煙氣制酸干吸工段自動(dòng)控制及儀表設(shè)備選型

黃 鶴，李孝飛

（1.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160;2.中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038）

1 引言

冶煉后SO2煙氣經(jīng)過凈化工序后進(jìn)入干燥塔，在干燥塔經(jīng)過93%酸逆流洗滌除去煙氣中水分后送入轉(zhuǎn)化工段，實(shí)現(xiàn)SO2轉(zhuǎn)化為SO3再回到吸收塔經(jīng)過98%酸吸收形成H2SO4。煙氣制酸干吸工段過程檢測及控制系統(tǒng)流程見圖1。

2 主要自動(dòng)控制策略

2.1 串酸控制

干燥塔出口SO2煙氣在進(jìn)入轉(zhuǎn)化工序前需利用93%濃硫酸吸收煙氣中的水分，避免水分進(jìn)入SO2鼓風(fēng)機(jī)及轉(zhuǎn)化工序設(shè)備，造成設(shè)備腐蝕。干燥塔吸收煙氣中的水分后酸濃度不斷降低，同時(shí)干燥循環(huán)槽的液位上升［1］。

吸收塔是利用濃度為98%的濃硫酸吸收轉(zhuǎn)化后的SO3氣體，吸收反應(yīng)方程式為：

可以看出吸收塔酸濃度在吸收SO3氣體后不斷升高，同時(shí)吸收循環(huán)槽的位也會(huì)上升。

為了維持干燥塔93%濃硫酸的最佳干燥濃度和吸收塔98%濃硫酸的最佳吸收濃度，以及干燥循環(huán)槽和吸收循環(huán)槽的液位，生產(chǎn)過程中需采取串酸方式調(diào)節(jié)。

在工程設(shè)計(jì)中干吸工段的串酸方式主要有以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：

（1）干燥循環(huán)槽向一吸循環(huán)槽串酸，根據(jù)一吸循環(huán)槽酸濃度控制串酸調(diào)節(jié)閥。

（2）一吸循環(huán)槽向干燥循環(huán)槽串酸，根據(jù)一吸循環(huán)槽液位控制串酸調(diào)節(jié)閥。

（3）二吸循環(huán)槽向一吸循環(huán)槽串酸，根據(jù)二吸循環(huán)槽液位控制串酸調(diào)節(jié)閥。

最終系統(tǒng)產(chǎn)生的93%酸或98%酸通過干燥循環(huán)槽或一吸循環(huán)槽至地下槽送至酸罐區(qū)儲(chǔ)存。除以上串酸調(diào)節(jié)的控制外，還應(yīng)根據(jù)干燥酸循環(huán)槽和吸收酸循環(huán)槽的酸濃度，調(diào)節(jié)加水量，以滿足最終產(chǎn)品的濃度要求［2-3］。

圖1 煙氣制酸干吸工段過程檢測及控制系統(tǒng)流程圖

2.2 循環(huán)酸冷卻器控制

干吸工段SO3吸收水分產(chǎn)生H2SO4的過程會(huì)產(chǎn)生大量的熱，工藝設(shè)計(jì)過程中通過循環(huán)酸冷卻器使其降溫。在此過程中酸冷卻器出入口酸溫度，酸冷卻器出入口水溫度的控制對于整個(gè)循環(huán)過程設(shè)備效率起到重要作用。在實(shí)際生產(chǎn)過程中根據(jù)酸冷卻器出口酸溫度控制冷卻水用量。

SO3吸收過程酸溫控制對于干吸流程起著至關(guān)重要的作用，當(dāng)酸溫過高降低吸收效率，造成SO3損失，同時(shí)會(huì)加大對干吸設(shè)備的腐蝕；酸溫過低會(huì)導(dǎo)致氣相與液相溫差過大，形成酸霧，不利于后續(xù)尾氣吸收。

根據(jù)熱量平衡公式

式中：C酸：硫酸比熱容；C水：水比熱容；m酸：干燥/吸收塔上酸量；m水：冷卻器循環(huán)水量；Δt酸：酸冷器出入口酸溫差；Δt水：酸冷器出入口水溫差。

當(dāng)其余參數(shù)固定時(shí)，通過調(diào)節(jié)冷卻器循環(huán)水量（m水）可實(shí)現(xiàn)換熱器出口酸溫度（Δt出酸）控制。此外為防止循環(huán)酸冷卻器漏酸，還應(yīng)在每臺(tái)循環(huán)酸冷卻器出水管道上設(shè)置漏酸報(bào)警設(shè)備。

3 主要儀表選型

3.1 酸濃度測量

目前98%酸濃度測量常采用電磁式（又稱電導(dǎo)率式）硫酸濃度儀，由于硫酸電導(dǎo)率隨硫酸濃度升高而降低，因此通過測量濃硫酸的電導(dǎo)率可推算出硫酸濃度［4］。

但是對于93%酸來說，電導(dǎo)率-硫酸濃度曲線緩慢變化區(qū)，因此93%酸不適合用電導(dǎo)率檢測的方法測量酸濃。

目前93%酸濃度測量方式有超聲波濃度儀、折光濃度儀［5］。超聲波濃度儀的測量原理是硫酸濃度每變化1%，將引起19m/s 的聲速變化，通過發(fā)射脈沖和反射回來的超聲脈沖時(shí)間差S，推導(dǎo)硫酸濃度值。折光濃度儀的測量原理是建立于臨界角的技術(shù)，基于化工液體的折射率（又稱折光率、折光系數(shù)）是化工液體的物理常數(shù)，液體純物質(zhì)都有一定的折射率。對于一般化工液體，當(dāng)光線通過不同濃度的液體時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的折光率，濃度越高，折光率越大，根據(jù)“溶液折光率--溶質(zhì)濃度”的經(jīng)驗(yàn)變化規(guī)律，可以用折光儀簡便地測出溶質(zhì)的濃度。

圖2 硫酸濃度與電導(dǎo)率關(guān)系圖

3.2 循環(huán)槽液位檢測

干燥循環(huán)槽、一吸循環(huán)槽、二吸循環(huán)槽及地下槽液位均選用耐腐蝕雷達(dá)液位計(jì)。為防止槽內(nèi)酸霧凝集到雷達(dá)液位計(jì)上，雷達(dá)液位計(jì)探頭應(yīng)選用PTFE 棒狀天線，這樣可有效防止酸霧凝集，如圖3 所示。

3.3 循環(huán)酸冷卻器出入口酸溫度檢測

根據(jù)測量溫度范圍選擇Pt 100 熱電阻。綜合考慮響應(yīng)時(shí)間及耐腐蝕性，最終選擇不銹鋼外涂PTFE 涂層的法蘭連接熱電阻。

3.4 循環(huán)酸冷卻器酸出口流量檢測

由圖2 可知，75℃時(shí)，93%濃硫酸導(dǎo)電率為330mS/cm；98%濃硫酸的導(dǎo)電率為230mS/cm，因此，濃硫酸流量檢測選用電磁流量計(jì)即可。電磁流量計(jì)電極材料選擇鉭，襯里材質(zhì)選擇PTFE，被測介質(zhì)管道材質(zhì)為316，因此無需再另選接地環(huán)。電磁流量計(jì)安裝時(shí)必須注意滿足前后直管段的要求且必須保證被測介質(zhì)滿管。

3.5 干吸過程壓力檢測

干吸工段壓力檢測主要有循環(huán)冷卻水和濃硫酸。循環(huán)冷卻水壓力檢測選用螺紋連接壓力變送器，接液部分材質(zhì)選擇316L；濃硫酸壓力檢測選用帶毛細(xì)管法蘭連接隔膜壓力變送器，膜片材質(zhì)選用哈氏合金，變送器放置于玻璃鋼儀表保護(hù)箱內(nèi)，安裝于便于操作人員觀測的位置。

3.6 漏酸檢測

常用的漏酸檢測方法有測量循環(huán)水出口管道的電導(dǎo)率值或是pH 值。

當(dāng)制酸循環(huán)冷卻水電導(dǎo)率很低時(shí)，發(fā)生漏酸情況，會(huì)導(dǎo)致冷卻水電導(dǎo)率增大，通過電導(dǎo)率分析儀實(shí)現(xiàn)報(bào)警。同樣，漏酸會(huì)導(dǎo)致冷卻水pH 發(fā)生變化，通過pH 分析儀實(shí)現(xiàn)報(bào)警。兩種分析儀表各有優(yōu)缺點(diǎn)，pH 分析儀漂移大，測量范圍??；而電導(dǎo)率分析儀受水質(zhì)影響較大。因此當(dāng)使用的冷卻水中鹽類較多時(shí)可選擇 pH 電化學(xué)分析儀作為漏酸報(bào)警儀;當(dāng)水質(zhì)比較穩(wěn)定時(shí)可采用電導(dǎo)式檢測儀作為漏酸報(bào)警儀［6］。

無論是電導(dǎo)率分析儀還是pH 分析儀均選用在線插拔式安裝支架。這樣可以在不影響生產(chǎn)的情況下完成設(shè)備維護(hù)，如圖4 所示。

圖3 PTFE 棒狀天線雷達(dá)

圖4 pH/電導(dǎo)率在線插拔安裝支架

4 結(jié)語

煙氣制酸由于其工藝介質(zhì)腐蝕性強(qiáng)，工藝流程相對復(fù)雜。在自動(dòng)控制及儀表選型方面經(jīng)常存在問題，本文以實(shí)際設(shè)計(jì)項(xiàng)目為依據(jù)，對于干吸工段的主要儀控問題進(jìn)行闡述，為今后設(shè)計(jì)提供參考。