硫酸系统仪表选型与防腐方案分析

学术论文 2018-01-05 10:11:44
    硫酸生产装置的自动化仪表大都处于强腐蚀、高磨损的工艺环境中,仪表选择合理的型式和防腐方案,不仅是仪表正常工作的前提,也决定了DCS自动控制系统能否正常运行,继而影响到工艺指标以及产能、成本等各项技术经济指标的实现。本文总结了河南豫光锌业有限公司某套100kt/a铅冶炼烟气制酸车间试产中的经验教训,对硫酸系统一级洗涤器、干吸塔等重点关键部位的仪表选型和防腐问题,进行了研究和探讨。
    1 稀酸流量、压力仪表的选用
    1.1一级洗涤器工艺介质的特点一级洗涤器需要检测的工艺参数主要有:1)洗涤器进、出口烟气的温度、压力;
    2)洗涤酸入塔、出塔的温度;
    3)洗涤酸上、下喷淋支管压力;
    4)洗涤酸总管流量等。其中第1,2项温度、压力等测量仪表,通常根据介质参数采用316L不锈钢护套或普通聚四氟乙烯衬里,不再赘述。现重点探讨第3,4项,即洗涤稀酸的压力、流量等工艺检测仪表的防腐耐磨和选型问题。硫铁矿或冶炼烟气制酸系统净化工段多采用封闭酸洗工艺,其一级洗涤器无论是采用逆喷湍冲洗涤器还是文氏管洗涤器,都是工况条件最恶劣的设备,具有强腐蚀、高磨损的特点,对仪表型式和防腐方案的选择有着决定性的影响。某100kt/a铅冶炼烟气制酸装置建成投产后3d内测得一级洗涤器洗涤酸的部分工艺特性参数为:温度55~65℃,喷淋各支管压力0.15~0.2MPa,w(H2SO4)5%~15%,ρ(Cl-)0.098g/L,ρ(F-)0.165g/L,沉淀物(PbO、PbSO4、悬浮物等)质量分数25g/L,并有颗粒直径为0.5~4mm的焊渣、铁屑等,质量分数约2.2g/L,曾发现过8mm长焊条头。
    1.2仪表衬里层选择需要考虑的因素
    在正常的工艺条件下,介质温度55~65℃,流速3.5~4.5m/s,洗涤酸中几乎所有成分都是强腐蚀介质,对大部分金属都会产生非常强烈的腐蚀,Cl-则对包括316L在内的所有常用的奥氏体不锈钢晶体结构产生腐蚀和破坏,F-则对硅酸盐类陶瓷材料和钛、钽等耐蚀性强的金属产生腐蚀和破坏。但防腐问题只是仪表选用所需考虑的第一个因素,实际上,单纯解决仪表的防腐问题并不难:对于压力变送器或压力表,只要选用带聚四氟乙烯(PTFE,又称“F44”)衬里的隔膜式仪表,而避免使用直通式仪表即可解决;对于流量仪表(根据介质特点,此处通常选用三电极电磁流量计),采用聚四氟乙烯衬里防腐效果也非常好。仪表衬里所面对的还有“磨损”和“负压”的问题。洗涤酸中的金属颗粒在高速流动状态下,甚至会直接“撞破”衬里层;即使系统经过一段时间的运行,金属颗粒大为减少,但其他固体颗粒也仍旧会持续磨损衬里,影响仪表的正常使用寿命;“负压”则可能将衬里层从压力表隔膜或流量计管道内壁上剥离,形成“鼓肚”,从而影响衬里层的机械强度,使之更容易破损。衬里层面临的“负压”现象发生在系统停车的初期,主要原因有两个:①系统停车检修时,系统内外温度差较大,系统高处打开的人孔会向外“抽风”。根据经验,这个负压可高达0.5kPa以上,持续时间可达8h以上;②由于洗涤酸泵停运时,洗涤酸从管道高处迅速向低处回流而形成负压,这个负压持续时间只有5~10s左右,但负压值却高达10~20kPa,对衬里破坏最大。豫光锌业有限公司硫酸系统在试产过程中,一个月内曾损坏了3台电磁流量计和2台隔膜式压力变送器,其中有1台压力变送器才换上去一天就顺着导压软管漏酸,拆下来后发现隔膜几乎被“吃光”,硅油全部流失。分析仪表损坏的原因,3台电磁流量计全部是因为衬里层“鼓肚”而破损,压力变送器则是因为衬里层“鼓肚”后而被铁屑等撞破。
    1.3衬里材料和衬里工艺的选择
    循环酸内的固体颗粒和系统中的“负压”是客观存在的,解决仪表衬里层的破坏问题,只能从衬里层的材料和衬里工艺入手。河南正海实业作为仪表安装单位,经过与生产单位及仪表、衬里材料生产厂家等多家单位共同协商、研讨,最终采用了加厚的可溶性聚四氟乙烯(PFA)制作衬里层,采用“紧衬”工艺,解决了磨损和负压损坏衬里的问题。普通聚四氟乙烯(PTFE)虽然防腐性能优异,但抗磨损能力较差;且温度较高时会变软,机械强度下降,抗负压性能更差。而且其黏结性不好,作为衬里材料难以避免与基面间形成气隙,这是仪表在高温和负压时损坏的主要原因。可溶性聚四氟乙烯(PFA)又称“过氟烷基化物”,是一种四氟乙烯和全氟烷氧基乙烯的共聚物。其材料强度、耐磨性、耐老化性、耐温性均优于PT-FE、F46。更为优异的是其与金属良好的黏结性能,能与压力变送器的膜盒、电磁流量计内管壁的金属基面形成“紧衬”,消除气隙,同时加厚了衬里层(压力变送器衬里厚度由0.5mm提高到1mm,电磁流量计衬里厚度由3mm提高到5mm),彻底解决了这个问题。另外需要提出的是电磁流量计的电极材料推荐选用哈氏合金C(HC)或铂(Pt),其他金属材料对F-、Cl-离子的耐腐性能均不如前者。
    2 浓硫酸浓度计的选择
    硫酸浓度是干吸工段最重要的工艺指标,根据工艺要求,硫酸浓度的调整范围只有0.2%~0.5%。很多单位就是由于该仪表的选型问题,造成仪表精度不够、可靠性不足而不得不放宽工艺要求,从而降低了指标控制的精准度。不仅影响到烟气含水率、吸收率、尾气酸雾含量等工艺指标,同时也影响成品酸质量和催化剂、管道等设备的使用寿命,因此浓硫酸浓度计是干吸工段最重要的仪表。硫酸浓度计的型式,根据其工作原理主要有密度式和电导式两大类,其他还有沸点式、谐振式、折线式等。其中,称重式浓度计由于受硫酸的温度、流速、传感器标定等外界因素影响较大,测量误差大和仪表维护、调校工作量大等缺点,近年来已较少采用。而沸点式、谐振式和折线式则在国内只有极少数厂家使用,在此重点讨论电导式浓度计。
    2.1电导式酸浓计的工作原理
    电导式酸浓计是根据硫酸电导率与硫酸浓度和温度之间具有对应的函数关系而设计的。因此,只要能够精准地测量硫酸的电导率和温度,仪表芯片便能及时计算出硫酸的浓度。浓度计根据法拉第电磁感应原理,传感器初级绕组输入一个交流电压,电导率的变化在次级感生出一个变化的电动势,采用无电级电导传感器(俗称磁头)检测流经传感器导流孔的硫酸的电阻及电导率,再根据Pt100铂电阻实时测量的硫酸温度,计算出相对应的硫酸浓度。根据检测取样方式的不同,电导式硫酸浓度计主要有“抽出式”和“插入式”两大系列产品,所谓“抽出式”,是指在硫酸主管道上安装阀门,把硫酸样品引到一特制的测量槽中进行检测。在测量槽接引出管,把槽内硫酸释放到低位酸槽中。采用这种方式的仪表主要有Foxboro公司的871FT酸浓分析仪、南京捷森化工自动化有限公司的DWL-1L型酸浓分析仪等。所谓“插入式”,是指酸浓分析仪直接插入到硫酸主管道中进行测量,样品不再引出。采用这种方式的仪表主要有“E+H”公司的CLS50型硫酸分析仪,无锡市某厂的LM系列硫酸浓度仪等。
    2.22种电导式浓度计的对比
    2.2.1仪表的密封性
    “抽出式”仪表装设在测量槽中,对仪表的耐压、密封要求较低,适合国内的传感器加工水平。由于仪表没有直接装设在工艺主管线上,检修、调校比较方便。缺点是硫酸中溶解的SO2气体,在进入测量槽后由于压力骤降为零而析出,对现场操作环境不利。这种取样方式对采样阀的要求也较为苛刻:阀门前后压差较大,容易造成填料函等处漏酸;且阀门平时开度很小,容易在阀座底部凹槽处沉积酸泥和沉淀,影响阀门关合性能,造成阀门“关不严”,需要经常清理维护,也影响阀门寿命。“插入式”仪表直接安装在硫酸主管道上,承受正常工艺压力,通常为0.25~0.40MPa,因此对仪表的耐压、密封性要求较高,传感器承受硫酸的冲刷力也较大,一旦漏酸系统必须停车才能处理,仪表的检修、调整、校验也必须待停车后进行。因此仪表通常安装在酸泵出口上升段的直管上,停车后酸管内没有酸。这种仪表工作较为稳定,且没有采样阀、测量槽等附件,仪表维护量小,也不存在SO2气体吸出的问题,对现场操作环境较为有利。以前这种仪表多采用进口产品,近年来LM系列硫酸浓度计的应用也较为广泛,精度可满足工艺要求,性能较为稳定。
    2.2.2仪表的测量精度
    一般来说,在传感器性能相同的情况下,“插入式”仪表的精度比“抽出式”要高一些。这主要是由于以下3个原因:
    1)采样的即时性不同。“插入式”仪表安装在硫酸主管上,传感器可及时感知酸浓的变化;而“抽出式”由于是在测量槽内测量,新酸入槽需要与原酸混和,因此硫酸浓度的变化相对滞后。
    2)温度补偿的精度不同。对于“插入式“仪表,温度仪和浓度仪都装在硫酸主管上,两点之间实际温差很小可忽略;而对于“抽出式”仪表,高温硫酸进入测量槽后温度很快下降,在北方冬季严寒的天气条件下,即使把温度仪装设在测量槽中,也会由于酸温接近或低于仪表的温度补偿下限而使误差增大。同时在低温度下,w(H2SO4)93%酸的电导率还可能出现“双值”,进一步加大误差。
    3)气泡的影响。进入测量槽后,硫酸中溶解的SO2会因压力骤降而析出,形成气泡,影响电导率,加大“插出式”仪表的测量误差;而“插入式”仪表则不受此影响。“插入式”硫酸浓度仪近年来已日渐成熟普及,与“抽出式”相比,其具有精度高、安装及维护简便的特点,因此有取代“抽出式”仪表的趋势。
    3 结语
    仪表的合理选型和技术方案的正确选择,是工业装置实现自动化控制的基础。作为安装单位和仪表工作者,应深入了解各种生产装置的工艺原理和细节,才能有针对性地提出合理的仪表选型和技术方案,更贴近于生产实际,更好的服务生产。
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[责任编辑:花间一壶酒]