反吹法解決硫酸裝置儀表露點(diǎn)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(yīng)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(zhì)的統(tǒng)稱）中的SO3和水蒸氣結(jié)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(diǎn)溫度。當(dāng)管道或設(shè)備內(nèi)壁溫度低于硫酸的露點(diǎn)溫度時，就會產(chǎn)生露點(diǎn)腐蝕。露點(diǎn)溫度與SO3和水蒸氣的體積分?jǐn)?shù)有關(guān)，該體積分?jǐn)?shù)值越高，露點(diǎn)溫度越高，特別是在SO2轉(zhuǎn)化器三段出口處，SO3的體積流量可達(dá)900 m3/h，對應(yīng)的露點(diǎn)溫度可達(dá)260℃。剛凝結(jié)出的高溫冷凝酸對鋼材具有極強(qiáng)的腐蝕性[2]，腐蝕產(chǎn)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(chǎn)生露點(diǎn)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(diǎn)通入一定量的穩(wěn)壓氣體，一方面隔離過程測量介質(zhì)與儀表的接觸，另一方面使儀表測量壓力與過程介質(zhì)壓力相同的方法。反吹法適用于黏稠、易結(jié)晶、含油固體顆?；驈?qiáng)腐蝕性等介質(zhì)[3-4]，廣泛應(yīng)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(gòu)成、反吹預(yù)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(shè)計有所幫助。

1 反吹法基本原理及構(gòu)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(diǎn)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(yù)熱系統(tǒng)、測量管路、變送器、反吹控制裝置、氣源構(gòu)成，硫酸裝置反吹法測量構(gòu)成如圖1所示。

圖1 硫酸裝置反吹法測量構(gòu)成示意

圖2 反吹法預(yù)熱安裝示意

1.1 反吹預(yù)熱系統(tǒng)

如前文所述，為避免露點(diǎn)腐蝕，過程氣對溫度有較嚴(yán)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(fēng)直接吹入工藝管道，則引入反吹風(fēng)的地方容易形成“冷點(diǎn)”，吹入點(diǎn)附近的導(dǎo)壓管及工藝管道很容易形成露點(diǎn)腐蝕，造成管道損壞、引壓管堵塞，因而需要將反吹風(fēng)預(yù)熱。

1.1.1 預(yù)熱管的安裝

預(yù)熱方式為將輸送反吹風(fēng)的Tube管彎曲盤結(jié)在需要測量壓力的工藝管道或設(shè)備表面，且與管道/設(shè)備緊密接觸，然后連同管道/設(shè)備一起保溫，反吹法預(yù)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(shè)。Tube管的彎曲應(yīng)采用專用的手動彎管器，對于φ6的SS316材質(zhì)的Tube管，彎曲半徑不小于15 mm，且反吹風(fēng)在引壓管上的接入點(diǎn)必須在保溫層以內(nèi)，接入點(diǎn)距離保溫層至少100 mm。埋入保溫層內(nèi)的Tube管的總長度需進(jìn)行估算，以保證在接入點(diǎn)處的反吹風(fēng)溫度高于硫酸的露點(diǎn)溫度。

1.1.2 預(yù)熱Tube管長度估算

將反吹風(fēng)Tube管的預(yù)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(jìn)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(nèi)，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?？梢暈槌?shù)；qms1，qms2——熱、冷 流 體 的 質(zhì) 量 流 量，kg/s；T熱1，T熱2——熱流體進(jìn)、出口溫度，K；T冷1，T冷2——冷流體進(jìn)、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(gòu)成[8]，當(dāng)系統(tǒng)壓力或負(fù)載變化時，可保持流量恒定。根據(jù)不同的應(yīng)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(fēng)氣源及流量

反吹風(fēng)應(yīng)滿足：與被測介質(zhì)不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；清潔、不含固體物質(zhì)、不污染被測介質(zhì)；無腐蝕性；流動性好；反吹風(fēng)的加入不影響工藝生產(chǎn)過程的進(jìn)程。對于過程氣，選擇儀表風(fēng)進(jìn)行反吹。對于一般氣體壓力測量，反吹風(fēng)體積流量為0.03～0.14 m3/h[10]。

2 工程實(shí)例

某硫酸項(xiàng)目中，過程氣的壓力測量均采用反吹法，以SO2轉(zhuǎn)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(zhì)量流量為30 783 kg/h，露點(diǎn)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(fēng)作為反吹風(fēng)，凈化風(fēng)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(zhì)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(zhuǎn)子流量計，0～150 L/h；1臺空氣過濾減壓器；1臺壓力調(diào)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(diǎn)，從壓力、差壓變送器到接入點(diǎn)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(shè)環(huán)境溫度為-16℃（極端工況），首先根據(jù)凈化風(fēng)的工況，將體積流量換算為凈化風(fēng)的質(zhì)量流量qms2。在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，由氣體狀態(tài)方程可得工況下凈化風(fēng)密度：

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

則凈化風(fēng)的質(zhì)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(jīng)驗(yàn)，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(yù)熱到露點(diǎn)溫度的最低要求，實(shí)際敷設(shè)時，按照圖2所示，至少彎曲4次，總長度應(yīng)不小于3 m，以便預(yù)熱到與過程氣更接近的溫度。

2.4 維 護(hù)

1)裝置運(yùn)行期間：監(jiān)控壓力測量值；定期檢查轉(zhuǎn)子流量計的流量是否處于正常范圍內(nèi)（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(jìn)行清理；更換損壞的保溫材料。

3 結(jié)束語

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