李家榮， 芮爭家， 代金生

(1.昆明市宜良化工設(shè)備鑄造廠， 云南 昆明 652100； 2.清華大學(xué)， 北京 100084)

高效濃硫酸管式分酸器的研發(fā)及應(yīng)用

李家榮1， 芮爭家2， 代金生1

(1.昆明市宜良化工設(shè)備鑄造廠， 云南 昆明 652100； 2.清華大學(xué)， 北京 100084)

分酸器是濃硫酸生產(chǎn)設(shè)備干吸塔的重要組件，其使用效果直接影響氣液的接觸效率。傳統(tǒng)管式和部分不銹鋼槽管式分酸器由于材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、制造等方面的不足，已造成對(duì)生產(chǎn)功效的制約和影響。本著適配、高效、節(jié)能、耐用和節(jié)省投資的原則，研制開發(fā)了鐵素體單相耐蝕合金材質(zhì)，并進(jìn)行了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的精細(xì)化設(shè)計(jì)。其結(jié)構(gòu)先進(jìn)合理，使用壽命長，應(yīng)用中取得了良好的效果和好評(píng)。

高效分酸器；鐵素體單相耐蝕合金；吸收塔；工藝創(chuàng)新

1 前言

1.1 濃硫酸分酸器的工況介紹

濃酸分酸器在硫酸生產(chǎn)過程中用于干燥塔和吸收塔內(nèi)。在干燥塔內(nèi)是將濃度為93%的硫酸均勻分布吸收煙氣中的水分，要求出口處氣體含水量<0.09 g/m3。在吸收塔內(nèi)是將濃度為98%的硫酸均勻分布吸收煙氣中的SO3，吸收率應(yīng)達(dá)99%以上。工況條件酸溫從40～120 ℃，設(shè)備內(nèi)外均受腐蝕、沖刷和溫度變化等影響，工作條件較為惡劣，使用壽命一般要求15年以上。

1.2 目前各類分酸裝置存在的問題

1.2.1 傳統(tǒng)管式分酸器

分酸點(diǎn)少，僅為20～32個(gè)/m2，塔內(nèi)酸分布很不均勻；分酸主、支管混用，未設(shè)明顯預(yù)分布系統(tǒng)，從而導(dǎo)致管內(nèi)壓力分布不均，中心區(qū)與邊區(qū)點(diǎn)流量差別偏大，長期使用后邊緣區(qū)域易出現(xiàn)部分弱流速和堵孔現(xiàn)象，氣液接觸減少，不能達(dá)到生產(chǎn)指標(biāo)。

圖1 傳統(tǒng)管式分酸器

1.2.2 不銹鋼槽管式分酸器

不銹鋼槽管式分酸器是現(xiàn)今較為流行的設(shè)備，但其也存在著許多缺陷。

(1)槽管式分酸器占塔截面積約50%以上，比管式分酸器多10%。分酸槽底較寬容易形成渦流，溢流管外伸阻擋塔內(nèi)氣體流通面積，這些原因?qū)е滤?nèi)氣速加大，帶出酸霧、酸沫量大大增加。夾帶出酸霧會(huì)腐蝕管路、設(shè)備減短其壽命。

(2)由于采用溢流分酸，要求所有分酸管的溢流口在同一平面，這就對(duì)設(shè)備的生產(chǎn)和安裝提出了很高的要求。若不能達(dá)到這一要求，則會(huì)造成液體不滿管甚至空管，這二種情況均會(huì)造成酸沫增加或加劇溢流管的腐蝕。某年產(chǎn)量300 kt/a硫磺制酸企業(yè)，管槽式分酸僅僅使用2年后，分酸管下端就全部腐蝕。

(3)上酸量過大時(shí)，沖擊力使槽內(nèi)液浪翻滾，導(dǎo)致溢流管部分滿流、部分不滿流，甚至酸液直接從槽內(nèi)溢出，國內(nèi)某大型銅冶煉企業(yè)就出現(xiàn)過此類問題。

(4)溢流分酸流速較慢，容易在溢流管小處生成結(jié)酸垢阻孔。若煙氣中雜質(zhì)多或循環(huán)槽沉淀過濾差時(shí)，雜物會(huì)進(jìn)入酸槽內(nèi)沉積，不及時(shí)清理會(huì)造成堵孔，影響分酸的均勻性。

(5)大塔徑裝置中管槽式分酸器存在分酸盲區(qū)，見圖2。

圖2 傳統(tǒng)分酸器存在分酸盲區(qū)

(6)由耐酸合金制成的管槽式分酸器價(jià)格昂貴，造價(jià)高出鐵素體單相耐蝕合金管式的3倍以上，而是用壽命只是其一半左右。

(7)帶有陽極保護(hù)的，需要穩(wěn)定的酸液高度酸才能得到保護(hù)；由于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，保護(hù)電位控制困難，易發(fā)生腐蝕。

2 高效濃硫酸分酸器研發(fā)

根據(jù)對(duì)以前的分酸器存在的問題進(jìn)行分析，遵循高耐蝕、高性價(jià)比的原則，昆明宜良化工設(shè)備鑄造廠多年來在材料使用、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造技術(shù)和工藝水平提高等方面不斷創(chuàng)新，研制了優(yōu)質(zhì)、耐用、性價(jià)比高的高效濃硫酸管式分酸器。

2.1 材料創(chuàng)新

針對(duì)分酸器的使用工況，昆明宜良化工設(shè)備鑄造廠與清華大學(xué)、上海材料研究所等科研機(jī)構(gòu)合作，通過對(duì)大量材料常規(guī)元素和球化、強(qiáng)化孕育元素的作用進(jìn)行分析，經(jīng)過多年實(shí)驗(yàn)，最終研發(fā)了鐵素體單相耐蝕合金(材料牌號(hào)FD)。由試驗(yàn)測得，F(xiàn)D材料在100 ℃濃度93%H2SO4中腐蝕率僅為0.0079 mm/a左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于不銹鋼、多種耐酸合金、多元合金和低鉻鑄鐵等材料，結(jié)合設(shè)計(jì)厚度，使用FD材料制作的分酸器壽命可達(dá)20年以上，而其造價(jià)僅為不銹鋼的1/2左右。

2.2 高效濃硫酸管式分酸器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)現(xiàn)有分酸器使用中存在的問題，昆明宜良化工設(shè)備鑄造廠與清華大學(xué)、昆明理工大學(xué)及國內(nèi)權(quán)威設(shè)計(jì)部門等多家單位合作對(duì)高效新型濃硫酸管式分酸裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了各種優(yōu)化設(shè)計(jì)，取得了突破性的進(jìn)展，見圖3。

圖3 高效濃硫酸管式分酸器

高效濃硫酸分酸器是嚴(yán)格地依照干吸塔的運(yùn)行參數(shù)，采用流體力學(xué)方法對(duì)其預(yù)分布管、分酸主管、支管的數(shù)量和位置、以及分酸點(diǎn)直徑和數(shù)量等進(jìn)行模擬，取得模擬數(shù)據(jù)后再經(jīng)過廠內(nèi)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證，使其在結(jié)構(gòu)上體現(xiàn)了最優(yōu)的流動(dòng)狀態(tài)，從而得到了酸液均勻分布的最佳效果。與常見的分酸器相比，高效濃硫酸管式分酸器增加了三大類共計(jì)22項(xiàng)工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其在生產(chǎn)中取得更好的效果。其具體優(yōu)點(diǎn)是：

(1)設(shè)計(jì)了預(yù)分布、均衡管，限制了分酸小管長度，均衡了點(diǎn)的流速、流量，解決了分酸點(diǎn)邊區(qū)因弱流速而造成的阻孔。

(2)空隙率60%左右，管底無渦流阻力，煙氣增速少，減少了酸霧夾帶，使吸收率提得更高，節(jié)約能源。

(3)分酸出口采用非金屬材料精細(xì)內(nèi)襯，不受沖刷腐蝕、不脫落、不結(jié)垢、不堵塞。

(4)分酸點(diǎn)多，一般為36～46個(gè)/m2，分酸點(diǎn)向下呈35°～55°，分酸均勻，無盲區(qū)，消除了分酸死角和氣液接觸不良現(xiàn)象，有效降低了塔體高度減少工程造價(jià)。

(5)帶壓上酸保證滿流，分酸平穩(wěn)均勻，杜絕了帶出酸沫及稀酸氣泡，提高了設(shè)備和管路的使用壽命。

(6)操作彈性大，運(yùn)行氣量為設(shè)計(jì)值的80～120%。

(7)占用空間小，分酸器高度僅為0.7～1.2 m，安裝較方便。

3 高效濃硫酸管式分酸器應(yīng)用

高效濃硫酸管式分酸器自研發(fā)以來，已成功用于三環(huán)化工、云銅楚雄銅業(yè)、廣東金泰化工等國內(nèi)許多大中型硫酸生產(chǎn)企業(yè)，使用時(shí)間最長的已超8年?，F(xiàn)列舉某銅冶煉企業(yè)制酸系統(tǒng)在使用昆明宜良化工設(shè)備鑄造廠高效管式分酸器前和用后的干燥塔和吸收塔的工藝參數(shù)變化，見表2、表3。

表2 改造前用槽管式分酸器的干吸塔工藝參數(shù)

表3 改造后用高效管式分酸器的干吸塔工藝參數(shù)

由表2、表3可知，通過更換高效濃硫酸管式分酸器后，分酸點(diǎn)增到42個(gè)/m2，出口氣體含水量小于0.06 mg/m3，SO3吸收率達(dá)到99.99%以上。在塔體直徑不變的情況下，煙氣量從原來的126000 m3/h提高到140000 m3/h，濃酸產(chǎn)量從30萬t增加到33萬t，僅硫酸一項(xiàng)就為該廠每年增加經(jīng)濟(jì)效益300萬元。

昆明宜良化工設(shè)備鑄造廠多年來研發(fā)的高效濃硫酸管式分酸器，選用最耐熱濃硫酸腐蝕的鐵素體單相耐蝕合金，它的高韌性解決了脆性破壞風(fēng)險(xiǎn)，改善了焊接性能；再與精細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合，打造了性價(jià)比高的完美產(chǎn)品。該產(chǎn)品共獲7項(xiàng)國家專利，迄今為止在許多國內(nèi)大中型硫酸生產(chǎn)企業(yè)使用，共計(jì)數(shù)百套。在對(duì)用戶進(jìn)行回訪時(shí)，獲得一致好評(píng)。

4 結(jié)束語

昆明宜良化工設(shè)備鑄造廠研發(fā)的高效濃硫酸管式分酸器因其高耐蝕性和超低成本，緩解了我國大量靠高價(jià)進(jìn)口不銹鋼板材制造分酸器的狀況，從而節(jié)省了生產(chǎn)投入，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。優(yōu)良的材料、精細(xì)的設(shè)計(jì)、完美的制造相結(jié)合，生產(chǎn)出的高效濃硫酸管式分酸器在減少維修增加壽命的同時(shí)保證了生產(chǎn)的正常運(yùn)行，這種高效、低成本的產(chǎn)品應(yīng)廣泛應(yīng)用。

[1] 芮爭家.鑄鐵合金及其熔煉技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[2] 楊平安.耐高溫濃硫酸腐蝕合金材料[J].磷酸設(shè)計(jì)，1994，(2).

[3] 程子明.WSA制酸裝置設(shè)備腐蝕原因及改進(jìn)措施[J].硫酸工業(yè)，2012，(5).

[4] 化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書篇委會(huì).塔設(shè)備設(shè)計(jì)[M].上海：上?？茖W(xué)出版社，1988.

[5] 鐘國英.槽管式分酸器在硫酸裝置中的應(yīng)用[J].有色冶金設(shè)計(jì)與研究，2006，(6).

[6] 蘭州石油機(jī)械研究所.現(xiàn)代塔器技術(shù)[M].北京：中國石化出版社，2007.

Development and Application of High Efficiency Tube Acid Distributor

LI Jia-rong1， RUI Zheng-jia2， DAI Jin-sheng1

(1.Yiliang Chemical Engineering Equipment Iron Factory Kunming, Kunming 652100, China；2.Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Tube acid distributor is an important part of absorption tower in sulfuric acid production, its effectiveness directly impacts contact efficiency of gas and liquid. The traditional acid distributors have disadvantages of material, structure, and other aspects of manufacturing, has resulted in constraints on the production effectiveness and impact. The paper has developed ferrite single-phase corrosion resistant alloy material, and the fine design of product structure based on principles of high efficient, energy-saving, durable and save the investment. This new distributor has advanced structure, long service life, the application has achieved good results and praise.

high efficiency tube acid distributor； ferrite single-phase corrosion resistant alloy； absorption tower； process innovation

2013-10-16

李家榮(1964-)，男，云南昆明人，鑄造工程師，碩士研究生，主要從事特種適用材料研發(fā)及管理工作。

芮爭家(1944-)，男，上海市人，清華大學(xué)教授，工學(xué)碩士，主要從事金屬材料的研發(fā)工作。

TQ111.1

B

1003-8884(2014)01-0042-03

代金生(1956-)，男，云南昆明人，工程師，大學(xué)學(xué)歷，主要從事硫酸工藝設(shè)計(jì)及生產(chǎn)管理。