煙氣制酸干吸工段自動控制及儀表設備選型

黃 鶴，李孝飛

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

1 引言

冶煉后SO2煙氣經過凈化工序后進入干燥塔，在干燥塔經過93%酸逆流洗滌除去煙氣中水分后送入轉化工段，實現SO2轉化為SO3再回到吸收塔經過98%酸吸收形成H2SO4。煙氣制酸干吸工段過程檢測及控制系統流程見圖1。

2 主要自動控制策略

2.1 串酸控制

干燥塔出口SO2煙氣在進入轉化工序前需利用93%濃硫酸吸收煙氣中的水分，避免水分進入SO2鼓風機及轉化工序設備，造成設備腐蝕。干燥塔吸收煙氣中的水分后酸濃度不斷降低，同時干燥循環槽的液位上升［1］。

吸收塔是利用濃度為98%的濃硫酸吸收轉化后的SO3氣體，吸收反應方程式為：

可以看出吸收塔酸濃度在吸收SO3氣體后不斷升高，同時吸收循環槽的位也會上升。

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，以及干燥循環槽和吸收循環槽的液位，生產過程中需采取串酸方式調節。

在工程設計中干吸工段的串酸方式主要有以下幾個環節：

（1）干燥循環槽向一吸循環槽串酸，根據一吸循環槽酸濃度控制串酸調節閥。

（2）一吸循環槽向干燥循環槽串酸，根據一吸循環槽液位控制串酸調節閥。

（3）二吸循環槽向一吸循環槽串酸，根據二吸循環槽液位控制串酸調節閥。

最終系統產生的93%酸或98%酸通過干燥循環槽或一吸循環槽至地下槽送至酸罐區儲存。除以上串酸調節的控制外，還應根據干燥酸循環槽和吸收酸循環槽的酸濃度，調節加水量，以滿足最終產品的濃度要求［2-3］。

圖1 煙氣制酸干吸工段過程檢測及控制系統流程圖

2.2 循環酸冷卻器控制

干吸工段SO3吸收水分產生H2SO4的過程會產生大量的熱，工藝設計過程中通過循環酸冷卻器使其降溫。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循環過程設備效率起到重要作用。在實際生產過程中根據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重要的作用，當酸溫過高降低吸收效率，造成SO3損失，同時會加大對干吸設備的腐蝕；酸溫過低會導致氣相與液相溫差過大，形成酸霧，不利于后續尾氣吸收。

根據熱量平衡公式

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。

當其余參數固定時，通過調節冷卻器循環水量（m水）可實現換熱器出口酸溫度（Δt出酸）控制。此外為防止循環酸冷卻器漏酸，還應在每臺循環酸冷卻器出水管道上設置漏酸報警設備。

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（又稱電導率式）硫酸濃度儀，由于硫酸電導率隨硫酸濃度升高而降低，因此通過測量濃硫酸的電導率可推算出硫酸濃度［4］。

但是對于93%酸來說，電導率-硫酸濃度曲線緩慢變化區，因此93%酸不適合用電導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，通過發射脈沖和反射回來的超聲脈沖時間差S，推導硫酸濃度值。折光濃度儀的測量原理是建立于臨界角的技術，基于化工液體的折射率（又稱折光率、折光系數）是化工液體的物理常數，液體純物質都有一定的折射率。對于一般化工液體，當光線通過不同濃度的液體時會產生不同的折光率，濃度越高，折光率越大，根據“溶液折光率--溶質濃度”的經驗變化規律，可以用折光儀簡便地測出溶質的濃度。

圖2 硫酸濃度與電導率關系圖

3.2 循環槽液位檢測

干燥循環槽、一吸循環槽、二吸循環槽及地下槽液位均選用耐腐蝕雷達液位計。為防止槽內酸霧凝集到雷達液位計上，雷達液位計探頭應選用PTFE 棒狀天線，這樣可有效防止酸霧凝集，如圖3 所示。

3.3 循環酸冷卻器出入口酸溫度檢測

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

3.4 循環酸冷卻器酸出口流量檢測

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

3.5 干吸過程壓力檢測

干吸工段壓力檢測主要有循環冷卻水和濃硫酸。循環冷卻水壓力檢測選用螺紋連接壓力變送器，接液部分材質選擇316L；濃硫酸壓力檢測選用帶毛細管法蘭連接隔膜壓力變送器，膜片材質選用哈氏合金，變送器放置于玻璃鋼儀表保護箱內，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水出口管道的電導率值或是pH 值。

當制酸循環冷卻水電導率很低時，發生漏酸情況，會導致冷卻水電導率增大，通過電導率分析儀實現報警。同樣，漏酸會導致冷卻水pH 發生變化，通過pH 分析儀實現報警。兩種分析儀表各有優缺點，pH 分析儀漂移大，測量范圍??；而電導率分析儀受水質影響較大。因此當使用的冷卻水中鹽類較多時可選擇 pH 電化學分析儀作為漏酸報警儀;當水質比較穩定時可采用電導式檢測儀作為漏酸報警儀［6］。

無論是電導率分析儀還是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的情況下完成設備維護，如圖4 所示。

圖3 PTFE 棒狀天線雷達

圖4 pH/電導率在線插拔安裝支架

4 結語

煙氣制酸由于其工藝介質腐蝕性強，工藝流程相對復雜。在自動控制及儀表選型方面經常存在問題，本文以實際設計項目為依據，對于干吸工段的主要儀控問題進行闡述，為今后設計提供參考。