差壓法測量漿液密度的探討

(唐山三友化工股份有限公司熱電分公司，河北 唐山 063305)

我公司鍋爐煙氣濕法脫硫塔，采用兩種脫硫劑，一是鹽水精制工序石灰-純堿法精制鹽水過程中產(chǎn)生的廢棄鹽泥；另一是氯堿公司的電石渣漿，密度范圍：1 040～1 070 kg/m3。這既減少了純堿生產(chǎn)過程中污染物的排放，又減少熱電鍋爐煙氣脫硫需要的脫硫劑采購成本。鹽泥主要成分碳酸鈣、電石渣漿的主要成分氫氧化鈣與煙氣中的污染物二氧化硫反應(yīng)，生成的石膏可作為建筑材料，變廢為寶，是集團(tuán)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的體現(xiàn)和成果。脫硫劑漿液中的各種鹽分反應(yīng)轉(zhuǎn)化為硫酸鹽，將使?jié){液密度增大，溶液pH值也將發(fā)生變化。準(zhǔn)確測取循環(huán)漿液密度和pH值，可掌握脫硫劑的反應(yīng)進(jìn)程，及時(shí)排出石膏漿液，防止因脫硫劑反應(yīng)失效造成煙氣SO2超標(biāo)和形成石膏雨。

另外，氨堿法生產(chǎn)純堿，氨氣作為中間介質(zhì)在生產(chǎn)系統(tǒng)中循環(huán)使用。濾過母液中所含有的游離氨和固定銨是在蒸餾塔、預(yù)灰桶中發(fā)生反應(yīng)，完成氣、液分離并經(jīng)過冷卻后回收再利用的。預(yù)灰桶是固定銨轉(zhuǎn)化為游離氨的反應(yīng)器，其高效運(yùn)行直接關(guān)系到氨的回收效率、石灰乳的消耗、蒸汽消耗等重要指標(biāo)。儀表自動控制的任務(wù)，就是在保證廢液含氨達(dá)到規(guī)定指標(biāo)的前提下，盡量減少灰乳及蒸汽的消耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，蒸氨經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。這就要求構(gòu)成串級控制系統(tǒng)的主參數(shù)——調(diào)和液pH值、副參數(shù)——母液流量和灰乳流量檢測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，儀表工作穩(wěn)定。保證母液流量與灰乳流量的比值控制參數(shù)基本保持恒定(例如灰乳對母液比為1∶3)。但若實(shí)現(xiàn)最優(yōu)配灰(既不跑氨，灰乳消耗又最低)，實(shí)施精準(zhǔn)控制的目標(biāo)，通過對灰乳、調(diào)和液密度及pH值完成實(shí)時(shí)在線檢測，以此修正、調(diào)節(jié)灰乳加入量和灰乳-母液的比值，來確保調(diào)和液過灰量保持在合理區(qū)間，就顯得非常重要。通過對調(diào)和液密度進(jìn)行檢測，找出密度變化與蒸餾塔內(nèi)壁結(jié)疤的規(guī)律，可為優(yōu)化工藝及操作，延長蒸餾塔運(yùn)行周期，具有重要意義。

1 差壓法漿液密度測量的工作原理

差壓法密度測量，是通過測取液體內(nèi)部靜壓力，根據(jù)靜力學(xué)公式：

圖1 差壓法測量溶液密度原理圖

式中，ρ為漿液密度，ΔP為取壓點(diǎn)1、2兩點(diǎn)間的靜差壓，g為重力加速度，H為壓力取壓點(diǎn)1與壓力取壓點(diǎn)2的距離。變送器安裝位置確定，式中H就為固定值。通過測取1、2兩點(diǎn)間的靜壓力差，即可計(jì)算出液體的密度。

2 密度測量儀表及應(yīng)用情況

目前市場上，根據(jù)測量原理的不同，密度儀表有：質(zhì)量流量密度計(jì)、超聲波密度計(jì)、音叉密度計(jì)、核子密度計(jì)、靜壓密度計(jì)等多種。我公司鹽水精制工序安裝兩臺質(zhì)量流量密度計(jì)：安裝在從石灰車間來的石灰乳管道上。一臺用于測量石灰乳懸濁液的密度，另一臺用于測量鍋爐煙氣鹽泥脫硫劑密度，安裝在外送鍋爐煙氣脫硫塔泵出口取樣分支管道上，取樣漿液經(jīng)質(zhì)量流量計(jì)測取密度值后返回脫硫劑儲桶。鍋爐煙氣脫硫塔循環(huán)漿液密度曾采用超聲波密度計(jì)、音叉密度計(jì)、靜壓密度計(jì)測量。超聲波密度計(jì)、音叉密度計(jì)直接安裝在脫硫塔上，而靜壓密度計(jì)則安裝在循環(huán)漿液泵出口的取樣支管的測量桶上。

從實(shí)際使用情況看，石灰乳質(zhì)量流量密度計(jì)和脫硫劑密度計(jì)，使用3～6個(gè)月后，測量出現(xiàn)誤差且逐漸增大，儀表出現(xiàn)故障而返廠檢修。主要原因是：泵出口壓力較高且介質(zhì)中含砂顆粒物將儀表內(nèi)襯管道或膜片磨漏，使儀表報(bào)廢。安裝在脫硫塔上的超聲波密度計(jì)、音叉密度計(jì)因循環(huán)漿液無規(guī)律流動和氣泡干擾，不能準(zhǔn)確測量漿液密度細(xì)微變化而未能正常投入。

目前脫硫塔循環(huán)漿液密度的測量方法，是應(yīng)用上述靜壓原理，通過定距離安裝在塔體上的三組壓力變送器，測得6個(gè)循環(huán)漿液壓力值，通過DCS計(jì)算，得到三個(gè)密度值。投入使用后，與實(shí)驗(yàn)室密度計(jì)測取的密度值比對，測量結(jié)果存在偏差。分析原因，有如下因素：

1)三組變送器安裝位置沒有處在工藝要求的石膏排出泵入口垂直區(qū)域或循環(huán)漿液泵入口區(qū)域(管道直徑范圍)，而是分布在該區(qū)域上部。造成所測數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室取樣(取樣口在石膏排出泵入口相同高度)測取數(shù)據(jù)存在偏差，始終偏低，且數(shù)據(jù)波動較大。

2)脫硫塔內(nèi)漿液密度存在梯度。由于脫硫劑漿液從噴嘴噴出自由降落，與鍋爐煙氣逆流接觸，液滴吸附煙氣后積聚在塔底儲桶，含有無數(shù)細(xì)小的氣泡，氣泡沖撞擴(kuò)大、上浮成為泡沫。反應(yīng)生成的石膏等結(jié)晶微粒在相互碰撞中相互粘連生長為較大晶體顆粒，與各種較大不溶顆粒物、泥沙自由沉淀，造成整個(gè)液位垂直范圍內(nèi)存在密度梯度。氣泡的存在，使測量結(jié)果出現(xiàn)靜態(tài)誤差。

3)攪拌器的旋轉(zhuǎn)形成脈動流動和漿液泵循環(huán)流動的影響。參見圖2。

圖2 攪拌器對密度測量的影響

每座脫硫塔安裝三套攪拌器，成120°分布。測量密度的壓力變送器距各攪拌器的距離各不相同。若漿液流動對每組密度變送器的作用強(qiáng)度和時(shí)間是同步的，其影響經(jīng)比較運(yùn)算會相互抵消，對所測密度沒有影響。事實(shí)上，由于三臺攪拌器距6臺壓力變送器接液膜片的距離各不相同，使脈動流作用到變送器上產(chǎn)生的擾動，不可能同步，各臺變送器測量膜片上的這些擾動此起彼伏，好比電子線路中的雜波干擾，淹沒了漿液因密度增大而產(chǎn)生的有效靜壓變化信號，不能通過DCS運(yùn)算而克服，導(dǎo)致測量結(jié)果失真。因此，將變送器安裝在脫硫塔上測量密度，結(jié)果并不理想。

3 自動沖洗循環(huán)周期測量漿液密度的方法

采用差壓法測量脫硫漿液、預(yù)灰桶調(diào)和液、石灰乳懸浮液密度，就必須研究采取有效方法消除漿液中氣泡給測量造成的靜態(tài)干擾和攪拌脈動給測量造成的動態(tài)干擾及砂液磨損問題。含有砂液顆粒物、疤塊物質(zhì)等客觀因素，要求測量裝置必須降低介質(zhì)壓力和流速，減少磨損效應(yīng)給儀表接液部位造成的損害；含有接液表面結(jié)疤效應(yīng)及沉降泥沙，要求裝置具有反沖洗功能，以延長儀表使用周期，降低儀表測量的故障率；調(diào)和液溫度較高，要求反沖洗水溫度與調(diào)和液、石灰乳溫度不可相差太大，以避免安裝在裝置上的pH電極發(fā)生炸裂損壞；探討設(shè)計(jì)新的取樣方法，即：全自動周期取樣循環(huán)測量漿液密度、pH值、自動清洗管道裝置，達(dá)到降低漿液壓力，減小流速，消除對儀表接液部位的沖刷、磨蝕，延長儀表使用壽命的目的。

1)為了克服石膏漿液、砂液對儀表檢測的不利因素,設(shè)計(jì)新型測量桶裝置、取樣管道、程控閥門，取樣塔內(nèi)被測漿液到測量桶，把密度差壓變送器和pH儀表電極安裝在測量桶上，以測量桶內(nèi)的漿液作為測量對象，克服脫硫塔內(nèi)部各種工藝環(huán)境對微差壓變送器的動態(tài)干擾和靜態(tài)干擾。

裝置如圖3。包括取樣截止閥、程控電動閥KV-001～KV-004(004″)、測量桶、壓力開關(guān)PS-01、PS-02、密度儀表PT-01、PT-02；pH值儀表電極AT-01及連接管線、智能控制儀表等。

圖3 脫硫塔循環(huán)漿液密度、pH值測量系統(tǒng)圖

2)為了實(shí)現(xiàn)對預(yù)灰桶內(nèi)調(diào)和液、石灰乳密度、pH值的測量，克服預(yù)灰桶內(nèi)環(huán)境對測量的干擾,應(yīng)用測量取樣控制裝置分別按控制流程進(jìn)行周期取樣。通過測量桶上安裝的密度差壓變送器和pH儀表電極，實(shí)現(xiàn)密度和pH值的測量。

裝置如圖4。KV-001～KV-004(004″)、KV-005為程控氣動球閥，由控制儀表按組態(tài)程序?qū)崿F(xiàn)取樣控制；FV-001為石灰乳調(diào)節(jié)閥；PT-01、PT-02為密度儀表；AT-01為pH值儀表電極；PS-01、PS-02為壓力開關(guān)。

圖4 預(yù)灰桶調(diào)和液、石灰乳密度、pH值測量系統(tǒng)圖

3)通過智能控制儀表程序組態(tài)，控制自動閥KV-001～KV-004(004″)和KV005的打開和關(guān)閉。整個(gè)系統(tǒng)將按如下流程完成漿液密度、pH值的測量及自動沖洗工作。

控制組態(tài)流程中的時(shí)間t需根據(jù)調(diào)試時(shí)閥門開啟情況、漿液、工藝水壓力變化進(jìn)行摸索確定，是整個(gè)裝置能否自動運(yùn)行的關(guān)鍵?？刂葡到y(tǒng)組態(tài)過程需與工藝操作技術(shù)人員密切溝通，滿足工藝運(yùn)行、操作的需要。

4 取樣裝置及儀表的技術(shù)要求和存在問題

1)取樣口選擇：根據(jù)脫硫工藝要求，只有兩處的漿液密度參數(shù)最有意義：進(jìn)入脫硫塔的鹽泥漿液密度和石膏排出泵入口石膏漿液的密度。所以，脫硫塔石膏漿液密度測量取樣口應(yīng)與石膏排出泵入口(也即手動取樣)在同一水平面且靠近石膏排出泵入口，以保證所測漿液具有代表性。

圖5 控制組態(tài)流程圖

蒸餾塔調(diào)和液取樣既要考慮樣品必須是預(yù)熱母液與石灰乳已充分混合，且已完成了化學(xué)反應(yīng)過程，又要使樣品位置盡量前移，以縮短測量過程的時(shí)間常數(shù)，減小控制系統(tǒng)的滯后時(shí)間。根據(jù)索爾維公司的經(jīng)驗(yàn)和安裝方法，應(yīng)將取樣點(diǎn)確定在預(yù)灰桶的中下部，可滿足工藝和儀表控制系統(tǒng)對被測參數(shù)——調(diào)和液密度和pH值的要求。

2)合理確定取樣管線、測量桶、排放管線的直徑比。裝置取樣應(yīng)用連通器原理靠液體靜壓實(shí)現(xiàn)自動取樣，取樣管徑小而測量桶管徑大，可使進(jìn)入測量桶的漿液向上流動的速度比取樣管內(nèi)流速大大降低而緩慢上升，減小對儀表接液部分的磨損。測量桶充滿漿液后，自動取樣閥關(guān)閉，樣品在桶內(nèi)流速為零。靜置，儀表完成密度、pH值測量；整個(gè)測量過程無動態(tài)干擾。

按控制程序規(guī)定的測量時(shí)間測取數(shù)據(jù)后，需將樣品漿液盡快排放。排放管徑選取應(yīng)盡可能大，目的是快速排放流動的沖洗水能沖洗掉粘附在閥門、管道、測量桶及儀表上的沉淀物。

3)降低測量桶頂部壓力，加快測量桶內(nèi)樣品漿液氣液分離速度。將脫硫塔漿液測量桶，自動閥管道與吸風(fēng)機(jī)入口管道相連；預(yù)灰桶調(diào)和液測量桶，自動閥管道與吸收尾氣凈氨塔入口管道相連；自動閥按控制程序在漿液靜置期間打開，造成測量桶頂部負(fù)壓。這樣，漿液中含有的微型氣泡因壓力降低膨脹，浮力增大迅速上升。匯集桶頂?shù)臍怏w，被排放或回收。

4)測量的密度值和pH值，通過DCS組態(tài)形成階段性測量曲線進(jìn)行儲存和處理，以備查對。預(yù)灰桶調(diào)和液的密度值和pH值，是預(yù)灰桶調(diào)和液復(fù)雜控制系統(tǒng)的被調(diào)參數(shù)，對進(jìn)入預(yù)灰桶的灰乳流量進(jìn)行修正和控制，優(yōu)化工藝指標(biāo)。

5)構(gòu)成整個(gè)裝置的接液部分材質(zhì)必須耐漿液或調(diào)和液腐蝕，自動閥選用氣動球閥或蝶閥。為了保證測量精度，儀表變送器量程不宜太小，0～15 kPa較為合適。測量桶高度定為1 500～2 000 mm。測量桶必須垂直安裝，傾斜度不得大于3 mm，保證測量精度。裝置安裝必須牢固，符合安全要求。

5 結(jié) 語

全自動周期取樣循環(huán)測量漿液密度、pH值系統(tǒng)裝置有效克服脫硫塔或預(yù)灰桶內(nèi)環(huán)境——漿液泡沫、砂液、攪拌器等對測量的影響，滿足靜壓力測量液體密度的理論要求。是一項(xiàng)很好的技術(shù)創(chuàng)新嘗試。通過控制系統(tǒng)組態(tài)，使儀表測量、沖洗更為靈活，既可投入自動，按設(shè)計(jì)的程序?qū)崿F(xiàn)循環(huán)測取密度、pH值，也可根據(jù)實(shí)際需要，人為控制測量和沖洗設(shè)備。