楊海東，陳中偉

[威頓（中國）化工有限責(zé)任公司，貴州貴陽 550002]

威頓（中國）達(dá)州化工有限責(zé)任公司（以下簡稱威頓達(dá)州）有2套硫磺制酸裝置，產(chǎn)能分別為800 kt/a和400 kt/a。硫磺制酸的SO2氣體來自硫磺在焚硫爐干燥空氣中的燃燒反應(yīng)，硫磺燃燒生成的SO2濃度（也稱初始SO2濃度）不僅用于計(jì)算平衡轉(zhuǎn)化率進(jìn)而對生產(chǎn)裝置優(yōu)化調(diào)整，也關(guān)系著裝置運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。因此尋找一種準(zhǔn)確可靠的測量初始SO2濃度的方法是非常必要的。

目前由于技術(shù)的限制無法直接測量初始SO2濃度，在生產(chǎn)中用碘量法測量轉(zhuǎn)化器一段進(jìn)口SO2濃度，再預(yù)估焚硫爐內(nèi)預(yù)轉(zhuǎn)化的SO2濃度，用于系統(tǒng)平衡轉(zhuǎn)化率計(jì)算。而焚硫爐內(nèi)預(yù)轉(zhuǎn)化的SO2濃度是隨負(fù)荷不斷變化的，φ(SO2)的變化區(qū)間為1.2%～3.2%，因此預(yù)估的預(yù)轉(zhuǎn)化SO2濃度是不準(zhǔn)確的。威頓達(dá)州的便攜式色譜分析儀使用性能穩(wěn)定，能準(zhǔn)確測量SO2濃度[1]，但是用其測定需要人工輔助，無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)測量，為此威頓達(dá)州提出通過測量干燥空氣和硫磺的流量間接測量初始SO2濃度的方法。

1 初始SO2濃度的直接測量方法

1.1 碘量法

碘量法是測定氣體中SO2濃度的傳統(tǒng)方法，對于硫鐵礦制酸及冶煉制酸裝置來說，該法的準(zhǔn)確度和重復(fù)性都比較好，但對于硫磺制酸裝置的轉(zhuǎn)化器進(jìn)口氣體，碘量法的測量結(jié)果則比實(shí)際濃度偏低，且重復(fù)性差，這主要是由于SO3與水結(jié)合生成的酸霧阻擋了SO2分子的擴(kuò)散。

硫磺焚燒過程中，其中的有機(jī)物焚燒生成水，部分SO2轉(zhuǎn)化成SO3，SO3與水結(jié)合生成酸霧。取樣時(shí)氣體在取樣管中被急劇冷卻，溫度迅速低于露點(diǎn)，使得酸霧粒徑非常小，顆粒數(shù)量非常多。當(dāng)氣體以氣泡形式通過反應(yīng)管時(shí)，酸霧漂浮在氣泡中，阻擋了SO2分子的擴(kuò)散，使部分SO2分子不能到達(dá)氣液界面。轉(zhuǎn)化器各段的氣體中SO3濃度很高，SO3與碘液中的水結(jié)合生成酸霧附著于氣泡表面，阻擋SO2分子擴(kuò)散到氣液界面。因此，高濃度SO3會(huì)對碘量法的分析結(jié)果產(chǎn)生嚴(yán)重影響。另外，碘量法為手工檢測，測量頻次低，不能及時(shí)對生產(chǎn)進(jìn)行指導(dǎo)。

1.2 在線光譜儀法

由于碘量法應(yīng)用于硫磺制酸生產(chǎn)過程中存在很大的弊端，所以采用在線光譜儀成為測量初始SO2濃度的發(fā)展趨勢。在線光譜儀預(yù)處理系統(tǒng)采用常溫法，通過SO2吸收光譜的衰減計(jì)算SO2濃度。同樣由于焚燒爐出口采樣的氣體中含有大量粒徑非常小的酸霧，而在線光譜儀的預(yù)處理系統(tǒng)很難把酸霧捕捉下來，導(dǎo)致分析儀無法測得準(zhǔn)確的SO2濃度?，F(xiàn)有的在線測量硫磺制酸初始SO2濃度的技術(shù)仍需完善。

2 初始SO2濃度的間接測量方法

2.1 方法原理

初始SO2濃度是指進(jìn)入焚硫爐的干燥空氣和噴入焚硫爐的硫磺反應(yīng)生成的SO2濃度，一般設(shè)計(jì)值φ(SO2)為11%。當(dāng)初始SO2濃度偏離設(shè)計(jì)值時(shí)，會(huì)產(chǎn)生以下后果：①當(dāng)風(fēng)量過剩時(shí)將消耗過多風(fēng)機(jī)動(dòng)能，過多風(fēng)量會(huì)帶走裝置熱量而減少回收熱量，增加能源的損耗，降低裝置的經(jīng)濟(jì)性；②當(dāng)風(fēng)量嚴(yán)重不足時(shí)或者缺氧燃燒時(shí)，裝置將會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的升華硫事故，堵塞吸收系統(tǒng)除霧器和填料使裝置無法運(yùn)行，被迫長時(shí)間停產(chǎn)檢修。由于現(xiàn)有的測量技術(shù)很難準(zhǔn)確測量焚硫爐的初始SO2濃度，筆者提出通過測量進(jìn)入焚硫爐的干燥空氣和液體硫磺的量計(jì)算初始SO2濃度的方法，其原理如下：

硫磺中含有的砷、硒、碳?xì)浠衔锏入s質(zhì)，在燃燒過程中生成的氧化物在爐氣中含量甚微，進(jìn)行物料平衡計(jì)算時(shí)可以忽略不計(jì)。硫磺燃燒生成的爐氣中二氧化硫的濃度可按式（1）計(jì)算：

式中：φ(SO2)——爐氣中二氧化硫的體積分?jǐn)?shù)，%；

φ(O2)——爐氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)，%；

20.948 ——干燥空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)，%。

根據(jù)爐氣中的SO2濃度和硫磺中可燃燒的硫量可計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下煙氣流量和硫燃燒所需的空氣量。假設(shè)硫磺在空氣中完全燃燒不產(chǎn)生升華硫，硫磺燃燒效率為100%，那么燃燒1 t硫磺，不計(jì)生成的SO3，煙氣體積按式（2）計(jì)算[2]381：

當(dāng)爐氣中含有SO2和SO3時(shí)，煙氣體積按式（3）計(jì)算：

式中：V——煙氣體積，m3；

GS——干基硫磺的含硫量，t；

φ(SO2)——爐氣中SO2的體積分?jǐn)?shù)，%；

φ(SO3)——爐氣中SO3的體積分?jǐn)?shù)，%。

準(zhǔn)確測量進(jìn)入焚硫爐內(nèi)的干燥空氣和液體硫磺的量，即可按式（4）計(jì)算出焚硫爐內(nèi)初始SO2濃度：

2.2 干燥空氣流量的測量

焚硫爐所需的空氣是由鼓風(fēng)機(jī)送至干燥塔去除水分得到的干燥空氣[φ(O2)為20.948%]?？諝獾钠骄鄬Ψ肿淤|(zhì)量為28.98，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（0℃，101.325 kPa）下密度為1.293 kg/m[2]112。硫磺制酸裝置每生產(chǎn)1 t硫酸需要干燥空氣約2 300 m3。隨著硫酸裝置的產(chǎn)能擴(kuò)大，現(xiàn)1 000 kt/a硫磺制酸裝置干燥空氣管道的直徑高達(dá)2 m，因此要實(shí)現(xiàn)干燥空氣流量的準(zhǔn)確測量，如何選擇流量計(jì)是一個(gè)挑戰(zhàn)。

測量大管徑管道空氣常用的流量計(jì)有阿牛巴、皮托管、文丘里等差壓類流量計(jì)，通過測定空氣的溫度和壓力對空氣密度進(jìn)行補(bǔ)償后，再根據(jù)測定的空氣管道流速計(jì)算出生產(chǎn)所需要的標(biāo)準(zhǔn)空氣流量，因此流速測量誤差和密度補(bǔ)償誤差是影響標(biāo)準(zhǔn)空氣流量結(jié)果的重要因素。由于流量計(jì)口徑大，在國內(nèi)很難找到大口徑流量計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)檢定裝置，并且檢定流量大，檢定費(fèi)用昂貴，因此差壓類流量計(jì)的流量系數(shù)均是使用流量計(jì)廠家給出的理論計(jì)算數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)硫磺制酸裝置的節(jié)能效果，干燥空氣在管道內(nèi)的流速按10 m/s設(shè)計(jì)，因此差壓類流量計(jì)所產(chǎn)生的差壓信號非常微弱，基本在100 Pa左右，差壓變送器在運(yùn)行過程中會(huì)因環(huán)境溫度的變化出現(xiàn)信號漂移，從而影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。筆者在生產(chǎn)過程中使用差壓類流量計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn)，測得的流量數(shù)據(jù)與實(shí)際流量相差很大，誤差常超出5%。在這種情況下測得的干燥空氣流量只能用于判斷調(diào)整硫磺制酸裝置負(fù)荷時(shí)干燥空氣的運(yùn)行趨勢，無法用于初始SO2濃度計(jì)算。

筆者認(rèn)為，熱式質(zhì)量流量計(jì)測量精度高，重復(fù)性好，測量范圍寬，是測量干燥空氣比較理想的流量計(jì)。該流量計(jì)由測速傳感器和測溫傳感器組成，通過測量氣體流經(jīng)流量計(jì)內(nèi)加熱元件時(shí)的冷卻效應(yīng)來計(jì)量氣體流量。威頓達(dá)州使用熱式質(zhì)量流量計(jì)測量干燥空氣的流量取得了很好的效果，其性能參數(shù)見表1。

表1 熱式質(zhì)量流量計(jì)性能參數(shù)

2.3 液體硫磺流量的測量

液體硫磺的凝固點(diǎn)約為114.5 ℃，熔點(diǎn)約為118.9 ℃。液體硫磺的黏度隨溫度的變化而變化，當(dāng)溫度為120～158 ℃時(shí)，硫磺的黏度最小，流動(dòng)性最好，所以液體硫磺的輸送溫度一般控制在130～150 ℃。硫磺管線都設(shè)有蒸汽夾套為介質(zhì)保溫，液體硫磺在輸送管道中流動(dòng)的速度一般控制在1.0～1.5 m/s，最大流速為 1.8 m/s。

硫磺制酸裝置常選用渦街流量計(jì)和孔板流量計(jì)測量液體硫磺的體積流量，再按密度為1.8 g/mL進(jìn)行質(zhì)量換算。但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，液體硫磺的密度隨著溫度的變化而變化[2]46，因此用體積流量計(jì)無法準(zhǔn)確測量液體硫磺的質(zhì)量流量。經(jīng)驗(yàn)表明，渦街流量計(jì)和孔板流量計(jì)都不是測量液體硫磺的理想流量計(jì)，其在使用過程存在的問題主要表現(xiàn)有：

1）渦街流量計(jì)運(yùn)行過程中容易受外界振動(dòng)干擾，當(dāng)?shù)拓?fù)荷小流量時(shí)，會(huì)出現(xiàn)流量計(jì)不計(jì)量的問題。

2）孔板流量計(jì)屬于標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，準(zhǔn)確測量的量程范圍窄，量程比為3∶1，選型時(shí)要非常注意測量范圍。另外，液體硫磺需要保溫，孔板流量計(jì)需要配備隔膜差壓變送器。裝置停產(chǎn)檢修時(shí)，如果流量計(jì)管道內(nèi)的液體硫磺沒有回流完發(fā)生凝固，固體硫磺會(huì)對僅有0.5 mm的隔膜差壓變送器的膜片造成機(jī)械損害。

筆者推薦采用質(zhì)量流量計(jì)測量液體硫磺的流量，該流量計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①測量精度高，重復(fù)性好，抗干擾能力強(qiáng)；②測量管內(nèi)沒有阻力件，液體硫磺凝固后對流量計(jì)沒有影響；③使用溫度范圍寬，能在200 ℃高溫環(huán)境中正常使用；④能根據(jù)溫度變化自動(dòng)測量液體硫磺的密度，直接測量質(zhì)量流量。威頓達(dá)州測量液體硫磺流量使用的質(zhì)量流量計(jì)帶有蒸汽保溫夾套，其性能參數(shù)見表2。

表2 質(zhì)量流量計(jì)性能參數(shù)

3 結(jié)語

威頓達(dá)州分別采用具有高精度的熱式質(zhì)量流量計(jì)和質(zhì)量流量計(jì)測量硫磺制酸關(guān)鍵原料干燥空氣和液體硫磺的流量，能間接準(zhǔn)確地計(jì)算出生產(chǎn)過程中的重要參數(shù)初始SO2濃度，解決了長期以來硫磺制酸裝置無法連續(xù)準(zhǔn)確測量初始SO2濃度的難題。使用的熱式質(zhì)量流量計(jì)和質(zhì)量流量計(jì)技術(shù)成熟，性能穩(wěn)定，相較于在線光譜分析儀經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、維護(hù)方便，值得其他硫磺制酸企業(yè)借鑒使用。