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铜冶炼烟气制酸仪表流量计系统的选型和维护



  摘要:介绍了铜冶炼烟气制酸生产过程中的各类型仪表的选型、安装和维护。通过对运行中仪表设备所出现问题的分析研究以及反复实践, 改进了传统仪表设备使用的缺陷, 以达到节省开支、降低维修成本、减少工作强度的目的。
 
  硫酸作为一种化工原料, 在国内市场需求量较大, 但拘于国家对硫酸产品的安全特殊性要求, 常规的以人工参与为主的控制方式已经难以满足生产要求, 因此, 自动化仪表设备在硫酸生产中得到了广泛的应用。硫酸生产过程具有较强的腐蚀性, 仪表硬件设备运行正常与否、能否达到控制系统的要求, 直接影响着硫酸生产的稳定性和产品质量。同时, 政府对环境保护问题越来越重视, 硫酸生产过程中的有毒有害气体排放也需要自动化仪表设备的实时监测[1]。
 
  笔者结合浙江江铜富冶和鼎铜业有限公司100kt/a粗铜搬迁改造和270 kt/a电解铜一期工程硫酸项目的自动化仪表设备的选型和使用维护情况, 对仪表自控系统进行介绍。该铜冶炼烟气制酸项目采用二转二吸生产工艺, 于2013年7月建成试生产, 设计生产能力429 kt/a[以w (H2SO4) 100%硫酸计]。该套系统大量使用温度、液位、压力、流量、浓度等带4~20 m A远传信号的仪表, DCS系统采用浙大中控ECS100系列。在前期的系统运行过程中, 发现部分现场检测仪表由于设计选型不当, 造成信号不稳定甚至腐蚀损坏仪表设备的现象, 随后对现场仪表设备进行了一次重新筛选, 对部分仪表选型进行了改进。
铜冶炼烟气制酸仪表流量计系统的选型和维护
  1 温度检测元器件的设计及改进[2]
 
  硫酸生产过程中大批量选用热电偶热电阻等温度检测元件。由于测量设备与介质直接接触, 大多又安装在带压设备上, 所以保护套管的选型、长短和安装方式尤为重要。
 
  1.1 高温区域
 
  在制酸转化系统区域内高温气态介质中使用的测温元件, 常规设计多使用分度号为K的热电偶, 保护套管选用316L不锈钢, 法兰式安装, 并选用耐高温的红木纸板垫片。
 
  在使用过程中发现, 转化器内长度为5 m及3.5 m的热电偶元件在正常使用3年后均出现不同程度的磨损及难以插入和拔出的情况。由于转化器较高, 更换及检修具有很大的危险性。经多方面考虑, 在二期扩建项目硫酸二系统中采用器内加装316L不锈钢保护管方式, 增加器体测温元件的使用寿命及降低该区域的工作劳动强度。
 
  1.2 强腐蚀带压区域
 
  净化、干吸工序存在稀酸、浓酸及低温烟气等强腐蚀性介质, 一般设计均选用不锈钢热敷聚四氟乙烯防腐保护管的铂热电阻, 法兰式安装方式。用于液体介质的选用聚四氟乙烯垫片, 烟气介质选用石棉垫片。保护套管和垫片的正确选择与规范安装, 能减少腐蚀提高使用寿命。但是硫酸生产中液体介质中多含颗粒杂质, 大多测温元件又安装于泵的出口, 聚四氟乙烯保护管常被损坏, 导致不锈钢套管与介质直接接触而腐蚀损坏。高温烟气介质遇到停车检修或工艺不正常, 会形成冷凝酸, 聚集在不锈钢套管上, 也会引起套管腐蚀损坏。
 
  净化系统板式换热器进出水温、干吸浓酸换热器进出水温、干吸循环泵出口酸温由于设计选型问题就曾出现过使用过程中保护套管断裂脱落的情况。经过研究发现问题是由于多方面因素造成: (1) 设计安装位置过于靠近设备本体流体冲刷压力过大; (2) 设计选型为普通直杆式, 抗压性能不足; (3) 设计保护管长度过长, 冲压易折断。在保证硫酸管道完整、安全、不增加新开孔的原则下, 对上述区域内的所有测温元件进行了改造, 由原有的直杆式改为倒锥式, 并在原有的保护管基础上进行了相对应的缩短。改造后运行2年多时间, 使用情况正常, 再无出现过因硫酸泄漏导致的停车情况。
铜冶炼烟气制酸仪表流量计系统的选型和维护
  2 压力检测元器件的设计及改进
 
  2.1 设计选型
 
  压力是工业生产中四大重要工艺参数之一, 有些物理量 (如温度、流量及液位) 也常采用间接测量压力的方法获得。在硫酸系统中, 最常用的测压仪表是带远传的法兰式智能变送器 (ROSE-MOUNT3051系列) , 净化与干吸液体介质的测量多用隔膜式压力表, 转化及干吸系统气体介质的测量多采用智能压力变送器。
 
  2.2 改进
 
  1) 在一期工程硫酸项目中, 净化区域设计毛细管双法兰变送器选用316L膜片, 运行后相继出现不锈钢法兰被腐蚀, 316L法兰面出现漏酸事故, 经确认为膜片材质不适应工艺条件, 现场安装不规范等原因。经确认后将所有的毛细管法兰变送器换成哈氏C合金膜片后, 运行至今未出现膜片被腐蚀现象。
 
  2) 现场接液面法兰被腐蚀情况较为严重, 净化区域多为玻璃钢材质管道, 安装法兰面是现场制作多为不平整面, 为降低漏液腐蚀风险的出现, 现将所有的接液面法兰改为整体聚四氟乙烯包裹式, 上述故障解决。
 
  3) 转化干吸区域压力测量均在每个压力检测点前加装一个等通径的衬聚四氟乙烯碟阀或球阀, 遇到仪表故障需临时关闭阀门时不至于影响生产。对于硫酸生产中易产生冷凝酸和酸泥、出现引压管被腐蚀或堵塞的现象, 将取压管弯头朝上安装, 使冷凝物回流到设备管道;同时尽量减少引压管的长度和弯头数量, 降低堵塞程度, 还要尽可能地对引压管和设备连接处做好保温处理以减少冷凝现象的发生。
 
  3 流量检测元器件的设计及改进[3]
 
  3.1 设计选型
 
  流量检测仪表按工作原理分为差压、浮子、容积式、靶式、涡轮、涡街、电磁、超声及明渠流量计等, 流量仪表的种类较多, 根据工艺介质与流量范围合理选择。
 
  3.2 改进
 
  1) 一期工程硫酸项目主风机风量测量选用比托管式流量计 (EMERSON阿牛巴) , 前期生产中使用效果较稳定, 但随着时间的推移也出现了不少问题, 风量显示值时常乱跳。检查发现由于主风机进口烟气是由干燥塔直接引过来, 烟气成份中含有微量的水分, 再加上定期的计划停机检修, 使得插入在管道中的比托管表面粘附一层较厚的绿色酸泥, 严重堵塞了比托管上的测量取样孔。在后期的改造过程中加装了定期反吹扫控制箱并结合每周2次的人工吹扫, 使用了1年多时间, 风量显示值乱跳动情况得以解决。
 
  2) 一期项目中测酸介质的流量计选用的罗斯蒙特品牌电磁流量计。在个别钢衬聚四氟乙烯管道的安装位置, 由于管道法兰与电磁流量计法兰面安装了不合适的聚四氟乙烯垫, 造成渗液腐蚀, 后经系统停车重新安装后, 问题得以解决。
 
  3) 接地问题。一期制酸系统共使用罗斯蒙特品牌电磁流量计24套, 其中溢流堰稀酸流量、废酸输送泵出口流量、中水补水流量、原液出口流量、石膏反应槽进液流量、污水中和进液流量、厂区回水系统流量共计7套配置接地环, 选用的是罗斯蒙特三电极一体式产品。在使用过程中发现溢流堰稀酸流量计时常出现不规则的数据晃动情况;其余6套产品则使用正常。该问题的出现一时无法解释原因, 经反复试验及排查, 发现该玻璃钢管道内的介质除稀酸、水、酸泥外还混合有不定量的金属离子颗粒, 后改进为三电极外加接地环, 问题得以解决。由此可见, 在制酸工艺中出现问题的可能性是多方面的, 需要维护人员具备极其丰富的现场实践经验及故障问题分析处理能力, 一味的按照常规思路考虑问题也是行不通的。
 
  4 液位检测元器件的设计及改进
 
  常用的液位测量仪表有超声波液位计、雷达液位计和远传磁翻板液位计。由于硫酸生产的密闭工艺特殊性, 不能正确反映和控制液位就有可能发生溢流造成环境污染或者缺水而损坏设备情况。一般设计均在干吸和净化区域使用雷达液位计, 为便于安装。常在槽盖上方开孔, 安装一个带法兰的套管, 将液位计装在套管上。在安装时要注意雷达液位计有测量盲区, 需尽量避开;如实在无法避开, 可调整雷达液位计的安装高度及角度, 依据设备的回波率, 达到可接受的最大值。在净化一级动力波洗涤器和气体冷却塔、二级动力波洗涤器的上方由于不能安装雷达液位计, 开始设计是在塔体侧面延伸垂直一套管, 将雷达探头装在套管顶部。使用时因为集液槽内雾气大, 干扰声波, 而且斜测不能准确地测量实际液位。通过在实践工作中不断的摸索积累经验, 在该管道与雷达液位计接口法兰处人为进行垫高并开一个排气孔, 避免了雾气影响雷达信号的方向;改造之后仪表运行良好。需要注意的是, 超声波和雷达液位计的探头接触腐蚀介质, 要定期对探头清洗维护。
 
  5 酸浓分析仪
 
  目前, 国内硫酸生产中酸浓度的测量多采用电导分析法中的电磁感应法。电导传感器的取样有两种方式:采用无电极电导传感器 (俗称磁头) , 将二元液体介质取出, 流经装有传感器的测量槽来测量介质的电导率, 即抽出式取样;不取出酸样是将传感器经接管或三通插入介质流动的管道内测量, 即插入式取样或原位式取样。该项目实施过程中, 使用DKK硫酸浓度仪, 流通池用水平接管装在主管道上, 该套仪表内部存储器存有三维运算函数关系 (浓度、电导率、温度) , 比较以往的常规酸浓检测仪表具备更高的准确度和稳定性, 选用不同的检测探头, 其检测值可从0~2μs/cm到0~20 s/cm的电导率值。传感器的接触液体部分材质选用PFA即聚四氟乙烯, 具有很强的耐腐蚀性。使用3年多时间, 投运效果良好, 性能稳定、日常维护量小。
 
  6 结语
 
  基于自动化仪表设备对酸浓的准确测量和远程监控, 技术人员对硫酸生产控制系统及其参数进行调节与优化, 使控制系统更加适应生产工艺的要求, 充分实现了冶炼烟气条件下的自动串酸、自动产酸, 保持干吸循环槽液态平衡。硫酸生产过程工艺复杂, 介质腐蚀性强, 选择和安装仪表的要求严格, 只有加强日常维护、仪表的稳定与准确计量才能为提高硫酸产品的质量和数量提供保证。


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