是一種綠色生產的過程：鑄鐵排管冷卻器采用水噴淋冷卻方式，換熱效率低占地面積大、冷卻水蒸發量大、且經常發生腐蝕泄漏事故污染水體，甚至危及人身安全。陽極保護酸冷器是一種列管式換熱器，傳熱效率高占地小、耐蝕性好、冷卻水循環利用，生產過程綠色高效。

3.2 陽極保護酸冷卻器漏酸報警裝置

3.2.1 漏酸報警原理

陽極保護酸冷卻器在使用過程中不可避免地發生漏酸事故，漏酸過程特點是：濃硫酸浸入循環水稀釋放熱形成高溫稀硫酸，高溫稀酸腐蝕性極強，會短時間造成泄漏點擴大并嚴重腐蝕設備；另一方面會大面積污染數萬乃至數十萬噸循環水，產生大量酸性水中和、外排難題。可見，若能在漏酸事故發生的第一時間進行準確報警并處理可將漏酸事故的損失降至最低，既可避免酸冷卻器損壞擴大、設備短時間可修復，又可減少水體污染。

針對酸冷卻器漏酸可能發生的漏酸情況，當前生產企業通常采用pH計或電導率儀監測循環水，但pH計前端為附有水合凝膠層的玻璃膜球泡，易被工業循環水污染失效，產生報警延時或不報警等問題；由于循環水蒸發或循環水中添加阻垢劑，引起水電導率升高，電導率儀易發生誤報警。

鑒于上述原因，天華院開發了基于“表面膜化學反應”原理的漏酸報警傳感器。傳感器采用對OH-和H+敏感的特種材料制作。當處于不同pH值的溶液中，以高頻交變電擾動其表面，擾動下金屬表面與OH-和H+產生不同的化學反應，不同的化學反應產生差異較大的表面膜狀態；反饋信號可準確表征金屬表面膜狀態，信號值k與pH值的對應關系見圖10。

表1 陽極保護設備故障原因及相應的解決措施

圖9 故障類型為大電流時，檢修步驟

從圖中可以看出，pH值在5～8時信號值比較平穩，當pH值<4時，信號值跳躍式增長，可見此特種金屬對pH值反應敏感，將E3設置為報警限值，當信號值超過E3時即在漏酸報警裝置上聲光報警。

3.2.2 漏酸報警裝置的應用

實際應用中，漏酸報警傳感器標配安裝于冷卻器的出水口。若發生漏酸，酸隨水流至水出口位置，傳感器即發生報警，報警非常及時；并且該報警傳感器通用性強，即便在水質較差的環境(表面粘附水垢、污物)也不會被污染失效；可靠、靈敏、及時的特性使其在工況條件下的漏酸監測中遠優于pH計或電導率儀。

圖10 信號值k與pH值的對應關系

漏酸報警裝置配置了標準RS-485串行接口，采用Modbus通訊協議，漏酸監測數值可方便的上傳至上層DCS系統，實現生產現場和中控室同時報警；讀取漏酸監測值還可達成與循環水泵、循環酸泵的智能協同，條件允許的情況下，系統自主關閉循環泵，避免漏酸損壞和漏酸污染進一步擴大。

3.3 陽極保護分酸器的環保性能升級

硫酸工業發展進程中，環保問題占據越來越重要的地位。GB 26132—2010《硫酸工業污染物排放標準》將二氧化硫排放限值由960 mg/m3大幅降低至400 mg/m3。這對硫酸生產裝置提出了更高的環保要求，提高干吸塔的吸收能力可顯著降低尾氣中二氧化硫的濃度。硫酸生產系統使用的干吸塔均為填料塔, 其性能的優劣既取決于填料本身的性能，也取決于分酸器的性能。分酸器的性能直接影響著硫酸的均勻分布, 影響到氣體的分布、填料的有效潤濕面積和傳質效率, 最終影響整個塔的吸收率。

2006年前，硫酸生產裝置干吸塔普遍采用鑄鐵材質的管式分酸器。管式分酸器的分酸方式為帶壓噴淋，上塔酸管路阻力加大，酸泵功率消耗高；管式分酸器分酸點密度低(20個/m2)，易存在分酸死區；噴酸口易發生堵塞或沖刷腐蝕，噴酸口腐蝕后分酸均勻性變差。

天華院開發的陽極保護槽管式分酸器分酸方式為二級靜壓分酸，從分酸主管到分酸支管為第一級分酸，分酸槽到各降液管為第二級分酸，第二級分酸利用分酸槽內的平衡液位進行靜壓分酸。陽極保護分酸器分酸點(降液管出酸口)在塔圓周截面呈均勻性布置, 減小了壁流效應，且分酸點密度高(≥40個/ m2)。

在陽極保護分酸器應用過程中，逐步對其創新

改進，如① 采用Fluent軟件對第一級分酸進行模擬，優化設計后各分酸支管硫酸流速均勻，阻力降減小；② 各分酸槽之間設置連通槽，使得分酸槽內液面一致、平穩，這兩項改進大大改善了整個塔截面硫酸的分布。另外，創新降液管結構，設計為“溢流槽”結構，此結構解決了降液管堵塞問題，并增加了生產操作彈性(分酸槽液位可調節范圍100 mm，上塔酸量±20%調節)。

陽極保護分酸器的使用大大提高了干吸塔的吸收率，經濟效益與環境效益明顯：① 可減小塔徑、降低塔高、降低塔填料高度, 相應減少干吸塔的投資；② 減少了煙氣酸沫夾帶、避免后續設備腐蝕；③ 有效降低尾氣對大氣環境的污染，促進了硫酸的綠色生產。

4 結語

以“智能制造、綠色生產”理念為導向，對陽極保護設備進行的創新升級，賦以陽極保護設備“智能、綠色、服務”的新內涵，提高了陽極保護設備的競爭能力和附加值。

1) 借助物聯網信息技術開發的遠程監控系統顯著提高了陽極保護設備的智能化管理和智能化決策水平。

2) “陽極保護設備故障診斷系統”實現了陽極保護設備故障智能排查、智能反饋。

3) “陽極保護酸冷器漏酸報警裝置”及“陽極保護分酸器的環保性能升級”降低了硫酸生產過程的環境污染，促進了硫酸工業的綠色升級。

4) “陽極保護”微信公眾號切實為硫酸生產提供了陽極保護相關的專業性技術服務，為硫酸生產過程提供了技術支撐[2]。

陽極保護設備的“智能、綠色、服務”轉型升級協同于硫酸工業的轉型升級，為其他設備的轉型升級提供了借鑒意義。

[1] 鄭建國，王興忠，鄭偉偉，等.基于物聯網和故障樹技術的陽極保護遠程系統介紹[J].硫酸工業，2013(2)：32-35.

[2] 鄭建國，李建華，王興忠，等.陽極保護微信公眾平臺的搭建及應用[J].硫酸工業，2015(5)：66-70.

Anodeprotectionofconcentratedsulphuricacidequipmentbasedonsmart,green,servicetransformationandupgrading

ZHENGJianguo,WANGXingzhong,CHENShutong,SHIDelong,MOChunping,SHILijun

(Tianhua Institute of Chemical Machinery & Automation Co., Ltd., Lanzhou, Gansu, 730060, China)

Intelligent manufacturing and green manufacturing are the key to the transformation and upgrading of sulphuric acid industry. The company made a complete revamping of the anode protection concentrated sulphuric acid equipment. Integrated use of Internet of Things information technology, sensor technology, software technology promoted productive services, achieving anodically protected concentrated sulphuric acid plant intelligent and intelligent management, enhancing environmental protection performance of concentrated sulphuric acid equipment for anode protection. Anode protection of concentrated sulphuric acid equipment has been fully integrated into the sulphuric acid industrial restructuring and upgrading process, promoting the development of sulphuric acid industry.

sulphuric acid production; anodic protection technology; equipment; intelligent management； transformation; application

2017-08-28。

鄭建國，男，天華化工機械及自動化研究設計院有限公司教授級高級工程師，主要從事化工機械及自動化研究設計工作。電話：13909461164；E-mail：dianhuaxue@126.com。

TQ111.16;TQ051.5

B

1002-1507(2017)11-0048-06