濕法制硫酸工藝的儀表選型探討

陳麗君

(中海油石化工程有限公司，山東 青島 266100)

0 引言

濕法制硫酸(wet gas sulphuric acid,WSA)工藝是丹麥托普索公司20世紀(jì)80年代開(kāi)發(fā)的，用于從H2S和其他含硫化合物中回收硫并轉(zhuǎn)化成高濃度的商品級(jí)濃硫酸[1]。由于WSA裝置的生產(chǎn)過(guò)程中存在高溫、高壓場(chǎng)合，且酸性過(guò)程介質(zhì)具有易腐蝕的特性，一旦發(fā)生泄漏將對(duì)人身安全和環(huán)境污染造成極其嚴(yán)重的影響。因此，對(duì)WSA裝置的儀表選型提出了特殊要求。通過(guò)分析WSA裝置的工藝特點(diǎn)和工況條件，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)該裝置中應(yīng)用的各類(lèi)儀表的選型設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入研究，供廣大設(shè)計(jì)人員參考與探討。

1 WSA裝置的工藝特點(diǎn)分析

WSA裝置的工藝過(guò)程主要包括酸性氣的焚燒、SO2的轉(zhuǎn)化及冷卻、SO3的水合冷凝和蒸汽系統(tǒng)四大部分[2]。具體描述為：酸性氣燃燒生成SO2，SO2含濕氣體經(jīng)冷卻后進(jìn)入SO2轉(zhuǎn)化器生成SO3，SO3和攜帶的水蒸氣進(jìn)入冷凝器直接冷凝成硫酸。發(fā)生的反應(yīng)主要如下：

H2S + 1.5O2→ H2O + SO2

(1)

SO2+0.5O2?SO3

(2)

SO3+H2O→H2SO4

(3)

典型工藝流程如圖1所示。

圖1 WSA裝置典型流程圖

從WSA的流程和反應(yīng)過(guò)程可以看出，裝置中含有H2S、SO2、SO3、氧氣、硫酸蒸汽、濃硫酸等過(guò)程介質(zhì)[3]，極易發(fā)生腐蝕。SO3的水合冷凝過(guò)程是產(chǎn)生酸性腐蝕工況的重要階段。腐蝕主要分為以下兩種。一種是由于硫酸蒸汽在冷凝過(guò)程中容易產(chǎn)生酸霧導(dǎo)致的腐蝕。工藝包在WSA冷凝器的上游安裝了酸霧控制器，通過(guò)焚燒硅油蒸汽生成含有硅微粒的氣流。這些微粒被加入到工藝氣冷卻器下游含有SO3的工藝氣中，可以很好地抑制在WSA冷凝器中形成酸霧。另一種是當(dāng)管道或設(shè)備內(nèi)壁的溫度低于硫酸的露點(diǎn)溫度時(shí)而產(chǎn)生的露點(diǎn)腐蝕，需要采用自動(dòng)控制的手段對(duì)過(guò)程氣溫度進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)控，防止硫酸冷凝而造成腐蝕。因此，在易產(chǎn)生酸性腐蝕的管道和設(shè)備上的儀表選型必須滿(mǎn)足耐酸性腐蝕的要求，特別是選用合適的耐酸性腐蝕材料。

高溫高壓工況主要存在于酸性氣的焚燒和蒸汽系統(tǒng)階段。例如在酸性氣焚燒過(guò)程中，焚燒爐內(nèi)的溫度可達(dá)到1 200 ℃；高壓蒸汽出裝置最高壓力可達(dá)4.5 MPa，操作溫度為450 ℃。此工況下的儀表選型也應(yīng)特別注意。

這兩種工況都對(duì)儀表的可用性和可靠性提出了嚴(yán)苛的要求，是設(shè)計(jì)和安裝過(guò)程中必須特別考慮的因素。

2 耐酸性腐蝕材料的選擇

根據(jù)WSA裝置過(guò)程介質(zhì)的酸性腐蝕特性，儀表設(shè)備材料可以選擇多種非金屬或金屬材料，以滿(mǎn)足使用要求。

采用耐酸性腐蝕的非金屬材料作為襯里，可以很好地將酸性介質(zhì)與儀表本體采用的碳鋼或不銹鋼材料隔離，以達(dá)到防止腐蝕的目的。這種方式經(jīng)濟(jì)實(shí)用，應(yīng)用較為廣泛。常用的非金屬材料有聚四氟乙烯(PTFE)、可熔性聚四氟乙烯(PFA)等。PTFE熱穩(wěn)定性能好，且具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性，耐腐蝕性較強(qiáng)，可耐各種濃度的硫酸、鹽酸等[4]。PFA與PTFE具有幾乎一樣的耐酸堿和耐高溫等特性，工作溫度最高可達(dá)260 ℃。但PFA具有更好的熱塑性，更易于加工成型。

常用于硫酸介質(zhì)的金屬材料主要有鉭、哈氏合金[5]等。在實(shí)際應(yīng)用中，從經(jīng)濟(jì)實(shí)用的角度出發(fā)，將兩種材料結(jié)合使用更為合理。

3 儀表選型設(shè)計(jì)

3.1 溫度儀表選型

為了滿(mǎn)足不同操作溫度的測(cè)量要求，選用了兩種溫度測(cè)量元件：Pt100熱電阻和熱電偶。最高溫度不超過(guò)500 ℃時(shí)選用熱電阻，超過(guò)500 ℃時(shí)選用熱電偶。溫度計(jì)套管材質(zhì)則根據(jù)實(shí)際工況選用了不同的耐高溫材料；在溫度超過(guò)500 ℃的工況選用耐高溫性能優(yōu)異的SS347H；而對(duì)焚燒爐煙氣溫度檢測(cè)則選用了陶瓷、碳化硅內(nèi)襯剛玉真空燒結(jié)復(fù)合套管的R型熱電偶。溫度計(jì)套管的選用不但要考慮適應(yīng)工況，還應(yīng)從安裝及維護(hù)保養(yǎng)方便、經(jīng)濟(jì)耐用等角度綜合考慮。

介質(zhì)為過(guò)程氣、煙氣、硫酸等可能產(chǎn)生酸性腐蝕情況下的溫度檢測(cè)儀表，采用了非金屬材料隔離的方法。

3.2 壓力儀表選型

在易產(chǎn)生酸性腐蝕的工況中使用時(shí)，考慮到壓力儀表引壓管結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易被腐蝕導(dǎo)致泄漏的問(wèn)題，優(yōu)先選用膜片隔離式的壓力檢測(cè)儀表。接液部分通過(guò)膜片來(lái)隔離酸性介質(zhì)。因此，就地壓力測(cè)量?jī)x表一般選用隔膜壓力表，遠(yuǎn)傳壓力測(cè)量?jī)x表選用單法蘭隔膜密封型壓力變送器，膜片材質(zhì)亦可選用316LSS襯PTFE、鉭或哈氏C合金等。此外，在用于硫酸工況測(cè)量時(shí)，隔膜壓力表及單法蘭壓力變送器宜佩戴沖洗環(huán)，用于在儀表維護(hù)時(shí)泄壓，以避免拆卸過(guò)程中介質(zhì)噴濺造成人員傷害[6]。

3.3 流量?jī)x表選型

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的長(zhǎng)期使用經(jīng)驗(yàn)，強(qiáng)酸性液體的流量測(cè)量一般可選用電磁流量計(jì)或外夾式超聲波流量計(jì)。外夾式超聲波流量計(jì)無(wú)接液部件，可以不考慮腐蝕問(wèn)題。但是硫酸工藝管道一般使用耐腐蝕內(nèi)襯，若內(nèi)襯與管道之間存在氣隙，會(huì)給外夾式超聲波流量計(jì)的測(cè)量帶來(lái)影響。而電磁流量計(jì)由于其獨(dú)特的測(cè)量原理，只需根據(jù)工況選用耐酸性腐蝕的襯里材料和電極材料，就可以很好地解決腐蝕問(wèn)題。因此，本工況選用電磁流量計(jì)滿(mǎn)足使用要求，電磁流量計(jì)的襯里可選用PTFE或PFA等材質(zhì)，電極材質(zhì)可選用鉭合金或哈氏合金[7]。對(duì)于帶非導(dǎo)電內(nèi)襯的工藝管道，為保證電磁流量計(jì)的可靠接地，還應(yīng)配備與電極相同材質(zhì)的接地環(huán)。

3.4 液位儀表選型

就地液位計(jì)根據(jù)測(cè)量高度分別選用磁浮子液位計(jì)或玻璃板液位計(jì)，接液的金屬部件通過(guò)內(nèi)襯PTFE的方式隔離腐蝕(包括排污閥和放空閥)，磁浮子液位計(jì)的浮子及浮子室均采用316不銹鋼襯PTFE。

遠(yuǎn)傳液位計(jì)選擇了多種型式。普通酸性腐蝕工況下，都可以采用不銹鋼襯PTFE的方法予以解決。如：當(dāng)選用浮筒液位變送器時(shí)，宜選用非金屬浮子，筒體內(nèi)襯PTFE；選用雙法蘭液位變送器時(shí)，其膜片材質(zhì)選擇與單法蘭隔膜密封型壓力變送器相同；選用導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)時(shí)，導(dǎo)波桿采用單管導(dǎo)波桿，材質(zhì)選用不銹鋼襯PTFE。為防止液位計(jì)排出的廢液對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員造成傷害及對(duì)周邊設(shè)施造成腐蝕，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取密閉排放措施。

3.5 控制閥選型

在酸性腐蝕工況下，控制閥通常選用襯氟閥或隔膜閥，即閥體材質(zhì)一般采用碳鋼或不銹鋼材質(zhì)，閥體及閥內(nèi)件內(nèi)襯或包覆氟塑料(PTFE或PFA)。

隔膜閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用耐腐蝕襯里的閥體和耐腐蝕的隔膜代替閥芯組件，利用隔膜的移動(dòng)來(lái)完成調(diào)節(jié)功能。由于受閥體襯里和隔膜制造工藝的限制，隔膜閥的耐壓性、耐溫性較差，一般適用于1.6 MPa公稱(chēng)壓力及150 ℃以下工況。襯氟閥結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，閥體內(nèi)腔、閥芯、閥座、閥桿均包襯有3～5 mm厚的氟塑料，且閥桿處采用PTFE材質(zhì)的波紋管與V型PTFE填料雙重密封，可以有效防止泄漏。因此，襯氟閥具有更佳的調(diào)節(jié)精度。

為防止腐蝕，切斷閥也應(yīng)選用襯氟蝶閥或襯氟球閥，閥體及閥內(nèi)件均內(nèi)襯或包覆氟塑料，隔離酸性介質(zhì)。

4 反吹法測(cè)量應(yīng)用

在WSA裝置的SO2轉(zhuǎn)化器三段出口處，由于剛凝結(jié)的高溫冷凝酸對(duì)于鋼材具有極強(qiáng)的腐蝕性，此時(shí)壓力測(cè)量若采用引壓管或法蘭取壓都會(huì)在引壓管內(nèi)或法蘭端面產(chǎn)生露點(diǎn)腐蝕問(wèn)題[8]。反吹法就是為了解決這一問(wèn)題而引入的一種非接觸式測(cè)量方式[9]。

反吹法測(cè)量的主要部件是吹掃裝置，由微小流量金屬管浮子流量計(jì)、恒流控制閥、壓力表、過(guò)濾減壓器、截止閥、止回閥和安裝面板等構(gòu)成。反吹風(fēng)應(yīng)采用與被測(cè)介質(zhì)不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、清潔、不含固體物質(zhì)、不污染被測(cè)介質(zhì)，無(wú)腐蝕性，流動(dòng)性好的氣源。

4.1 壓力測(cè)量

采用反吹法測(cè)量壓力時(shí)，壓力變送器及引壓管與被測(cè)介質(zhì)不直接接觸，避免了變送器測(cè)量部件及引壓管受到腐蝕，從而防止了露點(diǎn)腐蝕的發(fā)生。將常溫儀表風(fēng)直接吹入工藝管道時(shí)會(huì)導(dǎo)致入口處溫度降低，從而使入口處附近的管壁產(chǎn)生露點(diǎn)腐蝕。因此，反吹風(fēng)進(jìn)入前應(yīng)先進(jìn)行預(yù)熱。預(yù)熱設(shè)置此處不作詳述。反吹法測(cè)量壓力安裝示意圖如圖2所示。

圖2 反吹法測(cè)量壓力安裝示意圖

4.2 液位測(cè)量

硫酸冷凝冷卻后被儲(chǔ)存在酸罐中。為防止硫酸腐蝕，酸罐的液位測(cè)量宜采用非接觸式測(cè)量方法?？紤]到雷達(dá)液位計(jì)和超聲波液位計(jì)的測(cè)量易受硫酸酸霧干擾，采用了反吹法測(cè)量液位的方式。吹氣管采用PTFE材質(zhì)，伸入到距離酸罐底部約0.2 m處。反吹法測(cè)量液位利用靜壓式測(cè)量原理，將液面高度測(cè)量轉(zhuǎn)化為差壓測(cè)量[10]，最終利用測(cè)得的差壓值計(jì)算出液位高度。反吹法測(cè)量液位安裝示意圖如圖3所示。

圖3 反吹法測(cè)量液位安裝示意圖

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)WSA裝置的工藝技術(shù)特點(diǎn)，通過(guò)深入研究，合理選擇了測(cè)量?jī)x表、設(shè)備材料及安裝方式，成功地克服了WSA裝置中酸性腐蝕環(huán)境下儀表選型的局限性。裝置投運(yùn)以后運(yùn)行穩(wěn)定，儀表使用情況良好。面對(duì)復(fù)雜工況，設(shè)計(jì)人員應(yīng)多查閱資料，結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)綜合分析，提出經(jīng)濟(jì)合理又安全可靠的設(shè)計(jì)方案，以保障裝置的安全、平穩(wěn)運(yùn)行。