林成東，周天馳，童江，王召啟

(中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西 南昌 330031)

煙氣制硫酸系統(tǒng)主要包括： 凈化、干吸、轉(zhuǎn)化、廢酸處理、尾氣脫硫、硫酸存儲六個工序[1]。凈化工序除去煙氣中的有害雜質(zhì)后，經(jīng)干燥塔干燥后，通過轉(zhuǎn)化工序的二氧化硫鼓風機輸送至熱交換器加熱到一定溫度后，再經(jīng)轉(zhuǎn)化器觸媒層催化氧化，使煙氣中的SO2轉(zhuǎn)化成SO3后送干吸工序制取硫酸。

SO2轉(zhuǎn)化過程是放熱過程，受限于觸媒的耐熱溫度和轉(zhuǎn)化器常用材料的許用溫度，硫酸生產(chǎn)過程中通常需要控制初始φ(SO2)在9.5%左右。在一定的溫度和壓力下，反應平衡常數(shù)值為定值，與反應氣體組成無關(guān)。在溫度、壓力和初始φ(SO2)相同的情況下，提高初始φ(O2)有利于獲得更高的SO2平衡轉(zhuǎn)化率。由于煙氣凈化工序出口的煙氣中SO2濃度較高，而氧硫比[2](φ(O2)/φ(SO2))偏低，通過調(diào)節(jié)干燥塔入口稀釋風量來調(diào)節(jié)SO2初始濃度，將φ(SO2)稀釋到9.5%，同時保證氧硫比在合理范圍。轉(zhuǎn)化工序中φ(SO2)及氧硫比控制方案如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)化工序中φ(SO2)及氧硫比控制示意

二氧化硫鼓風機出口的φ(SO2)和φ(O2)是整個制酸系統(tǒng)中比較重要的數(shù)據(jù)。目前二氧化硫鼓風機出口的氣體分析儀系統(tǒng)在使用中普遍存在易堵、維護量大、系統(tǒng)不穩(wěn)定、檢測分析滯后時間長等問題[3-4]。通過合理設計優(yōu)化分析儀系統(tǒng)，在實際工程應用中很好地解決了以上問題。

1 系統(tǒng)設計

SO2和O2氣體分析儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用原位抽取樣氣方法，設計為模塊化單元，由取樣單元、反吹單元、樣氣傳輸單元、預處理單元、分析儀單元、現(xiàn)場控制單元組成。正常工況時，二氧化硫鼓風機出口煙氣含有少量煙塵，一般的分析儀系統(tǒng)通過在取樣器內(nèi)置過濾器[5]進行處理。但是如果上游凈化工序效果不理想，則該處會存在酸霧并可能產(chǎn)生酸泥，造成分析儀系統(tǒng)易堵且維護量大。因此該系統(tǒng)配置了1套反吹單元，利用合理的邏輯控制通過反吹掃解決宜堵問題；通過對取樣探頭的材質(zhì)和尺寸合理選擇，計算取樣探頭的合理插入深度，使得取樣更具有代表性；結(jié)合實際工況優(yōu)化預處理單元設計，采用了三路冷凝除水和精密過濾，并結(jié)合取樣傳輸距離和路線規(guī)劃以及分析儀流量控制，保證了樣氣的連續(xù)穩(wěn)定性，減少了維護量，也解決了取樣傳輸滯后時間長的問題；對分析儀合理選型，采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)取樣分析，避免串聯(lián)取樣過程由于分析儀進出口的壓差，增加串聯(lián)線路上分析儀的濃度檢測誤差，提高了檢測精度。該套分析儀系統(tǒng)包括取樣分析和反吹掃兩種工作狀態(tài)。

圖2 SO2和O2氣體分析儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

取樣分析時，系統(tǒng)從取樣器獲取樣氣，此時吹掃單元的反吹閥及排污閥均處于關(guān)閉狀態(tài)，通斷閥處于打開狀態(tài)。樣氣通過現(xiàn)場反吹單元的排污器，經(jīng)過電伴熱的樣氣傳輸單元進入預處理單元，此時預處理單元的冷凝器排水閥處于關(guān)閉狀態(tài)。樣氣經(jīng)過三路冷凝除水和精密過濾，最后樣氣并聯(lián)進入SO2和O2分析儀。

反吹掃分兩條線路，反吹掃過程由現(xiàn)場控制單元的PLC進行控制。一路吹掃氣負責吹掃取樣器，吹掃步驟如下： 吹掃氣先通過反吹閥1經(jīng)排污器下部的排污閥，吹掃干凈排污管路；關(guān)閉反吹閥1，關(guān)閉通斷閥1和閥2，再打開反吹閥2吹掃排污器；關(guān)閉排污閥打開通斷閥1，吹掃取樣器。通過對閥門動作的順控邏輯合理設計，避免將可能存在的酸泥直接吹入取樣器的過濾器中。另一路吹掃氣通過反吹閥3經(jīng)減壓閥減壓后進入樣氣傳輸單元和預處理單元進行吹掃。此時通斷閥2關(guān)閉，冷凝器所有排水閥打開，預處理單元的三通保護閥切換至放空位置，避免雜質(zhì)吹入精密過濾器及分析儀。

2 關(guān)鍵單元介紹

2.1 取樣單元

取樣器插入式安裝在二氧化硫鼓風機出口碳鋼管道上，SO2和O2的取樣采用同一套取樣器。取樣器選用316L不銹鋼取樣探頭，內(nèi)置樣氣過濾器，將工藝煙氣中的絕大多數(shù)雜質(zhì)顆粒物去除。由取樣點采集的樣氣需要具有代表性，通過取樣系統(tǒng)后不能引起組分和含量的較大變化。合理的安裝方式有利于實現(xiàn)煙氣成分中的氣固分離，防止固體粉塵顆粒堵塞取樣器濾芯。取樣器的安裝方式如圖3所示，選擇在水平管道上取樣時，取樣器垂直安裝于管道的上部；選擇在垂直管道上取樣時，要求煙氣氣流方向至上而下，采取斜插入管道方式，與管道方向的夾角在(45±5)(°)。

圖3 取樣器安裝示意

2.2 預處理單元

預處理單元是分析儀系統(tǒng)的基礎(chǔ)和核心，分析儀對樣氣的溫度、水分含量、腐蝕性氣體含量、灰塵粒度等條件要求嚴格。樣氣的品質(zhì)直接影響分析儀的分析效果，甚至可能毀壞分析儀元器件，合理配置樣氣預處理單元十分重要。預處理單元的設計主要實現(xiàn)以下目標： 使進入分析儀的樣氣條件保持一致，即抑制溫度、壓力及含塵量等方面的變化[6]；盡可能減小樣氣送入分析儀的滯后時間；通過預處理單元后，被測組分性質(zhì)不變；連續(xù)工作，要求長時間保持穩(wěn)定。

二氧化硫鼓風機出口的煙氣壓力為正壓，正常壓力為30 kPa左右，從經(jīng)濟性考慮，預處理單元未設置取樣泵。該系統(tǒng)的預處理單元的組成由圖2可知，由冷凝器、過濾器、保護閥、切換閥、排污閥、流量計等組成。系統(tǒng)采用旋壓式壓縮機型冷凝器，快速分離樣氣中的水汽雜質(zhì)；選用表面微孔式精密過濾器用于過濾水分和粉塵。通過冷凝器除水和精密過濾后，為分析儀提供常溫且不含水汽、無腐蝕性、無干擾性的潔凈且不失真的樣氣，確保分析儀準確快速地反映氣體成分的變化[7]。

2.3 分析儀

目前針對SO2氣體的分析，主要有紅外線分析儀和紫外線分析儀兩種。紅外分析儀采用非分散紅外氣體分析測量法(NDIR)，測量精度高，技術(shù)成熟且使用壽命長，適用范圍比較廣，可用于中、高濃度組分測量，但受干擾較大，對預處理裝置要求高。紫外線分析儀采用差分吸收光譜測量法(DOAS)，不受水分干擾，測量精度高，但成本高，光源存在衰減，適用于低濃度組分測量。二氧化硫鼓風機出口煙氣中φ(SO2)較高，控制在9.5%左右。結(jié)合該系統(tǒng)取樣所采用的是原位抽取樣氣法，從穩(wěn)定性和可靠性考慮，選擇紅外氣體分析儀，用于中高濃度SO2的檢測。

O2的分析主要有順磁式、氧化鋯、電化學式三種原理的氧分析儀。二氧化硫鼓風機出口煙氣中SO2含量高，且含微量酸霧，氧化鋯分析儀在該工況環(huán)境下使用壽命短，測量不穩(wěn)定。電化學原理主要用于高純度氣體中含微量氧的分析[8]，且不宜用于酸性氣體工況。順磁式目前主要包括磁力機械式和磁壓式氧分析儀，相比之下磁力機械式對樣氣的質(zhì)量即對預處理單元的要求特別高。結(jié)合實際工況，選擇磁壓式氧分析儀檢測二氧化硫鼓風機出口煙氣中的O2濃度。

2.4 反吹及控制單元

分析儀系統(tǒng)設置的反吹單元與現(xiàn)場控制單元配合使用。配置1套小型PLC，通過合理的邏輯控制，執(zhí)行取樣分析及反吹掃過程中管路上的閥門等設備的切換動作，確保分析儀系統(tǒng)測量的穩(wěn)定性，解決系統(tǒng)易堵、維護量大的問題。現(xiàn)場觸摸屏上可選擇手動和自動反吹掃兩種模式。

3 關(guān)鍵問題解決

3.1 探頭尺寸及插入深度

二氧化硫鼓風機出口碳鋼管道通常為DN2 000左右，需要確保取樣器的探頭安裝在管道中的固有頻率fn低于煙氣流經(jīng)取樣探頭產(chǎn)生的旋渦頻率fs，防止取樣探頭產(chǎn)生共振現(xiàn)象，二氧化硫鼓風機出口管道安裝氣體分析系統(tǒng)取樣探頭的允許長度L計算如式(1)所示[9]：

(1)

式中：Fm——實際質(zhì)量因子，對于煙氣介質(zhì)取值Fm=1；St——斯特勞哈爾數(shù)，取值St=0.2；v——煙氣在探頭處的流速，工藝設計正常取值v=20 m/s；D——探頭的外徑，mm；Di——探頭的內(nèi)徑，mm；E——316L材質(zhì)探頭材料的彈性系數(shù)，取值E=19 700 kg/cm2；ρ——探頭材料密度，取值ρ=7 980 kg/m3。

DN2000的管道，一般探頭插入深度Lλ取值0.3D～0.5D，對應Lλ取值范圍為60～100 cm，必須保證L>Lλ。經(jīng)計算探頭選擇DN20及以上時能滿足要求,DN20探頭的外徑D=27 mm，內(nèi)徑Di=20 mm，計算得到L不大于125 cm。DN25探頭的外徑D=33 mm，內(nèi)徑Di=25 mm，計算得到L不大于153 cm?？紤]到管道煙氣流速波動及防堵問題，采用DN25的取樣探頭,Lλ取值80 cm左右。合理的插入深度使取樣樣氣更具有代表性，很大程度上解決了系統(tǒng)不穩(wěn)定、誤差大的問題。

3.2 傳輸滯后時間

取樣后的樣氣傳輸要求滯后時間t<60 s。樣氣傳輸管線選用外徑為6 mm的防腐四氟管，管線在現(xiàn)場敷設時盡量走直線，避免直角、銳角。t計算如式(2)所示：

(2)

式中：V——樣氣傳輸總體積，包括取樣管路段體積V1和預處理段體積V2；qV——樣氣的體積流量。

從式(2)可以看出，分析儀系統(tǒng)設計過程中需要充分考慮整個管線配置的合理性： 一方面要求取樣點到分析儀預處理單元之間敷設距離及路徑的合理設計；另一方面要求樣氣管路和預處理總體積(包括過濾器容積、排污器容積、冷凝器內(nèi)腔體容積)等的合理設計。由于V為恒定值，為確保t可控，通過流量調(diào)節(jié)，使進入分析儀的樣氣流速保持在一個穩(wěn)定值，不隨工藝管道煙氣流量頻繁波動。

二氧化硫鼓風機都安裝在風機房內(nèi)，將分析儀系統(tǒng)的分析小屋設置在風機房旁，取樣點與分析儀系統(tǒng)預處理單元之間距離一般不會超過15 m。結(jié)合實際配置的預處理單元總體積，通過流量調(diào)節(jié)，使進入分析儀單元的樣氣流量控制在0.8～1.2 L/min范圍，整個系統(tǒng)的t<30 s。

3.3 SO2濃度和氧硫比控制

分析儀系統(tǒng)獲取的φ(SO2)和φ(O2)數(shù)據(jù)，通過4～20 mA信號傳輸進入DCS進行監(jiān)控，DCS根據(jù)濃度測量值通過PID運算，調(diào)節(jié)干燥塔入口稀釋風閥門開度來控制φ(SO2)并將氧硫比保持在合理范圍。進入轉(zhuǎn)化器的一般煙氣的氧硫比不小于1.0[10]，在生產(chǎn)過程中通過調(diào)節(jié)干燥塔入口的稀釋風閥門對φ(SO2)和氧硫比進行調(diào)整。正常操作時以調(diào)節(jié)φ(SO2)為主，設定值為9.5%。當氧硫比小于設計值對總轉(zhuǎn)化率造成影響時再調(diào)整氧硫比。

4 系統(tǒng)應用效果

某工程項目投產(chǎn)后分析儀系統(tǒng)已經(jīng)連續(xù)運行數(shù)月，φ(SO2)和φ(O2)實時變化趨勢如圖4所示。φ(SO2)基本控制在9.4%～9.8%內(nèi)，φ(O2)基本保持在12%～12.5%內(nèi)，氧硫比保持在1.25左右。工廠多次將測量值與化驗值進行對比，誤差均在±2%的可接受范圍以內(nèi)。分析儀系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精度、氧硫比的控制均滿足轉(zhuǎn)化工序的工藝要求。

圖4 φ(SO2)和φ(O2)實時變化趨勢示意

5 結(jié)束語

結(jié)合轉(zhuǎn)化工序中煙氣的特點，設計的SO2和O2分析儀系統(tǒng)，對取樣探頭材質(zhì)、尺寸及插入深度進行了計算選擇。針對二氧化硫鼓風機出口煙氣成分及雜質(zhì)特點，設置了反吹單元，并對預處理單元進行了合理優(yōu)化設計。該系統(tǒng)很好地解決了系統(tǒng)易堵維護量大、不穩(wěn)定、樣氣傳輸滯后時間長導致檢測滯后等問題。系統(tǒng)設計合理，投入實際生產(chǎn)運行后性能穩(wěn)定且維護量小，具有推廣性。