氣瓶二氧化硫高效利用裝置的應用研究

王延強，馬 軍，王天才，于麗娜，劉興燾，俞宏山

（金川集團股份有限公司，甘肅 金昌 737100）

0 引言

二氧化硫?qū)儆诹蜓趸铮且环N有強烈刺激性氣味的無色氣體，有毒，易溶于水。二氧化硫具有良好的還原性，常作為還原劑被廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)中。液態(tài)二氧化硫以鋼瓶為容器，與現(xiàn)場二氧化硫管道通過閥門、高壓橡膠管連接，使用過程中，氣瓶內(nèi)液態(tài)二氧化硫經(jīng)吸收環(huán)境熱量氣化后進入各用氣點。由于設備設計自動化程度低，無固定氣化熱源，無法自動控制氣瓶二氧化硫的氣化壓力及溫度，隨著氣瓶內(nèi)二氧化硫的減少，會出現(xiàn)二氧化硫管道出口溫度低，高壓橡膠管及鋼瓶外層結(jié)霜、二氧化硫氣化不充分、管道內(nèi)二氧化硫壓力降低現(xiàn)象，導致二氧化硫利用率低、氣瓶更換頻繁，人員勞動強度大，安全系數(shù)降低等問題。

針對以上問題，設計一種自動化程度高、安全系數(shù)大的氣瓶二氧化硫高效利用裝置，實現(xiàn)氣瓶二氧化硫氣化的自動化控制，穩(wěn)定二氧化硫出口溫度，提高二氧化硫氣化率，穩(wěn)定二氧化硫使用壓力，改善設備運行條件及環(huán)境，減少氣瓶更換頻次，提高二氧化硫利用率，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益，消除因管道、鋼瓶受冷結(jié)霜等造成的安全隱患，延長設備使用壽命。

1 設備簡介及存在的主要問題

1.1 傳統(tǒng)二氧化硫使用裝置簡述

傳統(tǒng)二氧化硫使用裝置主要由鋼瓶、匯流排以及附屬管道閥門流量計、壓力表組成。

在工業(yè)生產(chǎn)中，液態(tài)二氧化硫通常以鋼瓶為儲存容器，由二氧化硫生產(chǎn)點運至生產(chǎn)現(xiàn)場。經(jīng)高壓橡膠短管與廠房內(nèi)配置的二氧化硫管道連接，組裝成傳統(tǒng)的二氧化硫使用裝置。在使用過程中，鋼瓶中的液態(tài)二氧化硫經(jīng)吸收外界熱量緩慢氣化，并通過自身壓力被壓入?yún)R流排中，再經(jīng)廠房二氧化硫管道進入各用氣點。該種方式常常由于管道壓力較低，二氧化硫使用不到50%，便無法滿足現(xiàn)場生產(chǎn)需要，急需更換。

1.2 二氧化硫使用過程中存在的問題

1.2.1 匯流排出口溫度低，管道結(jié)霜嚴重，存在安全隱患

二氧化硫的沸點是-10 ℃，熔點是-72.4 ℃，液態(tài)二氧化硫?qū)儆诟邏旱蜏匾后w。鋼瓶內(nèi)二氧化硫經(jīng)吸收鋼瓶及高壓橡膠短管外部熱量，緩慢氣化，進入?yún)R流排。由于無穩(wěn)定熱源，使得匯流排出口的二氧化硫溫度較低，造成管道表面結(jié)水，尤其是鋼瓶、高壓橡膠管外層溫度驟降，結(jié)霜嚴重，使管道脆性加大。同時隨著溫度的降低，管道法蘭接口處因不同材質(zhì)的熱膨脹系數(shù)不同，容易造成法蘭接口處的微小縫隙，存在氣體泄漏的安全隱患。

1.2.2 二氧化硫氣化不充分，匯流排管口壓力低，影響生產(chǎn)正常使用

現(xiàn)場使用的二氧化硫未配置專門的氣化裝置，用以將鋼瓶中的液態(tài)二氧化硫進行氣化。由于沒有穩(wěn)定的氣化熱源，鋼瓶內(nèi)的二氧化硫未完全氣化即被壓入?yún)R流排進入使用管道，造成匯流排管道壓力不穩(wěn)定，用氣端流量控制不精確，二氧化硫流量忽大忽小，影響生產(chǎn)正常使用，若閥門開大，容易造成二氧化硫與介質(zhì)反應不充分，損失較大；若閥門開小，容易造成反應時間延長，能源損耗增加等。

1.2.3 自動化程度低，無緊急切斷閥，安全系數(shù)低

傳統(tǒng)的二氧化硫使用裝置采用手動閥門進行管道開關及鋼瓶使用切換的控制，管道上未配置壓力表、流量計以及調(diào)壓、穩(wěn)壓裝置，現(xiàn)場也未配置稱重鋼瓶質(zhì)量的臺秤，二氧化硫的剩余量只能通過對瓶身外側(cè)的結(jié)霜情況的觀察進行判斷，無法實現(xiàn)閥門的遠程自動化控制及設備運行狀態(tài)的后臺監(jiān)控，需定時安排人員對二氧化硫存儲點進行排查及現(xiàn)場操作。若二氧化硫存儲點發(fā)生泄漏，需人員佩戴全套防護用品進入二氧化硫存儲點進行處理，應急處理反應時間較長，安全系數(shù)較低。

1.2.4 二氧化硫利用率低，氣瓶耗量大，增加生產(chǎn)成本

隨著二氧化硫的不斷消耗，液態(tài)二氧化硫氣化不完全，瓶內(nèi)的壓力逐漸降低，導致用氣端二氧化硫流量不足。為增大二氧化硫氣化率，我們初始考慮在二氧化硫鋼瓶附近加裝供暖設施，以提高鋼瓶周圍環(huán)境溫度，提高氣化效果。

1.2.5 鋼瓶更換頻繁，人員勞動強度大，增加運輸費用

由于二氧化硫利用不充分，二氧化硫氣瓶使用量增大，二氧化硫鋼瓶的更換次數(shù)變得頻繁，每次更換氣瓶需要跟班兩名押運人員，耗費3~4 h，加大了人員的勞動強度，造成了人力成本的浪費，同時由于二氧化硫鋼瓶拉運次數(shù)的增加，相應增加了運輸成本。

1.2.6 高壓橡膠管柔性差，鋼瓶更換難度大

鋼瓶與供氣匯流排間用高壓橡膠短管連接，該種管重量大、柔韌性差，不易安裝，尤其是空間狹小的區(qū)域，問題更是突出。短管過度彎折，再加上二氧化硫使用過程中管道表面結(jié)霜，溫度降低，脆性增大，可造成管體損傷，存在二氧化硫泄漏的隱患。

2 新型自動二氧化硫高效利用裝置的設計

2.1 初步研究

根據(jù)生產(chǎn)實際中存在的問題，查閱工業(yè)二氧化硫使用裝置設計的相關資料[1]，針對以下問題進行研究設計：（1）尋找一種重量輕、高柔性的軟管將二氧化硫儲存氣瓶與匯流排連接，提高鋼瓶接口的更換速度，消除短管過度彎折引起的安全隱患。（2）配置一套液態(tài)二氧化硫氣化裝置，內(nèi)設加熱裝置及溫度控制系統(tǒng)，為二氧化硫氣化提供穩(wěn)定的熱源，增加二氧化硫出口溫度，提高二氧化硫的氣化率，避免管道結(jié)水、結(jié)霜。（3）配置一套調(diào)壓、穩(wěn)壓裝置，穩(wěn)定二氧化硫出口壓力，使管道內(nèi)壓力處于正常工作狀態(tài)，避免出現(xiàn)壓力過大造成泄漏風險或壓力過小影響生產(chǎn)正常使用等。（4）配置一套自增壓裝置，通過將一部分液體二氧化硫經(jīng)過升溫氣化增大壓力后，經(jīng)氣瓶氣上部接口進入氣瓶，增大氣瓶內(nèi)壓力，將剩余未氣化二氧化硫壓入氣化器中，提高二氧化硫的利用率[2]。

該裝置主要包括二氧化硫鋼瓶、匯流排、二氧化硫氣化器、調(diào)壓閥組、流量計、二氧化硫增壓氣化器以及控制系統(tǒng)等。

該裝置采用二氧化硫鋼瓶作為儲氣系統(tǒng)，鋼瓶中的二氧化硫經(jīng)過濾后，進入氣化器中，與熱水換熱后，進入其后的調(diào)壓系統(tǒng)調(diào)壓，然后再進入后方計量系統(tǒng)計量，最后輸出用氣管道中。設置二氧化硫泄漏報警系統(tǒng)，用于檢測是否有二氧化硫泄漏。將二氧化硫鋼瓶、液相匯流排、氣相匯流排、自增壓氣化器集成在一個瓶組撬中，將氣化器、調(diào)壓閥組、計量系統(tǒng)等集成在氣化調(diào)壓計量撬中。整個撬塊具有安裝緊湊、節(jié)省占地面積、工期短、投資少、見效快、使用方便的特點。

2.2 連接金屬軟管

運用一種單位重量輕、高柔性的軟管應用至二氧化硫儲存氣瓶與匯流排連接，該種軟管內(nèi)部為耐壓橡膠，外襯316 L不銹鋼網(wǎng)，具有韌性高、重量輕、易安裝拆除的優(yōu)點，已成功應用于原有氣瓶二氧化硫的生產(chǎn)實踐，消除氣瓶更換過程中因管道本身耐壓耐腐蝕問題造成的泄漏風險。

2.3 液態(tài)二氧化硫氣化裝置

二氧化硫氣化器為電加熱形式，盤管式結(jié)構(gòu)。管程中的二氧化硫從盤管中流過，經(jīng)過與殼程中的熱水換熱后，氣化并過熱。經(jīng)氣液分離脫去霧滴后由氣相出口總管輸出。當有以下任何一點超限時，為了讓職工及時發(fā)現(xiàn)異常，準確找到故障點，氣化器設置了安全報警系統(tǒng)：氣化器出氣溫度低限、氣化器出氣壓力高限、氣化器水位低限。該裝置應用于生產(chǎn)實踐后與傳統(tǒng)方式相比，二氧化硫氣化效果明顯提升，匯流排出口穩(wěn)定保持在45 ℃左右，極大地改善了二氧化硫氣化不充分、出口溫度低、管道結(jié)霜等問題。

2.4 調(diào)壓、穩(wěn)壓裝置

二氧化硫經(jīng)過氣化器加熱、升溫、氣化，再經(jīng)過調(diào)壓、穩(wěn)壓閥組，使管道壓力控制在正常工作范圍內(nèi)。在設備上安裝有兩路調(diào)壓管線，為2+1形式，即一開一備一旁通，平時使用一組即可。調(diào)壓閥組進出口分別設置壓力變送器和壓力表，可以實時監(jiān)測到調(diào)壓前后的壓力狀況。二氧化硫氣體經(jīng)過調(diào)壓以后通過流量計計量，進入用氣方使用管線。該裝置的應用可以按照工藝條件要求，隨意設定二氧化硫出口處的壓力，以滿足生產(chǎn)負荷。

2.5 自增壓氣化器

二氧化硫自增壓裝置的工作原理是：二氧化硫液體進入自增壓氣化器以后，受熱揮發(fā)，由液體變成氣體，體積膨脹，壓力自然會增加，在自增壓氣化器內(nèi)氣化的二氧化硫氣體，經(jīng)過出氣口的穩(wěn)壓閥減壓，以相對穩(wěn)定的壓力流回到鋼瓶內(nèi)，使鋼瓶內(nèi)的壓力穩(wěn)定在設定值范圍內(nèi)。新研制的二氧化硫自增壓裝置有2排液相匯流排，供自動切換使用。每個液相匯流排上有2 個液相進口，氣相匯流排上有4 個氣相出口，分別與二氧化硫鋼瓶的氣相、液相接口連接[3]。

自增壓氣化器屬于電熱浴式氣化器，二氧化硫液體在氣化器盤管內(nèi)流動，盤管浸泡在水箱內(nèi)。通過電加熱器給水加熱，加熱溫度控制在70~75 ℃之間，低于70 ℃開始加熱，加熱到75 ℃停止。熱水再給盤管換熱。從而間接加熱二氧化硫液體，使其受熱揮發(fā)。電器柜上有自增壓氣化器電加熱器的控制按鈕。

自增壓氣化器上安裝有液位計，顯示氣化器內(nèi)液面的高度。如果控制柜上的自增壓氣化器水位低限報警指示燈亮，為了防止電加熱器干燒。電加熱器將停止加熱。直到氣化器內(nèi)裝滿水，報警狀態(tài)解除，電加熱器才能恢復到自動狀態(tài)。

自增壓氣化器區(qū)域安裝有二氧化硫氣體泄漏報警探測器。當二氧化硫氣體泄漏濃度超過20 mg/m3時電氣控制柜上的報警指示燈亮。觸摸屏上的對應濃度顯示數(shù)值變成紅色。當二氧化硫氣體泄漏濃度低于15 mg/m3時電氣控制柜上的報警指示燈熄滅。觸摸屏上的對應濃度顯示數(shù)值變成綠色，表示報警解除。

2.6 二氧化硫高效利用裝置的集成

整個氣瓶二氧化硫高效利用裝置的關鍵零部件的選型已經(jīng)確定，只需要將上述零部件如壓力表、氣動閥、自增壓氣化器、二氧化硫氣化器、稱重裝置、調(diào)壓穩(wěn)壓閥組、電氣控制系統(tǒng)有機地組合起來，合理布置管道走向，將特制連接軟管連接氣瓶與回流排，建立一套PLC 控制程序，配備相應的控制柜，通過控制柜上各種按鍵的操作即可實現(xiàn)二氧化硫氣化使用的自動控制[4]。

3 二氧化硫高效利用裝置的優(yōu)勢

（1）該二氧化硫高效利用裝置的氣化器，為二氧化硫氣化過程提供了穩(wěn)定的熱源，二氧化硫的氣化量可以根據(jù)實際生產(chǎn)需要進行調(diào)節(jié)，二氧化硫在氣化器中盤管氣化后，具有一定的溫度，克服了匯流排出口溫度低，管道結(jié)霜嚴重，二氧化硫氣化不充分，匯流排管口壓力低等缺點。

（2）該系統(tǒng)的穩(wěn)壓、調(diào)壓裝置，可以根據(jù)生產(chǎn)實際對出口壓力進行設定，氣化后的二氧化硫經(jīng)調(diào)壓、穩(wěn)壓后，可以保持壓力的恒定，避免因壓力過大或過小引起的安全隱患以及使用異常等。

（3）在保證二氧化硫正常使用的基礎上，開創(chuàng)性地使用自增壓裝置，通過加熱部分液態(tài)二氧化硫，氣化升壓，并經(jīng)過壓力反饋控制，安全有效地增大鋼瓶中的壓力，彌補后期因鋼瓶內(nèi)壓力不足造成的二氧化硫利用不充分，減少鋼瓶的更換頻次，減輕人員的勞動強度，節(jié)省生產(chǎn)及人力成本。

（4）采用新型二氧化硫利用裝置后，可以將二氧化硫鋼瓶定點放置在儲存間經(jīng)過該裝置進行現(xiàn)場生產(chǎn)使用，改善了現(xiàn)場生產(chǎn)環(huán)境，提高了二氧化硫使用過程中的安全性。

4 總結(jié)

氣瓶二氧化硫高效利用裝置是針對二氧化硫管道出口溫度低，高壓膠管及鋼瓶外層結(jié)霜、二氧化硫氣化不充分、管道內(nèi)二氧化硫壓力降低，導致二氧化硫利用率低、氣瓶更換頻繁，人員勞動強度大，管道閥門使用壽命縮短、安全系數(shù)降低等問題而設計的，該裝置能夠有效解決二氧化硫使用過程中出現(xiàn)的問題，具有以下幾方面的優(yōu)點：

（1）針對傳統(tǒng)設備無氣化裝置，無法直接對二氧化硫鋼瓶進行加熱，導致二氧化硫氣化不充分，匯流排出口溫度低，管道結(jié)霜嚴重，匯流排管口壓力低等問題，該二氧化硫高效利用裝置，專門設計提供了二氧化硫氣化裝置。鋼瓶中的液態(tài)二氧化硫進入氣化器后，在盤管內(nèi)被水浴加熱、氣化，并經(jīng)氣液分離后送入用氣點。克服了鋼瓶、管道外層結(jié)霜，出口氣體溫度低，二氧化硫氣化不充分，匯流排管口壓力低等缺點。

（2）針對傳統(tǒng)氣瓶二氧化硫在使用過程中前期壓力大后期壓力小，二氧化硫氣流不穩(wěn)定的問題，該裝置在二氧化硫出口端配置了穩(wěn)壓、調(diào)壓裝置。該裝置采用“一通一備一旁通”設計，可以根據(jù)實際生產(chǎn)需要，調(diào)節(jié)壓力設置，穩(wěn)定二氧化硫氣化裝置出口壓力，避免因壓力過大或過小引起的安全隱患以及使用異常等，同時若一組調(diào)壓裝置出現(xiàn)故障，可以使用備用裝置，最大限度保證生產(chǎn)的連續(xù)性。

（3）針對氣瓶二氧化硫利用率低，鋼瓶更換頻繁，設計使用了自增壓氣化器。自增壓氣化器通過加熱部分液態(tài)二氧化硫，氣化升壓，并經(jīng)過穩(wěn)壓控制，安全有效地增大鋼瓶中的壓力，彌補后期因鋼瓶內(nèi)壓力不足造成的二氧化硫利用不充分，減少鋼瓶的更換頻次，減輕職工勞動強度，節(jié)省生產(chǎn)成本。