硫酸轉(zhuǎn)化工序氣體分析儀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

林成東，周天馳，童江，王召啟

(中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西 南昌 330031)

煙氣制硫酸系統(tǒng)主要包括： 凈化、干吸、轉(zhuǎn)化、廢酸處理、尾氣脫硫、硫酸存儲六個(gè)工序[1]。凈化工序除去煙氣中的有害雜質(zhì)后，經(jīng)干燥塔干燥后，通過轉(zhuǎn)化工序的二氧化硫鼓風(fēng)機(jī)輸送至熱交換器加熱到一定溫度后，再經(jīng)轉(zhuǎn)化器觸媒層催化氧化，使煙氣中的SO2轉(zhuǎn)化成SO3后送干吸工序制取硫酸。

SO2轉(zhuǎn)化過程是放熱過程，受限于觸媒的耐熱溫度和轉(zhuǎn)化器常用材料的許用溫度，硫酸生產(chǎn)過程中通常需要控制初始φ(SO2)在9.5%左右。在一定的溫度和壓力下，反應(yīng)平衡常數(shù)值為定值，與反應(yīng)氣體組成無關(guān)。在溫度、壓力和初始φ(SO2)相同的情況下，提高初始φ(O2)有利于獲得更高的SO2平衡轉(zhuǎn)化率。由于煙氣凈化工序出口的煙氣中SO2濃度較高，而氧硫比[2](φ(O2)/φ(SO2))偏低，通過調(diào)節(jié)干燥塔入口稀釋風(fēng)量來調(diào)節(jié)SO2初始濃度，將φ(SO2)稀釋到9.5%，同時(shí)保證氧硫比在合理范圍。轉(zhuǎn)化工序中φ(SO2)及氧硫比控制方案如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)化工序中φ(SO2)及氧硫比控制示意

二氧化硫鼓風(fēng)機(jī)出口的φ(SO2)和φ(O2)是整個(gè)制酸系統(tǒng)中比較重要的數(shù)據(jù)。目前二氧化硫鼓風(fēng)機(jī)出口的氣體分析儀系統(tǒng)在使用中普遍存在易堵、維護(hù)量大、系統(tǒng)不穩(wěn)定、檢測分析滯后時(shí)間長等問題[3-4]。通過合理設(shè)計(jì)優(yōu)化分析儀系統(tǒng)，在實(shí)際工程應(yīng)用中很好地解決了以上問題。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

SO2和O2氣體分析儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用原位抽取樣氣方法，設(shè)計(jì)為模塊化單元，由取樣單元、反吹單元、樣氣傳輸單元、預(yù)處理單元、分析儀單元、現(xiàn)場控制單元組成。正常工況時(shí)，二氧化硫鼓風(fēng)機(jī)出口煙氣含有少量煙塵，一般的分析儀系統(tǒng)通過在取樣器內(nèi)置過濾器[5]進(jìn)行處理。但是如果上游凈化工序效果不理想，則該處會存在酸霧并可能產(chǎn)生酸泥，造成分析儀系統(tǒng)易堵且維護(hù)量大。因此該系統(tǒng)配置了1套反吹單元，利用合理的邏輯控制通過反吹掃解決宜堵問題；通過對取樣探頭的材質(zhì)和尺寸合理選擇，計(jì)算取樣探頭的合理插入深度，使得取樣更具有代表性；結(jié)合實(shí)際工況優(yōu)化預(yù)處理單元設(shè)計(jì)，采用了三路冷凝除水和精密過濾，并結(jié)合取樣傳輸距離和路線規(guī)劃以及分析儀流量控制，保證了樣氣的連續(xù)穩(wěn)定性，減少了維護(hù)量，也解決了取樣傳輸滯后時(shí)間長的問題；對分析儀合理選型，采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)取樣分析，避免串聯(lián)取樣過程由于分析儀進(jìn)出口的壓差，增加串聯(lián)線路上分析儀的濃度檢測誤差，提高了檢測精度。該套分析儀系統(tǒng)包括取樣分析和反吹掃兩種工作狀態(tài)。

圖2 SO2和O2氣體分析儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

取樣分析時(shí)，系統(tǒng)從取樣器獲取樣氣，此時(shí)吹掃單元的反吹閥及排污閥均處于關(guān)閉狀態(tài)，通斷閥處于打開狀態(tài)。樣氣通過現(xiàn)場反吹單元的排污器，經(jīng)過電伴熱的樣氣傳輸單元進(jìn)入預(yù)處理單元，此時(shí)預(yù)處理單元的冷凝器排水閥處于關(guān)閉狀態(tài)。樣氣經(jīng)過三路冷凝除水和精密過濾，最后樣氣并聯(lián)進(jìn)入SO2和O2分析儀。

反吹掃分兩條線路，反吹掃過程由現(xiàn)場控制單元的PLC進(jìn)行控制。一路吹掃氣負(fù)責(zé)吹掃取樣器，吹掃步驟如下： 吹掃氣先通過反吹閥1經(jīng)排污器下部的排污閥，吹掃干凈排污管路；關(guān)閉反吹閥1，關(guān)閉通斷閥1和閥2，再打開反吹閥2吹掃排污器；關(guān)閉排污閥打開通斷閥1，吹掃取樣器。通過對閥門動(dòng)作的順控邏輯合理設(shè)計(jì)，避免將可能存在的酸泥直接吹入取樣器的過濾器中。另一路吹掃氣通過反吹閥3經(jīng)減壓閥減壓后進(jìn)入樣氣傳輸單元和預(yù)處理單元進(jìn)行吹掃。此時(shí)通斷閥2關(guān)閉，冷凝器所有排水閥打開，預(yù)處理單元的三通保護(hù)閥切換至放空位置，避免雜質(zhì)吹入精密過濾器及分析儀。

2 關(guān)鍵單元介紹

2.1 取樣單元

取樣器插入式安裝在二氧化硫鼓風(fēng)機(jī)出口碳鋼管道上，SO2和O2的取樣采用同一套取樣器。取樣器選用316L不銹鋼取樣探頭，內(nèi)置樣氣過濾器，將工藝煙氣中的絕大多數(shù)雜質(zhì)顆粒物去除。由取樣點(diǎn)采集的樣氣需要具有代表性，通過取樣系統(tǒng)后不能引起組分和含量的較大變化。合理的安裝方式有利于實(shí)現(xiàn)煙氣成分中的氣固分離，防止固體粉塵顆粒堵塞取樣器濾芯。取樣器的安裝方式如圖3所示，選擇在水平管道上取樣時(shí)，取樣器垂直安裝于管道的上部；選擇在垂直管道上取樣時(shí)，要求煙氣氣流方向至上而下，采取斜插入管道方式，與管道方向的夾角在(45±5)(°)。

圖3 取樣器安裝示意

2.2 預(yù)處理單元

預(yù)處理單元是分析儀系統(tǒng)的基礎(chǔ)和核心，分析儀對樣氣的溫度、水分含量、腐蝕性氣體含量、灰塵粒度等條件要求嚴(yán)格。樣氣的品質(zhì)直接影響分析儀的分析效果，甚至可能毀壞分析儀元器件，合理配置樣氣預(yù)處理單元十分重要。預(yù)處理單元的設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)： 使進(jìn)入分析儀的樣氣條件保持一致，即抑制溫度、壓力及含塵量等方面的變化[6]；盡可能減小樣氣送入分析儀的滯后時(shí)間；通過預(yù)處理單元后，被測組分性質(zhì)不變；連續(xù)工作，要求長時(shí)間保持穩(wěn)定。

二氧化硫鼓風(fēng)機(jī)出口的煙氣壓力為正壓，正常壓力為30 kPa左右，從經(jīng)濟(jì)性考慮，預(yù)處理單元未設(shè)置取樣泵。該系統(tǒng)的預(yù)處理單元的組成由圖2可知，由冷凝器、過濾器、保護(hù)閥、切換閥、排污閥、流量計(jì)等組成。系統(tǒng)采用旋壓式壓縮機(jī)型冷凝器，快速分離樣氣中的水汽雜質(zhì)；選用表面微孔式精密過濾器用于過濾水分和粉塵。通過冷凝器除水和精密過濾后，為分析儀提供常溫且不含水汽、無腐蝕性、無干擾性的潔凈且不失真的樣氣，確保分析儀準(zhǔn)確快速地反映氣體成分的變化[7]。

2.3 分析儀

目前針對SO2氣體的分析，主要有紅外線分析儀和紫外線分析儀兩種。紅外分析儀采用非分散紅外氣體分析測量法(NDIR)，測量精度高，技術(shù)成熟且使用壽命長，適用范圍比較廣，可用于中、高濃度組分測量，但受干擾較大，對預(yù)處理裝置要求高。紫外線分析儀采用差分吸收光譜測量法(DOAS)，不受水分干擾，測量精度高，但成本高，光源存在衰減，適用于低濃度組分測量。二氧化硫鼓風(fēng)機(jī)出口煙氣中φ(SO2)較高，控制在9.5%左右。結(jié)合該系統(tǒng)取樣所采用的是原位抽取樣氣法，從穩(wěn)定性和可靠性考慮，選擇紅外氣體分析儀，用于中高濃度SO2的檢測。

O2的分析主要有順磁式、氧化鋯、電化學(xué)式三種原理的氧分析儀。二氧化硫鼓風(fēng)機(jī)出口煙氣中SO2含量高，且含微量酸霧，氧化鋯分析儀在該工況環(huán)境下使用壽命短，測量不穩(wěn)定。電化學(xué)原理主要用于高純度氣體中含微量氧的分析[8]，且不宜用于酸性氣體工況。順磁式目前主要包括磁力機(jī)械式和磁壓式氧分析儀，相比之下磁力機(jī)械式對樣氣的質(zhì)量即對預(yù)處理單元的要求特別高。結(jié)合實(shí)際工況，選擇磁壓式氧分析儀檢測二氧化硫鼓風(fēng)機(jī)出口煙氣中的O2濃度。

2.4 反吹及控制單元

分析儀系統(tǒng)設(shè)置的反吹單元與現(xiàn)場控制單元配合使用。配置1套小型PLC，通過合理的邏輯控制，執(zhí)行取樣分析及反吹掃過程中管路上的閥門等設(shè)備的切換動(dòng)作，確保分析儀系統(tǒng)測量的穩(wěn)定性，解決系統(tǒng)易堵、維護(hù)量大的問題?，F(xiàn)場觸摸屏上可選擇手動(dòng)和自動(dòng)反吹掃兩種模式。

3 關(guān)鍵問題解決

3.1 探頭尺寸及插入深度

二氧化硫鼓風(fēng)機(jī)出口碳鋼管道通常為DN2 000左右，需要確保取樣器的探頭安裝在管道中的固有頻率fn低于煙氣流經(jīng)取樣探頭產(chǎn)生的旋渦頻率fs，防止取樣探頭產(chǎn)生共振現(xiàn)象，二氧化硫鼓風(fēng)機(jī)出口管道安裝氣體分析系統(tǒng)取樣探頭的允許長度L計(jì)算如式(1)所示[9]：

(1)

式中：Fm——實(shí)際質(zhì)量因子，對于煙氣介質(zhì)取值Fm=1；St——斯特勞哈爾數(shù)，取值St=0.2；v——煙氣在探頭處的流速，工藝設(shè)計(jì)正常取值v=20 m/s；D——探頭的外徑，mm；Di——探頭的內(nèi)徑，mm；E——316L材質(zhì)探頭材料的彈性系數(shù)，取值E=19 700 kg/cm2；ρ——探頭材料密度，取值ρ=7 980 kg/m3。

DN2000的管道，一般探頭插入深度Lλ取值0.3D～0.5D，對應(yīng)Lλ取值范圍為60～100 cm，必須保證L>Lλ。經(jīng)計(jì)算探頭選擇DN20及以上時(shí)能滿足要求,DN20探頭的外徑D=27 mm，內(nèi)徑Di=20 mm，計(jì)算得到L不大于125 cm。DN25探頭的外徑D=33 mm，內(nèi)徑Di=25 mm，計(jì)算得到L不大于153 cm?？紤]到管道煙氣流速波動(dòng)及防堵問題，采用DN25的取樣探頭,Lλ取值80 cm左右。合理的插入深度使取樣樣氣更具有代表性，很大程度上解決了系統(tǒng)不穩(wěn)定、誤差大的問題。

3.2 傳輸滯后時(shí)間

取樣后的樣氣傳輸要求滯后時(shí)間t<60 s。樣氣傳輸管線選用外徑為6 mm的防腐四氟管，管線在現(xiàn)場敷設(shè)時(shí)盡量走直線，避免直角、銳角。t計(jì)算如式(2)所示：

(2)

式中：V——樣氣傳輸總體積，包括取樣管路段體積V1和預(yù)處理段體積V2；qV——樣氣的體積流量。

從式(2)可以看出，分析儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中需要充分考慮整個(gè)管線配置的合理性： 一方面要求取樣點(diǎn)到分析儀預(yù)處理單元之間敷設(shè)距離及路徑的合理設(shè)計(jì)；另一方面要求樣氣管路和預(yù)處理總體積(包括過濾器容積、排污器容積、冷凝器內(nèi)腔體容積)等的合理設(shè)計(jì)。由于V為恒定值，為確保t可控，通過流量調(diào)節(jié)，使進(jìn)入分析儀的樣氣流速保持在一個(gè)穩(wěn)定值，不隨工藝管道煙氣流量頻繁波動(dòng)。

二氧化硫鼓風(fēng)機(jī)都安裝在風(fēng)機(jī)房內(nèi)，將分析儀系統(tǒng)的分析小屋設(shè)置在風(fēng)機(jī)房旁，取樣點(diǎn)與分析儀系統(tǒng)預(yù)處理單元之間距離一般不會超過15 m。結(jié)合實(shí)際配置的預(yù)處理單元總體積，通過流量調(diào)節(jié)，使進(jìn)入分析儀單元的樣氣流量控制在0.8～1.2 L/min范圍，整個(gè)系統(tǒng)的t<30 s。

3.3 SO2濃度和氧硫比控制

分析儀系統(tǒng)獲取的φ(SO2)和φ(O2)數(shù)據(jù)，通過4～20 mA信號傳輸進(jìn)入DCS進(jìn)行監(jiān)控，DCS根據(jù)濃度測量值通過PID運(yùn)算，調(diào)節(jié)干燥塔入口稀釋風(fēng)閥門開度來控制φ(SO2)并將氧硫比保持在合理范圍。進(jìn)入轉(zhuǎn)化器的一般煙氣的氧硫比不小于1.0[10]，在生產(chǎn)過程中通過調(diào)節(jié)干燥塔入口的稀釋風(fēng)閥門對φ(SO2)和氧硫比進(jìn)行調(diào)整。正常操作時(shí)以調(diào)節(jié)φ(SO2)為主，設(shè)定值為9.5%。當(dāng)氧硫比小于設(shè)計(jì)值對總轉(zhuǎn)化率造成影響時(shí)再調(diào)整氧硫比。

4 系統(tǒng)應(yīng)用效果

某工程項(xiàng)目投產(chǎn)后分析儀系統(tǒng)已經(jīng)連續(xù)運(yùn)行數(shù)月，φ(SO2)和φ(O2)實(shí)時(shí)變化趨勢如圖4所示。φ(SO2)基本控制在9.4%～9.8%內(nèi)，φ(O2)基本保持在12%～12.5%內(nèi)，氧硫比保持在1.25左右。工廠多次將測量值與化驗(yàn)值進(jìn)行對比，誤差均在±2%的可接受范圍以內(nèi)。分析儀系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精度、氧硫比的控制均滿足轉(zhuǎn)化工序的工藝要求。

圖4 φ(SO2)和φ(O2)實(shí)時(shí)變化趨勢示意

5 結(jié)束語

結(jié)合轉(zhuǎn)化工序中煙氣的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的SO2和O2分析儀系統(tǒng)，對取樣探頭材質(zhì)、尺寸及插入深度進(jìn)行了計(jì)算選擇。針對二氧化硫鼓風(fēng)機(jī)出口煙氣成分及雜質(zhì)特點(diǎn)，設(shè)置了反吹單元，并對預(yù)處理單元進(jìn)行了合理優(yōu)化設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)很好地解決了系統(tǒng)易堵維護(hù)量大、不穩(wěn)定、樣氣傳輸滯后時(shí)間長導(dǎo)致檢測滯后等問題。系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，投入實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行后性能穩(wěn)定且維護(hù)量小，具有推廣性。