冶炼烟气制酸阳极保护管壳式浓酸换热器应用实践.pdf

硫酸工业Sulphuric Acid Industry第 3 期2023 年 6 月No.3Jun.2023冶炼烟气制酸阳极保护管壳式浓酸换热器应用实践詹传平1,2，田成鹏1,2，程斌1,2（1.大冶有色金属有限责任公司，湖北黄石 435002；2.有色金属冶金与循环利用湖北省重点实验室，湖北黄石 435002）摘要：介绍了阳极保护技术的工作原理、阳极保护管壳式浓酸换热器在运行过程中出现的故障情况及相应解决方案，并针对该类浓酸换热器存在的主要问题，从冶炼系统和制酸系统的工艺控制方面提出了操作优化措施。多年的生产实践表明，水侧的堵塞和酸侧的腐蚀是阳极保护管壳式浓酸换热器存在的主要问题，从多方面控制干吸工序循环酸的浓度和温度、制定措施降低水侧的结垢速度是较为有效的方法，从而使浓酸换热器具有良好的换热效果，保障制酸系统长期稳定运行。关键词：冶炼烟气制酸阳极保护管壳式换热器浓硫酸中图分类号：TQ051.5；TQ111.16 文献标志码：B 文章编号：1002-1507(2023)03-0021-03Application practice of anode protection shell and tube type concentrated acid heat exchanger for smelting flue gas acid productionZHAN Chuanping1,2,TIAN Chengpeng1,2,CHENG Bin1,2(1.Daye Nonferrous Metals Company,Huangshi,Hubei,435002,China;2.The Key Laboratory of Hubei Province for Metallurgy and Recycling of Nonferrous Metals,Huangshi,Hubei,435002,China)Abstract:The working principle of anode protection technology,the faults that occur during the operation of the anode protection shell and tube type concentrated acid heat exchanger,and corresponding solutions are introduced.In response to the main problems of this type of concentrated acid heat exchanger,operational optimization measures are proposed from the process control aspects of the smelting system and acid making system.Years of production practice have shown that blockage on the water side and corrosion on the acid side are the main problems in anode protected shell and tube type concentrated acid heat exchangers.Controlling the concentration and temperature of circulating acid in the dry suction process from multiple aspects,and developing measures to reduce the scaling speed on the water side are effective methods to ensure good heat exchange effect of the concentrated acid heat exchanger and ensure long-term stable operation of the acid making system.Key words:acid production from smelting flue gas;anodic protection;shell and tube heat exchanger;concentrated sulphuric acid大冶有色金属有限责任公司冶炼厂（以下简称大冶冶炼厂）冶炼烟气制酸系统中，阳极保护管壳式浓酸换热器应用于干燥、吸收工序浓硫酸的降温，实现从热流到冷流的转化。浓酸换热器的腐蚀率与故障率是制约生产的关键因素，对浓酸换热器进行维护，保持换热效果稳定，对后续工艺及成品酸的控制具有重大意义。大冶冶炼厂制酸系统三、四系列的阳极保护管壳式浓酸换热器运行时间均超过了10 年，总体运行稳定，但由于使用时间过长、工收稿日期：2023-05-08。作者简介：詹传平，男，大冶有色金属有限责任公司冶炼厂高级环保工程师，主要从事化工环保生产技术管理工作。电话：13807238093；E-mail：。艺操作波动及冷却水质不稳定，导致换热器内部列管不定期出现堵塞、泄漏等故障。大冶冶炼厂针对阳极保护管壳式浓酸换热器出现的故障进行原因分析，并采取技术措施，保证了设备的正常运行。硫酸工业222023 年第 3 期1阳极保护技术工作原理阳极保护技术是一种电化学防腐蚀技术，其相关原理为：具有钝性倾向的金属在进行阳极极化时，向金属通以适当的电流，使其表面形成具有高耐蚀性的钝化膜，施加一定的电流维持其钝化，以防止或减少金属的腐蚀1。阳极保护系统通常由阳极、阴极、控制参比电极、监测参比电极及恒电位仪组成，其中控制参比电极将阳极的电位控制在一特定值，监测参比电极用于监测阳极的电位是否处于钝化区，恒电位仪通过调节低压大容量电流电源，从而控制阳极相对于参比电极的电位2。恒电位仪具有电位监测、过载限流保护及自动报警功能。阳极保护管壳式浓酸换热器相对于控制参比电极的电位被传送到恒电位仪，恒电位仪中的运算放大器将该电位与给定的控制指标进行比较，如果电位差超出设定范围，运算放大器则输出信号至可控整流电源，改变其输出电流的大小，使阳极电位等于“给定”电位，从而达到自动控制阳极电位保持恒定的目的。2阳极保护管壳式浓酸换热器故障分析及解决方案2.1换热列管堵塞2022 年 14 月，制酸四系列干燥塔阳极保护管壳式浓酸换热器的换热效果逐月下降，1 月份换热器进口酸温均值为 98.5，出口酸温均值为77.9，4 月份进口酸温均值为 99.1，出口酸温均值为 80.3，超出了往年季节环境温度变化的影响。根据日常工艺记录，计算出该干燥塔浓酸换热器 14 月的日均换热量分别为 49 871 195.7，49 048 939.8，48 199 797.8，44 735 633.9 kJ/h。对上述数据进行比较分析可知，浓酸换热器的换热效果持续下降，并在34月下降幅度最大，初步推测浓酸换热器内部的换热列管出现了堵塞。2022 年 5 月对制酸系统进行检修，将干燥塔的阳极保护管壳式浓酸换热器拆除进行检查，肉眼可见两端列管均出现了不同程度的堵塞，用强光手电筒逐一对换热管内部照射检查发现，列管透光度较低，透光列管数量仅占列管总数量的 65%，随即使用高压水枪对换热列管进行物理冲洗，在反复冲洗 3 遍后，大量水垢及杂质被洗涤排出，再次使用强光手电筒照射检查，透光列管的占比恢复至91%以上，冲洗效果较好。阳极保护管壳式浓酸换热器清洗后投入使用，换热性能恢复正常。2.2换热列管腐蚀穿孔2022 年 10 月 19 日 23:00 左右，大冶冶炼厂制酸系统主控室操作人员在 DCS 系统发现制酸四系列吸收塔阳极保护装置出水口冷却水 pH 值下降至2.1，迅速通知巡检人员到现场进行 pH 值检测。检测结果与主控室反馈一致，判断其原因应为阳极保护管壳式浓酸换热器换热列管出现了腐蚀穿孔，导致浓硫酸泄漏至换热器出口的循环水中造成污染。联系生产控制中心，逐步对制酸四系列进行停车检修。关闭恒电位仪，关闭浓酸换热器的硫酸进、出口阀门，排空冷却器中的酸液。换热列管直径为15 mm，采用长度为 20 mm、两端直径分别为 14，16 mm 的圆锥形 316L 不锈钢材质的堵头对泄漏的换热列管进行封堵，用 E316L-16 不锈钢焊条进行氩弧焊焊接。此次出现泄漏的列管总计 6 根，在焊接完成后，启动循环水泵试漏，循环冷却水的 pH值始终保持在 7 左右，说明换热列管堵漏成功，开车后制酸系统恢复生产。2.3恒电位仪电流过高2022 年 8 月 22 日，大冶冶炼厂硫酸车间专业巡检期间发现制酸四系列吸收塔阳极保护管壳式浓酸换热器的恒电位仪电流值为 11.4 A，超出了其日常生产设置的 210 A。恒电位仪的电流在 210 A时，换热器内部的钝性金属表面处于稳定的钝化状态，可以在浓硫酸中维持良好的换热特性；若增大电流密度，金属表面会产生新的电极反应，使钝化膜转化成高价化合物而受到破坏，形成腐蚀。当硫酸车间巡检人员发现恒电位仪电流达到11.4 A 后，立即联系主控室操作人员查看阳极保护管壳式浓酸换热器进出口的硫酸温度及浓度，此时吸收塔循环酸的温度高达 107。通过及时调整系统烟气负荷，增开 1 台循环水泵，增加浓酸换热器的循环水流量，增大换热总量降低循环酸温度，同时手动调整恒电位仪的电流，使阳极保护装置在设定的电流范围内稳定工作，2 h 后恒电位仪电流降至 3.6 A，系统运行平稳。233阳极保护管壳式浓酸换热器的操作优化措施大冶冶炼厂采用奥斯迈特炉熔炼+转炉吹炼的冶炼工艺，其特点是制酸系统进口的 SO2浓度、热负荷波动大，进而影响阳极保护器进口的硫酸温度与浓度。大冶冶炼厂结合长期的生产实践经验认为，水侧的堵塞和酸侧的腐蚀是阳极保护管壳式浓酸换热器存在的主要问题，为实现设备长周期稳定运行，可从以下两方面进行管控。3.1控制干吸工序循环酸的浓度和温度1）均衡调节制酸三、四系列的生产、干燥及吸收负荷。一是通过调整三、四系列的烟气流量进而对制酸系统的生产负荷进行调整；二是在保证上塔酸流量的情况下，通过增加串酸量减少系统加水从而减少稀释热，同时向吸收系统串入低温干燥酸还有利于降低吸收循环槽中的硫酸温度。2）严格控制干燥塔进口的烟气温度。一是通过净化工序动力波洗涤塔、气体冷却塔对烟气进行降温；二是在气温较高的夏季适当提高吸收系统的上酸量，从而降低吸收塔出口的硫酸温度，保证进入阳极保护器的硫酸温度低于 100。3）严格控制干吸工序的循环酸浓度。保证干燥酸和吸收酸的 w(H2SO4)分别不低于 92.5%和97.5%，当循环酸的浓度低于控制指标时应立即换酸。每天取样 3 次对循环酸的硫酸浓度进行人工与自动酸浓分析仪比对分析，确保不因酸浓分析仪出现故障导致循环酸浓度降低而影响阳极保护管壳式浓酸换热器的腐蚀速率。4）控制单质硫的产生。奥斯迈特炉在熔炼过程中在供氧不足或入炉料含硫过高、炉内动力学条件不足等情况下会产生单质硫，单质硫在制酸工序冷却凝结，容易堵塞净化工序板式换热器、气体冷却塔等，降低烟气冷却效果，进而导致干吸循环酸温度和浓度产生波动。大冶冶炼厂自制了一种制酸系统定性检测烟气中单质硫的装置，该测定装置的取样支架为聚乙烯（PE）伸缩杆，采集单元采用“ES”复合纤维材料，利用电除雾器进口的 DN 80化验取样点，固定采集时间（每天 4 次，异常情况下加大频次）进行采样，取样深度根据采样管道内径的要求进行调节，采样结束后通过自制比色卡比对，得出该时段内烟气中单质硫含量的情况，并通知火法冶炼系统及时对工艺指标进行调节控制，避免制酸系统出现不可逆的损伤，做到平稳生产。3.2降低浓酸换热器水侧的结垢速度硫酸车间对冷却水质实行实时监控和人工定期分析相结合，通过监测电导率来监控冷却循环水的硬度。2021 年 3 月由于亚钠车间排放的蒸汽冷凝水中钙离子、钠离子含量较高，致使循环水的电导率最高达 1 300 S/cm，浓酸换热器的换热效率显著下降，在对换热列管进行物理清洗并将亚钠车间的蒸汽冷凝水来水断开以后，循环冷却水的电导率和硬度同步恢复至正常值。为此，硫酸车间制定以下措施降低浓酸换热器水侧的结垢速度：1）定期向浓酸换热器的循环冷却水中投加阻垢剂和除藻剂。每天投加 250 kg 阻垢剂，每周投加 500 kg 除藻剂，确保冷却水的电导率稳定在 900 S/cm 以下。2）制定循环水置换应急预案。在出现生产异常情况，如浓酸换热器泄漏导致循环水水质恶化（pH 6）时，可紧急启动循环水换水，先降低循环水池液位，再补充新鲜水，从而快速恢复水质，确保浓酸换热器正常运行。3）利用中修及时组织清理结垢。发现浓酸换热器换热效果下降时，在检修期间对换热列管水侧进行检查，及时进行物理清洗，以免结垢严重难以处理。4结语阳极保护管壳式浓酸换热器在大冶冶炼厂制酸系统三、四系列投用以来总体运行平稳，受阳极保护技术的工作原理特性、生产工艺操作水平、设备疲劳损耗等多方面的影响，阳极保护管壳式浓酸换热器在实践应用中也存在不容忽视的实际问题，阻碍其换热效果的优化提升。因此，从事硫酸生产的相关人员应从设备的实际需求出发，根据生产工艺指标及设备运行规律，对阳极保护管壳式浓酸换热器进行全方位的监测与维护，保障制酸系统长期稳定运行。参考文献：1 郑建国,田中峰,莫春萍,等.硫酸工业阳极保护技术的最新进展J.硫酸工业,2012(4):25-28.2 徐暾家,郑建国,陶永顺,等.阳极保护技术在硫酸工业中的应用J.硫酸工业,2001(5):35-37.詹传平等.冶炼烟气制酸阳极保护管壳式浓酸换热器应用实践