新建硫酸廠(chǎng)儀表選型及安裝初探

梁 磊 梁 美

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

0 引言

現(xiàn)代生產(chǎn)中，各類(lèi)檢測(cè)儀表遍布整個(gè)工藝流程。制酸過(guò)程同其他化工生產(chǎn)一樣，生產(chǎn)自動(dòng)化也是建立在可靠的檢測(cè)儀表和完善的控制方案之上的。會(huì)理昆鵬銅業(yè)硫酸廠(chǎng)年產(chǎn)32萬(wàn)t酸，是10萬(wàn)t陽(yáng)極銅/年的配套項(xiàng)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表的要求也有其特點(diǎn)。工藝介質(zhì)為高溫?zé)煔饧皾饬蛩?，選型上需要耐高溫、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(jìn)行安裝。本文將對(duì)此項(xiàng)目中儀表選型及安裝時(shí)遇到的各類(lèi)問(wèn)題，分工序進(jìn)行探討，并著重分析易疏忽或遺漏的內(nèi)容。

1 硫酸廠(chǎng)生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)介

昆鵬銅業(yè)硫酸分廠(chǎng)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(guò)轉(zhuǎn)化器的一、二、三段完成一次轉(zhuǎn)化，再通過(guò)四段完成二次轉(zhuǎn)化，并依次流經(jīng) III、I、IV、II換熱器進(jìn)行換熱，將SO2轉(zhuǎn)化為SO3;干吸工藝采用一級(jí)干燥、二級(jí)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(jìn)行污水處理。污酸處理后的殘?jiān)鼮槭?，由汽?chē)外運(yùn)。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(jìn)行回用水的深度處理。污水處理后的殘?jiān)猩?，由汽?chē)外運(yùn)至有害渣場(chǎng)，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(yáng)極爐煙氣和從二吸塔出來(lái)的煙氣混合后進(jìn)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(jìn)入凈化工序［4］，依次通過(guò)一級(jí)動(dòng)力波、氣體冷卻塔、二級(jí)動(dòng)力波、兩級(jí)電除霧器。煙氣在三個(gè)塔中進(jìn)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(guò)高壓靜電作用除去剩余酸霧。

一級(jí)動(dòng)力波的作用是至關(guān)重要的，250℃左右的煙氣經(jīng)過(guò)一級(jí)動(dòng)力波后要降到60℃。在此過(guò)程中，若溢流堰噴淋水流量不足或者酸循環(huán)泵跳車(chē)，都會(huì)導(dǎo)致無(wú)法在塔內(nèi)壁形成酸膜，高溫?zé)煔鈺?huì)很快將玻璃鋼材質(zhì)的動(dòng)力波融化。因此，以下幾個(gè)聯(lián)鎖程序是必須編寫(xiě)的。

①一級(jí)動(dòng)力波兩臺(tái)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(jìn)入溢流堰的流量值低于設(shè)定值時(shí)，或者一級(jí)動(dòng)力波煙氣出口溫度高于設(shè)定值時(shí)，閥門(mén)自動(dòng)開(kāi)啟，由事故水箱快速向溢流堰補(bǔ)水。

③一級(jí)動(dòng)力波事故噴嘴處閥門(mén)要做聯(lián)鎖。當(dāng)循環(huán)泵突然跳車(chē)或煙氣出口溫度高于設(shè)定值時(shí)，閥門(mén)自動(dòng)開(kāi)啟，由事故水箱快速向噴嘴處補(bǔ)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(jìn)水閥門(mén)也應(yīng)做程控。

⑤當(dāng)溢流堰閥門(mén)、事故噴淋閥全部開(kāi)啟，但煙氣溫度還持續(xù)升高時(shí)，為避免一級(jí)動(dòng)力波塔被高溫?zé)煔鈸p壞，需讓SO2煙氣打回流，即風(fēng)機(jī)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(jī)聯(lián)鎖跳車(chē)，停止接引上游煙氣。

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

① 溢流堰入口電磁流量計(jì)［5］的選型及安裝:一級(jí)動(dòng)力波內(nèi)是濃度為3% ～12%的高溫稀酸，腐蝕性強(qiáng)，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(hào)后，安裝也很重要。溢流堰為環(huán)形管路，且一級(jí)動(dòng)力波上部管道較多，空間小，而且又要避免在閥門(mén)、彎頭或者三通接頭后面安裝傳感器(因?yàn)榇颂幰仔纬蓽u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(diǎn)或垂直向下處。溢流堰流量計(jì)安裝位置示意圖如圖1所示。

圖1 溢流堰流量計(jì)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(shí)，高位水箱立即補(bǔ)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(jì)時(shí)經(jīng)常容易忽略這一點(diǎn)，選型只選擇普通304或316材質(zhì)。該閥門(mén)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(fù)壓狀態(tài)，壓力表不易損壞，但要注意，壓力取樣點(diǎn)不能選在管道的正下方。因?yàn)樵诠艿纼?nèi)的冷凝積酸會(huì)順著引壓管進(jìn)入變送器內(nèi)，造成測(cè)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(jí)動(dòng)力波內(nèi)氟含量較高，必須采取適當(dāng)?shù)拇胧?，如投加水玻璃等去除氟，因?yàn)闅浞釙?huì)腐蝕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(diǎn)，因此熱電偶的選型很關(guān)鍵。轉(zhuǎn)化觸媒的最高溫度可達(dá)600℃，溫度高，腐蝕性大，故應(yīng)選擇鎧裝絕緣型熱電偶。同時(shí)，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(mǎn)焊，不可采用螺紋連接頭方式。這是因?yàn)楦邷豐O3氣體若沿縫隙漏出后，吸收空氣中的水分，形成硫酸，會(huì)繼續(xù)腐蝕法蘭盤(pán)及套管，造成更嚴(yán)重的泄漏。

當(dāng)SO3氣體高于設(shè)定值時(shí)，冷卻風(fēng)機(jī)自動(dòng)開(kāi)啟進(jìn)行降溫。很多設(shè)計(jì)人員將此程序?qū)懗砷_(kāi)關(guān)量控制，即高于上限開(kāi)、低于下限停，這對(duì)電機(jī)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(dá)到最優(yōu)的調(diào)節(jié)目的，延長(zhǎng)使用壽命。

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

安裝熱式流量計(jì)時(shí)應(yīng)注意:為安全考慮，要求220 V電源采用三線(xiàn)制，其中一根接地線(xiàn)必須接到變送器端子排的接地端;大型風(fēng)機(jī)多為同步電機(jī)，裝有勵(lì)磁裝置，而熱式流量計(jì)對(duì)高頻噪聲干擾特別敏感，因此輸出信號(hào)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(hù)，最好再加裝信號(hào)隔離器。

轉(zhuǎn)化器各層都設(shè)有冷敷線(xiàn)，用于調(diào)節(jié)溫度。建議設(shè)計(jì)時(shí)閥門(mén)都用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，以便能靈活地進(jìn)行微調(diào)，或采用PID，全部設(shè)為自控。冷敷線(xiàn)管道一般都較高，溫度高易使閥門(mén)變形或被酸泥卡死，采用電動(dòng)閥門(mén)可減少維護(hù)量。

轉(zhuǎn)化工序還安裝了大量壓力變送器，以測(cè)量各塔或管道內(nèi)的壓力。對(duì)此一定要保證取樣點(diǎn)和引壓管上各個(gè)閥門(mén)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(lái)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(jì)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(shí)要注意以下幾點(diǎn)。

①選型時(shí)應(yīng)注意，不同的硫酸選用的濃度計(jì)是不同的。如發(fā)煙酸酸濃度計(jì)，測(cè)量98%的酸是沒(méi)有參考性的。

②酸濃度計(jì)有不同的適用溫度，針對(duì)不同工況的溫度范圍，要選擇合理的濃度計(jì)。

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

只有酸濃度計(jì)測(cè)量精準(zhǔn)，串酸調(diào)節(jié)閥才能用PID調(diào)節(jié)并投入自動(dòng)運(yùn)行。串酸時(shí)，液位系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)先設(shè)定經(jīng)驗(yàn)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(shí)際調(diào)試時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，在閉環(huán)控制中，現(xiàn)場(chǎng)的各種干擾因素很容易造成超調(diào)。對(duì)此，可以在程序中設(shè)定好閥門(mén)最大開(kāi)度，如自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，二吸循環(huán)槽自動(dòng)補(bǔ)水閥門(mén)最大只能開(kāi)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(dá)液位計(jì)外，一般還裝有翻板浮筒液位計(jì)，用來(lái)現(xiàn)場(chǎng)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(jí)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(yùn)行、液位低加水、各泵槽串酸時(shí)，都會(huì)對(duì)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(gòu)翻板液位計(jì)時(shí)要求浮筒車(chē)削加工。

陽(yáng)極保護(hù)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(chǎng)或平臺(tái)下面，以避免檢修或滲漏酸的損害，安裝時(shí)參比電極電纜長(zhǎng)度一般不能超過(guò)150 m。對(duì)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(zhǎng)度來(lái)安裝流量開(kāi)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(gè)工序中使用最多的儀表設(shè)備是雷達(dá)或超聲波液位計(jì)，兩個(gè)工序的塔罐設(shè)備多為玻璃鋼材質(zhì)。雷達(dá)波極易穿透塔壁，造成測(cè)量不準(zhǔn)確，安裝時(shí)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(jìn)料口測(cè)量;同一個(gè)罐不能安裝兩個(gè)雷達(dá)液位計(jì)，以免干擾;在信號(hào)波束角內(nèi)禁止安裝溫度計(jì)、攪拌管等任何附屬設(shè)備，特別是對(duì)稱(chēng)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(dá)液位計(jì)安裝位置示意圖Fig.2 The installation location of radar level gauge

pH計(jì)和氧化還原電位計(jì)也是常用的檢測(cè)儀表，需要注意日常維護(hù)保養(yǎng)，并用標(biāo)準(zhǔn)液定期校驗(yàn)。安裝時(shí)，盡量不要安裝在塔罐的中下部，因?yàn)檎Ｉa(chǎn)時(shí)，幾乎無(wú)法拔出探頭進(jìn)行調(diào)校;校驗(yàn)或停產(chǎn)時(shí)，應(yīng)保證探頭浸沒(méi)在液體中，因?yàn)樘筋^長(zhǎng)時(shí)間脫水就會(huì)損壞。

在尾氣脫硫工序中，SO2分析儀用來(lái)檢測(cè)最終排放氣體中硫的含量。選型時(shí)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(mén)對(duì)排放尾氣的控制較嚴(yán)格，一般會(huì)指定分析儀的精度等級(jí)以及數(shù)據(jù)單位等，因此采購(gòu)前最好咨詢(xún)當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門(mén)。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(yǔ)

儀表是生產(chǎn)的感知器官，它將現(xiàn)場(chǎng)情況及時(shí)送至大腦即控制系統(tǒng)，以便做出正確的動(dòng)作。歸根結(jié)底，儀表是為工藝服務(wù)的?，F(xiàn)場(chǎng)儀表測(cè)量越精確，反饋越及時(shí)，控制系統(tǒng)運(yùn)算越迅速，工藝生產(chǎn)也會(huì)越順利。細(xì)節(jié)決定結(jié)果，優(yōu)質(zhì)的選型設(shè)計(jì)以及規(guī)范的安裝是自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行成功的保證，也是工藝順暢的前提。

尤其對(duì)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(duì)整個(gè)冶煉大系統(tǒng)也是必要的保險(xiǎn)。它使制酸系統(tǒng)能更及時(shí)、準(zhǔn)確、有效地平衡冶煉煙氣，保證下游生產(chǎn)穩(wěn)定，并對(duì)上游煙氣有更好的預(yù)見(jiàn)性操作和容納吸收能力，使制酸、冶煉獲得雙贏。

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