摘要:有機(jī)胺法脫硫工藝在脫硫過程中會產(chǎn)生腐蝕性較強(qiáng)的硫酸酸霧,本文介紹了在不同溫度和酸堿環(huán)境下耐腐蝕性良好的4種常用非金屬材料,通過比較4種常用金屬在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度條件的硫酸介質(zhì)中腐蝕情況,研究在該條件下影響金屬腐蝕的關(guān)鍵因素,同時(shí)介紹了儀表的選型要求和注意事項(xiàng)。通過選擇合適的儀表材料既實(shí)現(xiàn)了防腐的目的,又保障了裝置的長期穩(wěn)定運(yùn)行和操作維護(hù)人員的人身安全。jSS壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器
隨著中國對大氣排放指標(biāo)的要求愈加嚴(yán)格,硫回收尾氣處理工藝的選擇也越來越難。有機(jī)胺法是目前常用的尾氣處理工藝,能將排放尾氣中
ρSO2降低到100mg/m3以下。但部分有機(jī)胺法脫硫工藝在脫硫過程中會產(chǎn)生以酸霧形式存在的硫酸,pH值很低,腐蝕性較強(qiáng),對裝置內(nèi)的設(shè)備及儀表材質(zhì)的選擇是很大的挑戰(zhàn)。
本文結(jié)合某項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和投產(chǎn)實(shí)踐,對有機(jī)胺法脫硫等稀硫酸工藝裝置中關(guān)鍵儀表的選型進(jìn)行了論述,供廣大設(shè)計(jì)人員參考與探討。
1 工藝流程特點(diǎn)
含硫尾氣先經(jīng)過焚燒爐過氧焚燒,使尾氣中的H2S全部轉(zhuǎn)化為SO2和SO3;再經(jīng)過急冷塔、過冷塔,將尾氣中大部分的SO2和SO3吸附到溶劑中;然后經(jīng)過電除霧器將煙氣中的酸霧脫除,再進(jìn)入SO2吸收塔將尾氣中殘留的SO2吸附;#后經(jīng)過尾氣加熱器排出煙囪。有機(jī)胺法脫硫工藝流程如圖1所示。
該工藝過程中,尾氣中大量的SO2和SO3被吸附到急冷水中形成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%以下的H2SO3和H2SO4混合溶液,溫度在70℃左右,有較強(qiáng)的腐蝕性。另外,含硫尾氣來自煉廠中的各工藝裝置,成分比較復(fù)雜,可能還含有少量氮氧化物,因而急冷水中可能也溶解有少量的HNO3。急冷后的含硫尾氣中也因水蒸氣的存在形成了一定濃度的酸霧,有較強(qiáng)腐蝕性。在急冷塔頂出口及過冷塔頂出口至電除霧器的管線及設(shè)備內(nèi)的煙氣中均有酸霧存在。因此,上述這些部位的儀表必須滿足相應(yīng)的耐腐蝕性要求。
2 硫酸腐蝕性及耐蝕材料簡介
不同溫度和濃度的硫酸,其腐蝕機(jī)理差異較大。ωH2SO4為65%以下的硫酸在任何溫度下都是還原性,主要引起電化學(xué)腐蝕;ωH2SO4在65%~85%的硫酸低溫下為還原性,高溫或沸點(diǎn)下為氧化性,主要引起電化學(xué)腐蝕,也有部分氧化性腐蝕;ωH2SO4在85%~100%的硫酸及發(fā)煙硫酸在所有溫度下都呈氧化性,主要引起氧化性腐蝕。濃硫酸有很強(qiáng)的脫水性和強(qiáng)氧化性,會與生物組織中的碳水化合物發(fā)生脫水反應(yīng)并釋放出大量熱,所以硫酸,特別是高濃度的硫酸,一旦泄漏會對人員造成極大傷害。
根據(jù)硫酸的具體特性,儀表設(shè)備可對應(yīng)選擇非金屬和金屬材料,以滿足耐腐蝕要求。
1)大多數(shù)非金屬材料都具有良好的耐稀硫酸腐蝕性,其中比較常用于儀表的非金屬材料主要有聚四氟乙烯(PTFE/F4)、聚氯乙烯(PVC)、聚全氟乙丙烯(FEP/F46)、玻璃鋼等。
a)PTFE熱穩(wěn)定性極好,在-200~240℃下均能穩(wěn)定使用。
b)PTFE還有較好的化學(xué)穩(wěn)定性,耐腐蝕性較強(qiáng),可耐各種濃度硫酸、鹽酸、硝酸、氫氟酸等。
c)PVC實(shí)際使用溫度為-10~50℃,有較好的化學(xué)穩(wěn)定性,在50℃以下除強(qiáng)氧化性酸外,能耐大部分酸、堿、鹽的腐蝕。
d)FEP耐低溫性能好,耐高溫性略低于PTFE,應(yīng)用溫度為-260~200℃。耐腐蝕性與PTFE相似,有較好的化學(xué)穩(wěn)定性,能耐大部分的酸、堿、鹽的腐蝕。
e)玻璃鋼質(zhì)量輕、強(qiáng)度高,有較好的耐腐蝕性,可耐大部分酸、堿、鹽腐蝕,且玻璃鋼有優(yōu)良的絕緣性及可塑性,一般常用于制作保溫箱、電纜槽盒等。
2)常用于硫酸介質(zhì)的金屬材料主要有Monel合金、哈式B合金、哈式C合金、鉛、鉭等。
a)Monel與哈式合金均為高鎳合金。Monel合金對一定溫度與濃度的堿溶液及中等溫度的稀鹽酸、稀硫酸、磷酸是耐腐蝕的,尤其耐氫氟酸腐蝕性較好。但Monel合金在濃硫酸、硝酸等強(qiáng)氧化性酸及氧化性鹽中是不耐腐蝕的,Monel合金在不同ωH2SO4中的年腐蝕情況曲線如圖2所示。
b)哈式合金在非氧化性無機(jī)酸和有機(jī)酸中有很高的耐腐蝕性。哈式C合金在各種濃度的冷硝酸中有較高穩(wěn)定性,并可耐質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%的沸騰硝酸腐蝕,哈式C合金在不同ωH2SO4中的年腐蝕曲線如圖3所示,哈式B合金在熱濃鹽酸中有很高的耐蝕性,哈式B合金在不同ωH2SO4中年腐蝕情況如圖4所示。
c)鉛合金硬度比較高,在含硫化物大氣中比鎳合金更耐腐蝕。鉛合金在稀硫酸中極耐腐蝕,但不耐濃硫酸腐蝕。
d)鉭合金有極高的耐腐蝕性。鉭合金除不耐熱濃硫酸、發(fā)煙硫酸、磷酸等腐蝕外,能耐大部分酸腐蝕,鉭合金在不同ωH2SO4中的年腐蝕情況如圖5所示。硫酸對金屬材料的腐蝕性和諸多因素有關(guān)。從圖2~圖5中可以看出,硫酸的濃度和溫度對材質(zhì)的腐蝕速率影響很大,是材質(zhì)選擇中的關(guān)鍵因素。不同濃度的硫酸對金屬的電化學(xué)腐蝕程度差別較大,溫度對腐蝕速率影響也較大。一般來說溫度越高,腐蝕反應(yīng)的速度也會越快。
3)pH值不但會影響材料的腐蝕速率,而且對金屬表面膜或腐蝕產(chǎn)物的溶解度也有重要影響。介質(zhì)中其他腐蝕成分的含量同樣會影響金屬材料的腐蝕速率。例如工藝介質(zhì)中是否含有NO-3,對能否選擇Monel材質(zhì)的儀表有很大影響。另外,介質(zhì)的流動(dòng)速度也會影響金屬材料的腐蝕速率。
3 儀表選型注意事項(xiàng)
用于硫酸工藝參數(shù)測量的儀表選擇材質(zhì)時(shí),要綜合考慮材質(zhì)的耐蝕性、價(jià)格以及儀表測量原理要求等因素。
1)溫度儀表選型。溫度儀表的保護(hù)套管直接接觸腐蝕性介質(zhì),一般可選用非金屬材質(zhì)隔離或直接選用耐酸腐蝕的金屬材質(zhì)。金屬材質(zhì)套管傳熱快,溫度反饋較靈敏,但耐腐蝕性較非金屬材質(zhì)差一些。
若采用非金屬材質(zhì)隔離方案,套管材質(zhì)可選用普通304不銹鋼熱熔噴涂PTFE,也可用304不銹鋼直接加裝PTFE護(hù)套。使用PTFE熱噴涂的優(yōu)點(diǎn)是充分耐酸腐蝕;并且不易脫落,缺點(diǎn)是需要專業(yè)噴涂設(shè)備,成本較高。做PTFE護(hù)套優(yōu)點(diǎn)是成本較低,并能充分耐腐蝕;缺點(diǎn)是容易脫落,且對精度有一定影響。套管也可選用耐酸腐蝕的金屬材質(zhì)。經(jīng)查閱圖2~圖4,在70℃、ωH2SO4為10%的溶液中Monel合金的腐蝕速率約為0.3mm/a,哈式B合金約為0.1mm/a,哈式C合金約為0.05mm/a。由于介質(zhì)中存在的少量HNO3會對Monel合金產(chǎn)生較大腐蝕,綜合經(jīng)濟(jì)等因素考慮,套管材質(zhì)tuijian選用哈式C合金。考慮到管線中介質(zhì)的流動(dòng)沖刷、管線振動(dòng)等因素會加劇腐蝕速率,建議套管厚度不小于8mm。
常用的變送器膜片材質(zhì)為316L不銹鋼,對硝酸、冷磷酸及其他無機(jī)酸、海水、濕空氣及堿液有較高的耐腐蝕性,但在硫酸、鹽酸、氫氟酸等介質(zhì)中的化學(xué)穩(wěn)定性較差。如果用于本文所述工況,膜片材質(zhì)可選擇耐酸腐蝕的金屬材料,或選擇316L噴涂非金屬材質(zhì)。
可用于耐酸腐蝕的金屬膜片有哈式C276合金、Monel400合金、鉭合金等材質(zhì)。因膜片過厚會對壓力傳導(dǎo)產(chǎn)生較大影響,目前國內(nèi)外主流生產(chǎn)廠家膜片厚度約0.06~0.1mm。經(jīng)查閱圖2~圖5,在70℃、ωH2SO4為10%的溶液中Monel合金的腐蝕速率約為0.3mm/a,哈式C合金約為0.05mm/a。所以如果用作膜片材質(zhì),Monel合金使用壽命均不足1a,哈式C合金使用壽命在1a左右。
鉭合金穩(wěn)定性高,在該工況下腐蝕速率小于0.01mm/a,使用壽命可達(dá)到3a以上。目前工藝裝置檢修周期一般為3a左右,因此膜片材質(zhì)選擇鉭合金較好。
選擇316L膜片噴涂非金屬材質(zhì)時(shí),一般采用PTFE,可熔性聚四氟乙烯(PFA)熱熔后噴涂,這對生產(chǎn)廠家的工藝設(shè)備要求比較高。這種方式下,膜片使用壽命較長,價(jià)格同鉭膜片相近,但廠家加工水平對精度有一定影響。還有一種陶瓷包覆膜片耐腐蝕性優(yōu)良,但其對供應(yīng)商的加工水平要求較高,價(jià)格也較為昂貴,其價(jià)格為鉭膜片3倍左右。綜合經(jīng)濟(jì)因素,不建議膜片采用該種材質(zhì)。
在用于硫酸工況測量時(shí),隔膜壓力表及
單法蘭壓力變送器宜配帶沖洗環(huán),用于在儀表維護(hù)時(shí)泄壓,避免拆卸過程中介質(zhì)噴濺造成人員傷害。
3)流量儀表選型?紤]到介質(zhì)的強(qiáng)腐蝕性,測量流量時(shí)一般選用
電磁流量計(jì)。電磁流量計(jì)襯里宜選擇PFA,PTFE等材質(zhì)。電極材質(zhì)可選哈式C合金、鉭合金等。因工藝管道一般選用帶內(nèi)襯的金屬管道,為保證電磁流量計(jì)可靠接地,必須配帶接地環(huán),接地環(huán)宜與電極選擇同種材質(zhì)。
4)液位儀表選型。就地液位測量宜選用玻璃板液位計(jì),玻璃板宜選用透光式,接液金屬部件內(nèi)襯或噴涂PTFE,避免介質(zhì)腐蝕。當(dāng)遠(yuǎn)傳液位儀表選用浮筒液位變送器時(shí),宜選用非金屬浮子,筒體內(nèi)襯PTFE。如選用
雙法蘭液位變送器,其膜片材質(zhì)選擇與前述單法蘭壓力變送器相同。液位計(jì)宜設(shè)計(jì)密閉排放措施,防止排出的廢液對人員造成傷害,對平臺、結(jié)構(gòu)造成腐蝕。由于急冷塔及過冷塔塔頂均有液體噴淋,塔壁會有壁流,影響
音叉開關(guān)等插入到塔內(nèi)部儀表的測量,應(yīng)在每個(gè)液位計(jì)管嘴上方設(shè)置防沖擋板,避免壁流引起的測量波動(dòng)。
5)閥門選型。該工況下的控制閥如果整體采用耐酸金屬材質(zhì),價(jià)格將十分昂貴,因而一般選擇襯塑閥,也可選擇隔膜閥。調(diào)節(jié)閥一般選用襯塑波紋管密封調(diào)節(jié)閥,碳鋼材質(zhì),閥體、閥內(nèi)件等內(nèi)襯或包覆PTFE和FEP等耐酸材質(zhì),避免碳鋼材質(zhì)接液。而閥桿處使用波紋管密封,可有效防止介質(zhì)從閥桿處外漏。尾氣主管口徑大、壓差低,宜選用襯塑蝶閥,閥座一般選擇PTFE材質(zhì),閥板及閥桿接液部件則包覆PTFE或FEP。切斷閥一般選用襯塑球閥,閥體及閥芯接液部件內(nèi)襯或包覆PTFE和FEP,防止腐蝕。
4 其他注意事項(xiàng)
儀表的及時(shí)維護(hù)也有助于改善儀表的腐蝕情況。例如停工檢修期間,應(yīng)使用氮?dú)饧皶r(shí)將儀表導(dǎo)壓管、膜片等接液部位的介質(zhì)吹掃干凈,避免腐蝕性介質(zhì)在這些部位殘留,接觸氧氣后加速儀表腐蝕。
5 結(jié)束語
儀表材料的防腐選擇一直是儀表設(shè)計(jì)過程中非常重要的環(huán)節(jié)。儀表的防腐問題不僅影響到裝置的長期穩(wěn)定運(yùn)行,更對操作維護(hù)人員的人身安全至關(guān)重要。筆者認(rèn)為自控設(shè)計(jì)人員應(yīng)多方查閱資料,針對具體工況綜合分析,選擇經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠的方案,保障裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行,為企業(yè)贏得更大的效益。
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