硫酸生產(chǎn)設(shè)備低成本修復(fù)與優(yōu)化淺析

林 楓，于 洋，金宙剛

（安徽省司爾特肥業(yè)股份有限公司，安徽寧國 242300）

安徽省司爾特肥業(yè)股份有限公司（以下簡稱司爾特肥業(yè)）700 kt/a氨化造粒緩釋復(fù)合肥搬遷擴(kuò)建項目各裝置于2012年12月陸續(xù)建成投產(chǎn)，配有2套硫酸裝置，分別為20 kt/a硫鐵礦制酸裝置和30 kt/a硫黃制酸裝置。20 kt/a硫鐵礦制酸裝置以硫鐵礦為原料，采用氧化焙燒、酸洗凈化、“3＋1”二轉(zhuǎn)二吸工藝；30 kt/a硫黃制酸裝置以硫黃為原料，采用快速熔硫、焚硫轉(zhuǎn)化、二轉(zhuǎn)二吸工藝。該項目運行至今，各裝置生產(chǎn)狀況良好，生產(chǎn)能力、開車率、主要原輔材料消耗及能源消耗均控制得較好。隨著運行時間的延長，各裝置內(nèi)的個別設(shè)備出現(xiàn)不同程度的腐蝕與損壞，這些設(shè)備與管閥件的修復(fù)工期、修復(fù)費用與合適的修復(fù)方案密切相關(guān)，合適的修復(fù)方案或改造方案的應(yīng)用，既能保證修復(fù)后設(shè)備的使用性能，又能大幅度地降低修復(fù)費用和修復(fù)所需要的停車時間，有效保證裝置的開車率。筆者曾兼任該公司硫酸分廠廠長近一年時間，期間組織實施了多個運行設(shè)備的低成本修復(fù)或改造方案。重點介紹了凈化工序電除霧器、二吸塔出塔尾氣切斷閥、鐘罩閥修復(fù)、干燥塔分酸器腐蝕原因排查與優(yōu)化處理等典型案例。

1 玻璃鋼電除霧器氣室修復(fù)方案

司爾特肥業(yè)200 kt/a硫鐵礦制酸裝置凈化工序電除霧器為玻璃鋼蜂窩管式電除霧器[1]，一級、二級電除霧器各2臺，2串2并操作。玻璃鋼電除霧器設(shè)備型號為DWFRP-196（Ⅰ），φ300蜂窩型內(nèi)圓共196支管，沉淀極管長度為4 500 mm，每臺電除霧器有效除霧截面積為15.24 m2，設(shè)備的上、下氣室及沉淀極管均為玻璃鋼材質(zhì)。該設(shè)備于2012年12月投入生產(chǎn)。

2018年發(fā)現(xiàn)4臺電除霧器相繼出現(xiàn)氣室玻璃鋼向內(nèi)變形現(xiàn)象，強(qiáng)度和剛度明顯下降，為阻止此現(xiàn)象繼續(xù)惡化，先對其中的1臺電除霧器氣室進(jìn)行玻璃鋼加固處理，方法是在內(nèi)壁大面積地糊制耐酸耐氟玻璃鋼增強(qiáng)層。因除霧器長期運行過程中，內(nèi)壁上粘附了少量的升華硫，在機(jī)械打磨處理內(nèi)壁時產(chǎn)生硫黃粉塵和二氧化硫，作業(yè)條件極其惡劣且安全風(fēng)險較高。電除霧器氣室內(nèi)壁大面積糊制玻璃鋼增強(qiáng)層的修復(fù)費用較高，單臺修理費用約10萬元，但是最終修復(fù)后投入運行一段時間再檢查時發(fā)現(xiàn)還是向內(nèi)變形，幾乎沒有增加設(shè)備的強(qiáng)度和剛度，設(shè)備的安全隱患依然存在。為查明原因，技術(shù)人員在氣室變形處鉆孔檢查，發(fā)現(xiàn)氣室玻璃鋼變形是因為內(nèi)部防腐內(nèi)襯層與結(jié)構(gòu)層及結(jié)構(gòu)層之間發(fā)生脫層現(xiàn)象，從而導(dǎo)致此處的玻璃鋼強(qiáng)度與剛度下降，在負(fù)壓作用下向內(nèi)變形。雖然變形量大且氣室玻璃鋼的強(qiáng)度和剛度下降，但內(nèi)襯防腐層基本的防腐功能仍然具備。解決上述問題的辦法是恢復(fù)該玻璃鋼的強(qiáng)度和剛度，于是技術(shù)人員采取夾板將氣室玻璃鋼各層壓實（將防腐層受到的負(fù)壓拉力通過壓板和拉桿直接作用到殼體框架上），恢復(fù)其強(qiáng)度和剛度，再用耐酸耐氟玻璃鋼將氣室內(nèi)的壓板封閉，既保持了氣室正常運行時所需要的強(qiáng)度和剛度，又方便修復(fù)施工，且修復(fù)費用相對下降約80%，減少了修復(fù)工程量，縮短了修復(fù)時間。4臺電除霧器采用上述方案修復(fù)，節(jié)約維修費總計約32萬元，修復(fù)后已經(jīng)連續(xù)運行2年，未發(fā)現(xiàn)有明顯的變形或腐蝕，修復(fù)效果明顯。

電除霧器氣室修復(fù)過程見圖1～3。

圖1 殼體內(nèi)側(cè)夾板布置實景

圖2 內(nèi)夾板玻璃鋼封閉后內(nèi)表面實景

圖3 殼體外側(cè)夾板拉桿布置實景

2 二吸塔出塔尾氣切斷閥簡易執(zhí)行器設(shè)計與應(yīng)用效果

司爾特肥業(yè)2套硫酸裝置尾氣共用1套尾氣吸收脫硫設(shè)施并經(jīng)1個排氣煙囪排空，在其中1套裝置停車檢修時會出現(xiàn)尾氣反串進(jìn)入停車的裝置設(shè)備內(nèi)，尾氣中的二氧化硫串入給設(shè)備檢修清理造成嚴(yán)重的安全隱患，還會對生產(chǎn)區(qū)域的大氣環(huán)境造成一定的影響。為此硫酸分廠曾在2套裝置的二吸塔出口管段上設(shè)置了抽插盲板法蘭，但是每次抽插盲板時費時費力且操作環(huán)境惡劣，作業(yè)人員需要佩戴防毒面罩才能持久作業(yè)。為改善操作條件，縮短作業(yè)時間，技術(shù)人員于2019年取消了硫黃制酸裝置上的盲板法蘭，安裝了手動開關(guān)的無泄漏切斷閥，在使用過程中發(fā)現(xiàn)全開或全關(guān)該閥需要轉(zhuǎn)動手輪約300多轉(zhuǎn)，耗時長，需要人工多。

經(jīng)研究，可選用小型減速機(jī)替代人工手動操作，考慮到手輪的轉(zhuǎn)動速度、需要的力度以及安裝方式，選擇了蝸桿蝸輪減速機(jī)作為切斷閥的執(zhí)行器進(jìn)行開關(guān)作業(yè)。經(jīng)過一年多的使用，達(dá)到了預(yù)期的效果。在2021年9月的大修中也按此方案在硫鐵礦制酸裝置的二吸塔出口安裝了無泄漏切斷閥及蝸桿蝸輪減速機(jī)傳動裝置。該減速機(jī)費用僅為0.5萬元，改造費用極低。

3 硫黃制酸裝置鐘罩閥修復(fù)方案

司爾特肥業(yè)硫黃制酸裝置于2013年3月建成投產(chǎn)，焚硫爐焚燒液硫產(chǎn)生的含二氧化硫煙氣約1 030 ℃，大部分煙氣經(jīng)火管鍋爐副產(chǎn)蒸汽后溫度降至335 ℃，為保證轉(zhuǎn)化器一段進(jìn)氣溫度，須將一部分焚硫爐高溫?zé)煔庵苯右粱鸸苠仩t后與335 ℃的低溫爐氣混合?？刂苹旌蠠煔獾臏囟燃s420 ℃進(jìn)入轉(zhuǎn)化器一段，達(dá)到轉(zhuǎn)化器催化劑較適宜的反應(yīng)溫度，為二氧化硫氧化成三氧化硫的順利進(jìn)行提供保障?？刂品倭驙t高溫爐氣進(jìn)入混合煙氣的閥門為鐘罩閥，該閥門結(jié)構(gòu)簡單，通過控制閥板（鐘罩）與閥座的距離來控制通過鐘罩閥的環(huán)形截面積大小，調(diào)節(jié)配風(fēng)所需的高溫?zé)煔饬縖2]。

因閥板長期受到1 000 ℃左右高溫?zé)煔獾难趸g，2021年1月，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)在鐘罩閥板未調(diào)節(jié)的情況下，轉(zhuǎn)化器一段進(jìn)口煙氣溫度突然升高失控，轉(zhuǎn)化器一段出口的煙氣溫度也隨之升高，為保護(hù)催化劑活性及轉(zhuǎn)化器設(shè)備的安全，裝置立即減負(fù)荷并配管將冷風(fēng)送至轉(zhuǎn)化器一段進(jìn)氣管段進(jìn)行冷激降溫以維持生產(chǎn)，同時聯(lián)系原鐘罩閥生產(chǎn)廠家采購鐘罩閥板更換。因臨近春節(jié)，工廠不能及時供貨且不提供配件，只銷售整閥。考慮到鐘罩閥價格高達(dá)30萬元/臺，且更換鐘罩閥所需時間較長，迫不得已采取變通的方案及時進(jìn)行修復(fù)。停爐降溫后以相對耐高溫的310不銹鋼板自制鐘罩閥板，依原連接方式與閥桿連接并以筋板加強(qiáng)，同時以磷酸鹽耐火澆注料修復(fù)閥座后恢復(fù)生產(chǎn)。在原始開車及調(diào)節(jié)生產(chǎn)負(fù)荷時，能按預(yù)期要求有效控制轉(zhuǎn)化器一段進(jìn)口煙氣的溫度，且正常運行一年后檢查無明顯燒蝕痕跡，可繼續(xù)安全可靠使用。此次修復(fù)鐘罩閥主、輔材料總費用約1.8萬元。修復(fù)后的情況見圖4～5。

圖4 自制的鐘罩閥安裝實景

圖5 鐘罩閥座澆注實景

4 干燥塔分酸器頻繁腐蝕處理方案

4.1 干燥塔分酸器腐蝕情況

技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)，硫黃制酸裝置在運行過程中，每到高溫高濕季節(jié)，干燥塔循環(huán)酸管、分酸器和酸冷卻器的陽極保護(hù)設(shè)施就無法正常運行，其控參電壓、監(jiān)參電壓均升高，遠(yuǎn)高于-200 mV，甚至于出現(xiàn)正電壓（電流0.5～10 A）。此時陽極保護(hù)設(shè)施不僅失去了防腐蝕作用，反而出現(xiàn)電化學(xué)腐蝕，增大了腐蝕速率[3]，導(dǎo)致干燥塔頂分酸器兩年內(nèi)就嚴(yán)重腐蝕，無法滿足干燥塔內(nèi)酸分配的作用和效果。同時加速了干燥塔絲網(wǎng)捕沫器的腐蝕，造成干燥空氣水分偏高，致使制酸裝置內(nèi)其他設(shè)備出現(xiàn)不同程度的腐蝕與損壞。為了保證干燥塔內(nèi)分酸效果，保護(hù)干燥酸循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的316L不銹鋼上酸和回酸管道、酸冷卻器、管槽式分酸器能安全可靠運行，司爾特肥業(yè)分別邀請陽極保護(hù)設(shè)施供應(yīng)商、酸冷卻器供應(yīng)商、分酸器供應(yīng)商一同就上述問題進(jìn)行會商分析，雖按照會商建議進(jìn)行了相應(yīng)的處理但未達(dá)到預(yù)期效果。之后技術(shù)人員提出了陽極保護(hù)有效運行的條件，即溫度盡量低、硫酸濃度盡量高，但由于沒有明確的硫酸溫度和濃度數(shù)據(jù)，一直未能消除此類腐蝕現(xiàn)象，只得每兩年更換1套分酸器，每套費用約20萬元?？紤]到采購成品的費用太高，司爾特肥業(yè)采購不銹鋼材料進(jìn)行自制或修復(fù)，即便如此也產(chǎn)生了大量的維修費用，同時影響了裝置的連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。

4.2 腐蝕原因分析

為徹底解決上述問題，消除對連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)的影響，技術(shù)人員采取了類比方法將該硫黃制酸裝置與正在運行的硫鐵礦制酸裝置的干燥酸循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，在保持同樣的吸收酸濃度情況下，硫鐵礦制酸裝置的上塔酸溫度與硫黃制酸的上塔酸溫度差別較大，數(shù)據(jù)見表1。

表1 硫鐵礦制酸裝置和硫黃制酸裝置干燥塔循環(huán)酸數(shù)據(jù)

為維持干燥塔循環(huán)酸濃度，各裝置均從吸收酸循環(huán)槽將高濃度的硫酸串入干燥塔，穩(wěn)定干燥塔酸濃度。硫鐵礦制酸裝置的二吸塔出塔酸溫度76～78℃，而硫黃制酸裝置因設(shè)置了低溫位熱回收，二吸塔出塔酸溫度一般為95 ℃，在低溫位熱回收蒸發(fā)器、脫鹽水加熱器、除氧水加熱器等低溫位熱回收換熱器酸側(cè)結(jié)垢的情況下，二吸塔出塔酸溫度可高達(dá)105 ℃，這部分高溫濃硫酸串酸進(jìn)入干燥塔循環(huán)酸中，會提高干燥塔循環(huán)酸溫度，雖然減少串酸可以降低干燥循環(huán)酸溫度，但會造成循環(huán)酸濃度偏低，無法保持陽極保護(hù)設(shè)施運行的必要條件，即循環(huán)酸溫較低和酸濃較高的要求。

4.3 防腐蝕解決方案

綜合考慮上述情況，技術(shù)人員認(rèn)為簡單快捷的解決方法是強(qiáng)化干燥循環(huán)酸冷卻器的降溫能力，通過強(qiáng)化操作，降低干燥循環(huán)酸溫度，盡量提高串酸量以提高干燥酸濃度，滿足設(shè)備和管道陽極保護(hù)的基本要求。經(jīng)查，酸冷卻器規(guī)格為φ900 mm×7 874 mm，總換熱面積160 m2，換熱管長5 994 mm，規(guī)格為φ19.05 mm×1.65 mm，數(shù)量總計489根，循環(huán)水進(jìn)出口為DN300管道，濃硫酸走殼程，循環(huán)水走管程。循環(huán)水管流通截面約為0.07 m2，冷卻器內(nèi)循環(huán)水流通截面積約為0.095 22 m2。由此可見，酸冷卻器循環(huán)水截面積約有34.8%的富余量，可適當(dāng)增加循環(huán)水管道截面積，增加循環(huán)水量。將干燥酸冷卻器的進(jìn)出水管道各并聯(lián)1根循環(huán)水管，同時將循環(huán)水壓力提高0.03 MPa，達(dá)到0.3 MPa，以此增加循環(huán)冷卻水量。該項措施于2021年3月初實施，在2021年梅雨高濕季節(jié)和高溫季節(jié)，干燥塔酸溫度有了明顯的下降，結(jié)果見表2。

表2 優(yōu)化前后硫黃制酸裝置干燥塔循環(huán)酸數(shù)據(jù)

干燥塔循環(huán)酸系統(tǒng)的陽極保護(hù)設(shè)施運行也趨于穩(wěn)定，因其他原因仍存在一定的波動，具體見表3。

表3 優(yōu)化前后分酸器陽極保護(hù)運行數(shù)據(jù)

經(jīng)優(yōu)化調(diào)整后，干燥酸冷卻器的換熱效果增強(qiáng)，能夠移走更多的干燥酸吸收水分產(chǎn)生的熱量和串入高溫酸帶入的熱量，保證了干燥循環(huán)酸濃度和干燥酸溫度指標(biāo)均能滿足陽極保護(hù)設(shè)施運行的必要條件。經(jīng)過2021年梅雨高濕季節(jié)及高溫季節(jié)的運行驗證，此項優(yōu)化調(diào)整的實施有效改善了硫黃制酸裝置的運行穩(wěn)定性，延長了干燥塔分酸器的使用壽命，同時干燥酸循環(huán)酸管也得到有效的保護(hù)，延長了使用壽命，減少了維修和保養(yǎng)的工作量，減少了高風(fēng)險的高空作業(yè)次數(shù)，提高了裝置的開車率，并減少了設(shè)備的維修費用。

4.4 有待解決的問題

干燥塔循環(huán)酸溫度和濃度雖已基本滿足陽極保護(hù)設(shè)施運行的基本要求，但另一個引發(fā)此問題的原因——低溫回收系統(tǒng)酸側(cè)結(jié)垢、二吸塔酸溫度超高的原因仍未查明，向國內(nèi)硫酸行業(yè)相關(guān)專家咨詢并按相關(guān)要求排查，效果不明顯，下一步技術(shù)人員將重點關(guān)注并力求解決該問題，最大限度發(fā)揮硫黃制酸低溫位熱回收的效率，為公司進(jìn)一步節(jié)能降耗、減碳減排奠定更堅實的基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

國內(nèi)硫酸裝置眾多且很多裝置運行已超過10年或更長時間，隨著新工藝、新技術(shù)、新材料、新設(shè)備的不斷涌現(xiàn)，硫酸裝置均有較大的升級改造、完善和提升空間，但在提高裝置的裝備水平的同時也會增加裝置的投入。本著簡單實用的原則，筆者以為在充分了解各設(shè)備、設(shè)施及部件的主要功能和操作頻率，保證安全、環(huán)保的情況下，可以因地制宜地進(jìn)行簡單實用、低成本的修復(fù)、改造與提升，同樣能達(dá)到預(yù)期的效果。