反吹法解決硫酸裝置儀表露點腐蝕的探討

張一曉，曹紅艷，賈玉明

（中海油石化工程有限公司，山東青島266101）

硫酸裝置采用濕法制酸WSA工藝[1]，主要包含酸性氣燃燒、NOx去除、SO2氧化、氣態(tài)硫酸冷凝、尾氣處理等五個階段。制酸主要反應為

由式（1）～（3）可以看出，過程氣（燃燒爐出口至WSA冷凝器入口之間的工藝介質的統(tǒng)稱）中的SO3和水蒸氣結合生成硫酸蒸氣，硫酸蒸氣冷凝成硫酸液體所需要的最高溫度稱為露點溫度。當管道或設備內壁溫度低于硫酸的露點溫度時，就會產生露點腐蝕。露點溫度與SO3和水蒸氣的體積分數(shù)有關，該體積分數(shù)值越高，露點溫度越高，特別是在SO2轉化器三段出口處，SO3的體積流量可達900 m3/h，對應的露點溫度可達260℃。剛凝結出的高溫冷凝酸對鋼材具有極強的腐蝕性[2]，腐蝕產物如金屬硫酸鹽容易造成管線的堵塞。因此，過程氣壓力（差壓）測量如果采用普通取壓管嘴、引壓管線或法蘭取壓方案，都會在引壓管或法蘭端面產生露點腐蝕問題。采用反吹法測量過程氣的壓力是一種簡便有效的方法。

反吹法是指通過吹掃管線向測量引壓點通入一定量的穩(wěn)壓氣體，一方面隔離過程測量介質與儀表的接觸，另一方面使儀表測量壓力與過程介質壓力相同的方法。反吹法適用于黏稠、易結晶、含油固體顆粒或強腐蝕性等介質[3-4]，廣泛應用于催化裂化[5]、硫磺回收[6]、硫酸等石油化工裝置。

本文主要介紹硫酸裝置過程氣壓力反吹法測量的構成、反吹預熱系統(tǒng)、反吹控制裝置選型、變送器安裝等，希望對同類工程設計有所幫助。

1 反吹法基本原理及構成

反吹控制裝置通過恒流閥自動控制出口壓力，使其跟隨測量點過程氣的壓力變化而變化，并保持氣體輸出流量穩(wěn)定。反吹法由反吹預熱系統(tǒng)、測量管路、變送器、反吹控制裝置、氣源構成，硫酸裝置反吹法測量構成如圖1所示。

圖1 硫酸裝置反吹法測量構成示意

圖2 反吹法預熱安裝示意

1.1 反吹預熱系統(tǒng)

如前文所述，為避免露點腐蝕，過程氣對溫度有較嚴格的要求。反吹法測量壓力可以很好地避免過程氣與引壓管的直接接觸，但如果采用常溫反吹風直接吹入工藝管道，則引入反吹風的地方容易形成“冷點”，吹入點附近的導壓管及工藝管道很容易形成露點腐蝕，造成管道損壞、引壓管堵塞，因而需要將反吹風預熱。

1.1.1 預熱管的安裝

預熱方式為將輸送反吹風的Tube管彎曲盤結在需要測量壓力的工藝管道或設備表面，且與管道/設備緊密接觸，然后連同管道/設備一起保溫，反吹法預熱安裝示意如圖2所示。每一段Tube管的長度約600 mm，間距約50 mm，與管道平行敷設。Tube管的彎曲應采用專用的手動彎管器，對于φ6的SS316材質的Tube管，彎曲半徑不小于15 mm，且反吹風在引壓管上的接入點必須在保溫層以內，接入點距離保溫層至少100 mm。埋入保溫層內的Tube管的總長度需進行估算，以保證在接入點處的反吹風溫度高于硫酸的露點溫度。

1.1.2 預熱Tube管長度估算

將反吹風Tube管的預熱過程等效為換熱器的對流傳熱過程，工藝管道中的過程氣作為熱流體與Tube管中的冷流體進行換熱，根據(jù)熱量平衡原理，即熱流體釋放的熱量等于冷流體獲得的熱量[7]：

由式（5）～（8），最終可計算出Tube管的總長度：

式中：Q——單位時間內，從熱流體取走的或加給冷流體的熱量，kJ/s；cp1，cp2——熱、冷流體的定壓比熱，kJ/（kg·K），通常可視為常數(shù)；qms1，qms2——熱、冷 流 體 的 質 量 流 量，kg/s；T熱1，T熱2——熱流體進、出口溫度，K；T冷1，T冷2——冷流體進、出口溫度，K；ΔTm——平均溫度差，K；K總——修正的總傳熱系數(shù)，k W/（m2·K）；K1——查表獲得的總傳熱系數(shù)，k W/（m2·K）；d1——Tube管外徑，m；k1——修正系數(shù)，修正熱量損失、污垢熱阻等；L——Tube管總長度，m。

以上計算均基于保溫層具有良好的絕熱效果。

1.2 反吹控制裝置

反吹控制裝置由微小流量金屬管浮子流量計、恒流控制閥、壓力表、過濾減壓器、截止閥、止回閥、安裝面板等構成[8]，當系統(tǒng)壓力或負載變化時，可保持流量恒定。根據(jù)不同的應用場合，可分為單路、雙路、多路反吹控制裝置。該裝置中恒流控制閥[9]是反吹控制裝置的核心元件，作用是在壓力波動情況下確保流量恒定。

1.3 反吹風氣源及流量

反吹風應滿足：與被測介質不發(fā)生化學反應；清潔、不含固體物質、不污染被測介質；無腐蝕性；流動性好；反吹風的加入不影響工藝生產過程的進程。對于過程氣，選擇儀表風進行反吹。對于一般氣體壓力測量，反吹風體積流量為0.03～0.14 m3/h[10]。

2 工程實例

某硫酸項目中，過程氣的壓力測量均采用反吹法，以SO2轉化器三段出口壓力測量為例：過程氣溫度為300℃，壓力為5 k Pa，質量流量為30 783 kg/h，露點溫度為260℃，工藝管道外徑為1 300 mm，保溫層厚度為300 mm。采用凈化風作為反吹風，凈化風流量為0.1 m3/h，常溫，Tube管SS316，φ6×1。

2.1 反吹控制裝置選型

反吹控制裝置規(guī)格如下：

1)面板組合式，帶安裝面板，卡套連接方式，帶連接件，材質SS316。

2)過程接口：入口、出口配卡套接頭，接管外徑6 mm。

3)控制精度：2.5%。

4)反吹控制裝置包含：1臺金屬轉子流量計，0～150 L/h；1臺空氣過濾減壓器；1臺壓力調節(jié)器；配套提供截止閥、止回閥、壓力表。

2.2 變送器安裝

壓力變送器的安裝位置必須高于取壓點，從壓力、差壓變送器到接入點的取壓管須有8%的坡度，防止冷凝液在取壓管線中聚集，如圖1所示。

2.3 Tube管長度估算

設環(huán)境溫度為-16℃（極端工況），首先根據(jù)凈化風的工況，將體積流量換算為凈化風的質量流量qms2。在標準狀況下，由氣體狀態(tài)方程可得工況下凈化風密度：

式中：ρ標——凈化風標況下密度，kg/m3，查表可得為1.293 kg/m3；p標，p工——凈化風標況壓力和工況壓力，k Pa；T標，T工——凈化風標況溫度和工況溫度，K。

則凈化風的質量流量qms2=qVs2ρ=0.144 1 kg/h=4×10-5kg/s，其中qVs2為已知的體積流量。

根據(jù)式（4），由于qms1cp1?qms2cp2，熱流體的溫度變化可忽略不計，則T熱1=T熱2=573.15 K（300 ℃），T冷1=257.15 K（-16 ℃），T冷2=533.15 K（260℃），由此可根據(jù)式（8）計算ΔTm=133.5 K。

查表 得 K1=12×10-3k W/m2，cp2=1.004 kJ/（kg·K）。根據(jù)工程經驗，修正系數(shù)k1取0.2，用于修正熱量損失、污垢熱阻等因素。

最后，可根據(jù)式（9）計算Tube管的總長度L=1.84 m。

以上計算出的Tube管的長度為預熱到露點溫度的最低要求，實際敷設時，按照圖2所示，至少彎曲4次，總長度應不小于3 m，以便預熱到與過程氣更接近的溫度。

2.4 維 護

1)裝置運行期間：監(jiān)控壓力測量值；定期檢查轉子流量計的流量是否處于正常范圍內（100 L/h）；檢查保溫的情況；檢查是否泄漏。

2)停車期間：檢查取壓管線是否暢通，必要時進行清理；更換損壞的保溫材料。

3 結束語

該硫酸裝置建成開車后各反吹測量儀表運行良好，證明所設計的反吹法能夠很好地解決硫酸裝置過程氣露點腐蝕問題。設計過程中要正確選型反吹控制裝置、重視反吹風的預熱及變送器的安裝，確保測量正常。