劉嬌洋，陳文江

（1.中國(guó)瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西南昌330031；2.深圳市城市公共安全技術(shù)研究院，廣東深圳518046）

硫酸生產(chǎn)中吸收塔為干吸工序的填料塔，用于吸收來(lái)自轉(zhuǎn)化工序的SO2和SO3煙氣。為維持吸收塔噴淋酸的正常循環(huán)，可以采用塔與泵槽相配合或增加塔體下部容積存儲(chǔ)硫酸[1-2]。單獨(dú)設(shè)置的泵槽有臥式和立式2種，廠區(qū)一般會(huì)根據(jù)功能分區(qū)及其規(guī)模狀況進(jìn)行設(shè)計(jì)。

隨著硫酸工業(yè)的規(guī)?；l(fā)展，吸收塔的規(guī)格不斷增大，運(yùn)行需要的噴淋酸量相應(yīng)增多，用于配置和存儲(chǔ)循環(huán)酸的泵槽規(guī)格也隨之增大。循環(huán)酸泵槽配置吸收塔所需的硫酸濃度時(shí)，存在硫酸濃度動(dòng)態(tài)波動(dòng)的現(xiàn)象?？紤]到設(shè)備結(jié)構(gòu)和防腐襯里的可靠性，國(guó)內(nèi)常規(guī)設(shè)計(jì)中會(huì)為每臺(tái)吸收塔配置1臺(tái)長(zhǎng)條形的臥式循環(huán)泵槽，使混酸器盡量遠(yuǎn)離循環(huán)泵，同時(shí)增加混酸時(shí)間，從而在保護(hù)循環(huán)泵不易腐蝕的同時(shí)，循環(huán)酸濃度也得到保證。

某工程由于廠區(qū)場(chǎng)地的限制，吸收塔采用塔槽合一結(jié)構(gòu)，即通過(guò)增加塔體高度以儲(chǔ)酸，并配置1臺(tái)小立式泵槽用于混酸，安裝1臺(tái)循環(huán)泵。然而，投產(chǎn)后不久循環(huán)泵腐蝕嚴(yán)重，更換后也很快腐蝕損壞；泵槽冒酸霧嚴(yán)重，吸收塔側(cè)壁、吸收塔與泵槽連接管線均出現(xiàn)泄漏，且隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，漏點(diǎn)越來(lái)越大，給生產(chǎn)和安全帶來(lái)了很大隱患。針對(duì)該工程問(wèn)題，筆者從設(shè)計(jì)層面對(duì)其塔槽合一結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入剖析并提出相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)建議。

1 原塔槽合一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

1.1 原設(shè)計(jì)概況

原設(shè)計(jì)的塔槽為1臺(tái)φ7.03 m×19 m的鋼襯耐酸磚塔和1臺(tái)φ2.42 m×3.8 m的鋼襯耐酸磚槽。吸收塔頂部采用2層絲網(wǎng)除霧器，分酸器為合金鑄鐵管式分酸器。填料采用球拱支撐，分為3段：上段為φ50 mm的瓷質(zhì)異鞍環(huán)，鋪層高度0.35 m；中段為φ76 mm的瓷質(zhì)異鞍環(huán)，鋪層高度3.54 m；下段為瓷質(zhì)組合規(guī)整填料，鋪層高度1 m。塔體底部為球形，采用腿式支撐。酸槽為碟形底立式槽，腿式支撐，酸槽頂部中間設(shè)置循環(huán)泵接口，泵接口周邊設(shè)置進(jìn)酸口和加水口等接口。吸收塔儲(chǔ)液段上部人孔蓋上開(kāi)孔焊接1根管線和酸槽頂部連通。吸收塔出酸口設(shè)置在塔體側(cè)邊靠近底部的位置，通過(guò)不銹鋼襯F4波形膨脹節(jié)與泵槽下部直線連通。

1.2 問(wèn)題剖析

該工程在生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中主要存在以下問(wèn)題：

1） 循環(huán)泵腐蝕損壞嚴(yán)重。泵槽有效直徑為2.42 m，循環(huán)泵接口設(shè)置在設(shè)備頂部的中間位置。酸入口、加水口和設(shè)備法蘭連接口組成一個(gè)三通結(jié)構(gòu)的混酸口，三通設(shè)置在設(shè)備頂部側(cè)邊位置，其中三通頂端為加水口，側(cè)端為酸入口，下端為設(shè)備法蘭連接口，設(shè)備法蘭中加設(shè)套管將流體引入泵槽內(nèi)?；焖峥谂c循環(huán)泵中心距離不到1 m，設(shè)備法蘭加設(shè)套管插入深度距離溢流口約1.05 m，距設(shè)備底部約1.2 m，按如此設(shè)計(jì)，濃酸和稀酸在泵槽內(nèi)來(lái)不及混合均勻即被泵抽出。在濃酸和稀酸均存在的復(fù)雜環(huán)境，鑄鐵和合金材質(zhì)的泵均無(wú)法長(zhǎng)期有效使用。

2） 泵槽酸霧逸出嚴(yán)重。由于吸收塔為正壓設(shè)備，塔槽下部液相連通，為避免塔內(nèi)壓力造成槽內(nèi)液位過(guò)高，需增加泵槽高度。原塔槽設(shè)計(jì)者在吸收塔儲(chǔ)液段的上部與泵槽頂部設(shè)計(jì)了氣相連通管連接兩設(shè)備以保證其壓力相等，塔槽液位處于同一高度，導(dǎo)致泵槽成為正壓設(shè)備，而由于混酸過(guò)程是向濃硫酸中加水，會(huì)產(chǎn)生大量熱量，形成酸霧，腐蝕設(shè)備頂部的法蘭接管導(dǎo)致泄漏，因而出現(xiàn)設(shè)備冒酸霧的情況。

3）運(yùn)行后期，吸收塔側(cè)壁、吸收塔與泵槽下部連通處均開(kāi)始漏酸。吸收塔采用的是腿式支撐，較之傳統(tǒng)吸收塔，其底部?jī)?chǔ)酸量較大，承受更大的壓力，而球形底焊接在筒體內(nèi)側(cè)，焊縫承受的力為剪切力，經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行，焊縫處可靠性下降；同時(shí)球形底直徑較大，鋼外殼產(chǎn)生形變易導(dǎo)致磚內(nèi)襯可靠性降低。由于磚體為脆性材質(zhì)，承受拉力會(huì)出現(xiàn)裂紋，造成硫酸滲漏腐蝕鋼殼，導(dǎo)致吸收塔出現(xiàn)漏酸的情況，運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，磚體裂紋越來(lái)越大，鋼殼腐蝕越嚴(yán)重，漏酸現(xiàn)象則隨之加重。隨著裝置長(zhǎng)期運(yùn)行，吸收塔和泵槽之間設(shè)置的不銹鋼襯F4波形膨脹節(jié)內(nèi)襯的可靠性下降，加之泵槽混酸不均、工作環(huán)境復(fù)雜，不銹鋼開(kāi)始出現(xiàn)腐蝕泄漏，而且腐蝕泄漏還會(huì)逐漸加重。

2 塔槽合一結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)上述問(wèn)題，結(jié)合硫酸工業(yè)干吸工序現(xiàn)有的先進(jìn)技術(shù)對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，新設(shè)計(jì)1臺(tái)φ5.898 m×8 m的鋼襯耐酸磚塔和1臺(tái)φ2.398 m×8 m的鋼襯耐酸磚槽。優(yōu)化后的塔槽合一結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1。

圖1 優(yōu)化后的塔槽合一結(jié)構(gòu)

2.2 優(yōu)化分析

結(jié)合廠區(qū)布置情況，且不影響在檢修工期內(nèi)對(duì)接，優(yōu)化方案為：在配置上保留塔槽合一結(jié)構(gòu)，吸收塔采用高效柱狀纖維除霧器和合金管槽式分酸器，填料分2段：上段為φ38 mm的瓷質(zhì)異鞍環(huán)，鋪層高度0.2 m；下段為φ76 mm的瓷質(zhì)異鞍環(huán)，鋪層高度3 m。填料支撐采用條梁形式，塔體底部采用球形底，鞍座支撐。泵槽為碟形底立式槽，支承式支撐，泵槽頂部中間設(shè)置循環(huán)泵接口?；焖峥谂渲迷谖账w上，取消吸收塔與泵槽頂部的連通管，吸收塔出酸口設(shè)置在塔體底部靠近側(cè)邊位置，通過(guò)不銹鋼彎管與和泵槽下部連通。

塔槽合一的吸收塔和泵槽經(jīng)優(yōu)化后，具有以下特點(diǎn)：

1） 選用的管槽式分酸器下酸點(diǎn)數(shù)大于40個(gè)/m2，分酸更加均勻，填料內(nèi)氣液傳質(zhì)效果更好，吸收塔運(yùn)行速度得以提高，塔有效直徑由原來(lái)的7.03 m 減小至 5.898 m。

2）高效柱狀纖維除霧器對(duì)大于3 μm顆粒的捕集率大于99%，出口煙氣中酸霧(ρ)小于40 mg/m3，壓降小于2 kPa，整個(gè)設(shè)備除霧效率大大提高。

3）高效管槽式分酸器和纖維除霧器的使用，使塔器整體的傳質(zhì)和捕沫效果更好，填料高度由原來(lái)的4.89 m降至3.2 m。

4）條梁格柵支撐孔隙率大，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，同時(shí)施工速度快，能滿足此次改造工程的工期要求。

5）酸槽底部腿式支撐改為支承式支撐，減少泵槽底部變形的可能性，加強(qiáng)襯磚設(shè)備的可靠性。

針對(duì)原設(shè)計(jì)的一些問(wèn)題，對(duì)設(shè)備細(xì)節(jié)部分進(jìn)行了改造：

1）塔槽合一結(jié)構(gòu)吸收塔的底部?jī)?chǔ)酸量非常大，底部的封頭承受較大壓力，經(jīng)常規(guī)計(jì)算，封頭強(qiáng)度滿足使用要求，但封頭變形程度較不儲(chǔ)酸的吸收塔增大。襯磚為脆性材質(zhì)，鋼殼的變形將嚴(yán)重影響襯磚的使用壽命，導(dǎo)致封頭泄漏。為了減少封頭變形對(duì)襯磚的影響，吸收塔底部將腿式支撐改為鞍式支座，既支撐了塔體，也對(duì)封頭底部起到了加強(qiáng)作用，使得封頭變形微小，提高了襯磚的可靠性。

2）塔體底部?jī)?chǔ)酸，填料支撐墻高度增加，在儲(chǔ)液段增加支撐墻的寬度，增大磚體的抗彎截面系數(shù)，使填料支撐穩(wěn)固。

3）吸收塔直徑大，儲(chǔ)酸量也非常大，混酸需要的水量相對(duì)于整個(gè)塔體的儲(chǔ)酸量來(lái)說(shuō)非常小，混酸器設(shè)置在塔體上，混酸更快更均勻。為減少塔體因開(kāi)孔增加的泄漏風(fēng)險(xiǎn)，將混酸器安裝口設(shè)置在塔體氣相工作段。另外，混酸器需要插入至液位以下，且盡量深入，這導(dǎo)致混酸器較長(zhǎng)，在安裝和支撐上有一定難度。筆者在塔體上開(kāi)設(shè)長(zhǎng)圓孔接管，長(zhǎng)圓孔接管水平布置，外端焊接長(zhǎng)圓形鋼板，鋼板上開(kāi)孔焊接傾斜向上60°的法蘭短接用于混酸器安裝，同時(shí)法蘭接管加筋與鋼板焊接，加強(qiáng)穩(wěn)定性。將混酸器傾斜插入設(shè)備底部，可在安裝時(shí)利用上部空間，避免水平空間對(duì)安裝的限制；同時(shí)在滿足混酸點(diǎn)深度的情況下，60°角的設(shè)計(jì)使得混酸器長(zhǎng)度相對(duì)較小，外懸導(dǎo)致的力矩也較小，從而減小了支撐點(diǎn)受力，運(yùn)行更為穩(wěn)固。在布置上，混酸器插入的位置位于兩堵填料支撐墻中間，管口方位盡量遠(yuǎn)離出酸口，實(shí)際混酸點(diǎn)距出酸口約3.7 m，可減少混酸對(duì)支撐墻的正面沖刷，并增加混酸時(shí)間。塔體混酸的設(shè)計(jì)使得進(jìn)入泵槽后的酸濃度有保證，避免了循環(huán)泵和泵槽的腐蝕。

4）吸收塔與泵槽底部用金屬?gòu)澒苓B接，金屬?gòu)澒苣芷鸬脚蛎浌?jié)的作用，消除吸收塔槽因變形不一致造成的拉裂影響。連接管路上設(shè)置節(jié)流孔板，控制塔和泵槽的液位高度，既可避免原設(shè)計(jì)連通管造成的冒酸，也不用將泵槽制造過(guò)大，節(jié)約了成本。

3 對(duì)比分析

在分酸器、除霧器及填－料等塔內(nèi)件選型相同的情況下，與同規(guī)格的常規(guī)塔槽分離方案相比，優(yōu)化方案的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在：

1）在工程設(shè)備用材方面，塔槽合一結(jié)構(gòu)節(jié)省鋼材用量約6%，節(jié)省耐酸磚用量約14.5%。

2）在設(shè)備占地方面，塔槽合一結(jié)構(gòu)僅塔器占地較大，泵槽規(guī)格僅需滿足循環(huán)泵的安裝，且可以利用邊角位置布置；而塔體直徑相同的常規(guī)塔槽分離結(jié)構(gòu)的泵槽長(zhǎng)度通常不少于8 m，平面上占地量非常大，工藝配管長(zhǎng)度也相應(yīng)增加。

3）在土建方面，常規(guī)塔槽分離結(jié)構(gòu)需建造1臺(tái)大塔器基礎(chǔ)和1臺(tái)長(zhǎng)8 m的臥式容器基礎(chǔ)，工程量相當(dāng)大；而塔槽合一結(jié)構(gòu)，泵槽承重和規(guī)格都非常小，土建基礎(chǔ)工程量不大，吸收塔土建承重雖有增加，但較原土建承重增加比例和工程增加量不大，建設(shè)難度降低，造價(jià)低。

4 結(jié)語(yǔ)

該塔槽合一結(jié)構(gòu)的吸收塔改造后于2017年投產(chǎn)，運(yùn)行至今3年多來(lái)，未出現(xiàn)泵腐蝕、酸泄漏、冒酸霧等情況，整個(gè)設(shè)備和工藝系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好。塔槽分離結(jié)構(gòu)為一種常規(guī)設(shè)計(jì)，其安全可靠性滿足了工業(yè)應(yīng)用的需求，但因選材和設(shè)計(jì)等多種因素被限制了使用。從此次優(yōu)化改造情況來(lái)看，合理設(shè)計(jì)塔槽合一結(jié)構(gòu)的吸收塔，能很好地節(jié)省廠區(qū)用地，降低設(shè)備和土建造價(jià)，對(duì)后期新建和改造項(xiàng)目都有很好的借鑒意義。