浅析如何对高温蒸汽流量计进行局部的控制及优化
点击次数：2239 发布时间：2021-01-07 15:17:09
摘要：介绍了加拿大 CANSOLV 高温蒸汽流量计的原理和技术特点。 以甘肃稀土焙烧尾气深度处理项目为例，在原工艺控制基础上，对高温蒸汽流量计离子交换及碱液冲洗过程控制进行的局部优化。 项目投产运行后，没有出现胺液误排现象，同时也节约了除盐水的用量。
甘肃稀土新材料股份有限公司 204 车间稀土焙烧尾气深度处理项目采用 CANSOLV 有机胺洗涤工艺脱硫。 CANSOLV SO2 洗涤工艺是可再生工艺，采用胺溶液作为二氧化硫吸收剂。 烟气在吸收塔内与CANSOLV 贫胺液接触，SO2 被选择性地吸收。 然后， 含 SO2 的富胺液在一个称之为“汽提”的过程中加热，使吸收反应逆转，从而解析出纯净的高浓度 SO2气体。
胺液作为吸收剂在循环使用过程中会反应生成热稳定性盐，这类盐无法通过加热去除。由于累积的热稳定性盐会对系统造成损害，因此需要定期对胺液进行过滤和净化，去除溶液中聚积的热稳定性盐。
1 高温蒸汽流量计的原理及控制
1.1 原理
高温蒸汽流量计（APU）采用离子交换技术去除热稳定性盐，其主要工作原理：阳离子交换树脂选择性地吸附胺液中的热稳定性盐阴离子，在稀碱溶液中热稳定性盐阴离子又能从树脂上脱附，从而使树脂得到再生。
1.2 过程控制
APU 的运行按照事先设定的程序运行，即严格遵循设定的步骤顺序。 APU 的正确运行依赖于每个步骤的顺利完成。 按照预先设定好的步骤完成 1 个任务即视为完成 1 个 APU 运行的“周期”。 离子交换的主周期被称为“离子交换周期”。除此之外，整个控制程序还包含另外 5 个辅助周期， 分别为反冲洗周期、调节周期、胺液冲洗周期、水冲洗周期、回流液冲洗周期。 这 5 个周期在维护和非计划停车后重新启动时使用。 PLC 控制各个周期的说明见表 1。
流量参数是由 CANSOLV 工艺包给定的， 介质体积总量通过 离子交换柱 的体积以 及配管计算 得出，从而推算出每个周期运行所需要的时间。
1.3 各运行周期说明
APU 工艺流程见图 1。
1） 离子交换周期。 离子交换周期通过电导率（AT01 和 AT02）、流量（FT01）参数以及定时器来控制每一步的体积和流量。整个周期重复运行，直至完成预先设定的每日离子交换周期运行次数。 运行次数通过每日抽样检测贫胺液中的 HSS 含量是否 到达 CANSOLV 工艺包要求来设定。 离子交换周期中包含如下 4 个步骤：（1）离子交换阶段：*先，自贫胺液过滤泵来的贫胺液从下至上充入离子交换柱。 在树脂内进行 HSS 脱除，经处理后贫胺液输送返回贫胺罐。 （2）胺液冲洗阶段：步骤（1）完成后，除盐水从上至下引入离子交换柱中， 冲洗掉残留在树脂床中的胺液。 离开离子交换柱的洗涤水因含有胺液，所以须输送返回至贫胺罐中。 （3）树脂再生阶段：步骤（2）完成后，碱液自上向下引入离子交换柱，对饱和树脂进行再生。 洗涤完离子交换柱的碱液作为废水排至废水处理系统。 （4）碱液冲洗阶段：步骤（3）完成后，自上向下向离子交换柱充入除盐水，冲洗掉残留在树脂床中的碱液。 至此，离子交换周期完毕。
2）反冲洗周期。 离子交换柱在正常运行期间持续出现高压降时（PdT01 值高于设定值），手动启动反冲洗周期，冲洗掉可能会堵塞离子交换柱的微粒。本周期中除盐水自下向上流经离子交换柱， 将微粒作为废物冲洗到废水处理工序。该周期应重复进行，直到树脂床的压力降（PdT01）回归到正常范围。
3）调节周期。树脂* 1 次投入使用时，需对树脂进行“激活”处理。 一般来说，为保持其稳定性，新购树脂通常结合了 1 个羟基。 为保证其活性和在阴离子交换柱中的使用，需先使用碱液对其进行“激活”。该周期所产生的废液送至废水处理系统。
4）胺液冲洗和水冲洗周期。 PLC 中的胺液冲洗周期和水冲洗周期， 主要用于 APU 发生非计划停车事件时的重新启动恢复程序。 发生非计划停车事件时，如果离子交换柱中有胺液，使用胺液冲洗周期程序来回收残留的胺液。 该周期将水引入离子交换柱，将胺液冲洗到贫胺罐。 如果离子交换柱中装有水或碱液，应使用水冲洗周期程序将滞留的液体作为废液冲洗至废水处理系统。
5）回流冲洗周期。 胺液每天都需取样化验，如果发现胺液中有不溶或悬浮的过渡金属聚集，则每天运行周期结束后需利用回流液对树脂进行清洗，以防止腐蚀和树脂损坏。 如果选择了此选项，PLC程序会在每天完成目标数量的离子交换周期后，自动执行回流液清洗周期。 各周期阀门对应开关情况，如表 2 所示。
图 1 中的阀门 FV01 是用于调节流量的，与流量计 FT01 共同作用，确保管道介质按照要求的流速流动。 阀门 FV01 一直处于一定开度的状态。
2 过程控制的局部优化
整个 APU 都是通过 PLC 程序自动控制的。程序通过控制阀门的开关使不同的液体按顺序进入离子交换柱，使离子交换柱中的液体按顺序排出。
2.1 离子交换过程的控制优化
正常的离子交换周期开始后，胺液经阀门HV02、HV05 及 HV08 直接进入贫胺液罐。这会使得上个周期残留在离子交换柱及管道中的液体（主要是除盐水）进入贫胺罐内，会对胺液造成“污染”，过多的除盐水进入胺液会增加整个系统的负担。因此，胺液进入后需先将离子交换柱及管道中残留液排入废水。先打开阀门 HV02、HV05 及 HV07，由于胺液与除盐水是不溶的，当胺液进入后，除盐水会被“挤出”管道，排入废水。 当残留液排出后，关闭 HV07，打 开HV08。 此时，经离子交换后的“干净”胺液直接进入贫胺罐使用。整个过程都是自动运行。阀门 HV07 的关闭和阀门 HV08 的开启是通过流量计来控制的。残留在离子交换柱中的液体及管道中的液体总量 Q可以通过计算得出， 当流量计的累积值为 Q 时，认为残留液已排完，此时关闭 HV07，打开 HV08。 该过程存在一个问题：假如流量计有故障时，累积量将无法达到设定值 Q。 阀门 HV07 将不会关闭， 阀门HV08 也不会打开。 价格昂贵的胺液将经过阀门HV07 当作废水直接排出，造成经济损失。 同时，由于程序是自动运行，操作工也不容易发现该问题。
通过在程序中设定一时间值 T=t +△t 可以预防流量计发生故障造成的胺液误排。 每次排放废水的时间 t 是一个定值（正常流量排完所需时间，可以计算得出），△t 的取值为 5~10 s，累积值与 T 进行运算。如果流量计正常运行，达到累积值所需时间为 t，程序正常运行。 当流量计有故障，累积值无法在 t 时间内达到设定值， 时间值达到 T 后自动关闭阀门HV07，打开阀门 HV08，这样可以有效预防流量计故障造成的误排。 同时，将流量计故障信号上传至 PLC系统，可以帮助操作人员及时发现问题。
2.2 碱液冲洗过程的控制优化
除盐水自上向下向进入离子交换柱，冲洗掉残留在树脂床中的碱液，该过程的液体直接排入废水。为了节约除盐水的用量，工程实际操作如下：*先，开启阀门 HV03、HV06 和 HV07。 将冲洗液（除盐水及碱液）排至废水。 刚开始时，冲洗液（除盐水及碱液）经过 AT02（电导率分析仪）是有读数的；当碱液被冲洗干净，只剩除盐水经过 AT02 时，读数很小，趋近于零。可在程序中设定电导率值，当电导率低于该值时，程序自动关闭阀门 HV07，打开阀门 HV09，将干净的除盐水排至碱液制备槽继续利用。
3 总结
本文阐述了 CANSOLV 有机胺洗涤工艺中高温蒸汽流量计的过程控制，并在实际工程中对离子交换周期中的离子交换及碱液冲洗的过程控制进行了改进。 项目投产运行后，没有出现胺液误排现象，同时也节约了除盐水的用量。
甘肃稀土新材料股份有限公司 204 车间稀土焙烧尾气深度处理项目采用 CANSOLV 有机胺洗涤工艺脱硫。 CANSOLV SO2 洗涤工艺是可再生工艺，采用胺溶液作为二氧化硫吸收剂。 烟气在吸收塔内与CANSOLV 贫胺液接触，SO2 被选择性地吸收。 然后， 含 SO2 的富胺液在一个称之为“汽提”的过程中加热，使吸收反应逆转，从而解析出纯净的高浓度 SO2气体。
胺液作为吸收剂在循环使用过程中会反应生成热稳定性盐，这类盐无法通过加热去除。由于累积的热稳定性盐会对系统造成损害，因此需要定期对胺液进行过滤和净化，去除溶液中聚积的热稳定性盐。
1 高温蒸汽流量计的原理及控制
1.1 原理
高温蒸汽流量计（APU）采用离子交换技术去除热稳定性盐，其主要工作原理：阳离子交换树脂选择性地吸附胺液中的热稳定性盐阴离子，在稀碱溶液中热稳定性盐阴离子又能从树脂上脱附，从而使树脂得到再生。
1.2 过程控制
APU 的运行按照事先设定的程序运行，即严格遵循设定的步骤顺序。 APU 的正确运行依赖于每个步骤的顺利完成。 按照预先设定好的步骤完成 1 个任务即视为完成 1 个 APU 运行的“周期”。 离子交换的主周期被称为“离子交换周期”。除此之外，整个控制程序还包含另外 5 个辅助周期， 分别为反冲洗周期、调节周期、胺液冲洗周期、水冲洗周期、回流液冲洗周期。 这 5 个周期在维护和非计划停车后重新启动时使用。 PLC 控制各个周期的说明见表 1。
流量参数是由 CANSOLV 工艺包给定的， 介质体积总量通过 离子交换柱 的体积以 及配管计算 得出，从而推算出每个周期运行所需要的时间。
1.3 各运行周期说明
APU 工艺流程见图 1。
1） 离子交换周期。 离子交换周期通过电导率（AT01 和 AT02）、流量（FT01）参数以及定时器来控制每一步的体积和流量。整个周期重复运行，直至完成预先设定的每日离子交换周期运行次数。 运行次数通过每日抽样检测贫胺液中的 HSS 含量是否 到达 CANSOLV 工艺包要求来设定。 离子交换周期中包含如下 4 个步骤：（1）离子交换阶段：*先，自贫胺液过滤泵来的贫胺液从下至上充入离子交换柱。 在树脂内进行 HSS 脱除，经处理后贫胺液输送返回贫胺罐。 （2）胺液冲洗阶段：步骤（1）完成后，除盐水从上至下引入离子交换柱中， 冲洗掉残留在树脂床中的胺液。 离开离子交换柱的洗涤水因含有胺液，所以须输送返回至贫胺罐中。 （3）树脂再生阶段：步骤（2）完成后，碱液自上向下引入离子交换柱，对饱和树脂进行再生。 洗涤完离子交换柱的碱液作为废水排至废水处理系统。 （4）碱液冲洗阶段：步骤（3）完成后，自上向下向离子交换柱充入除盐水，冲洗掉残留在树脂床中的碱液。 至此，离子交换周期完毕。
2）反冲洗周期。 离子交换柱在正常运行期间持续出现高压降时（PdT01 值高于设定值），手动启动反冲洗周期，冲洗掉可能会堵塞离子交换柱的微粒。本周期中除盐水自下向上流经离子交换柱， 将微粒作为废物冲洗到废水处理工序。该周期应重复进行，直到树脂床的压力降（PdT01）回归到正常范围。
3）调节周期。树脂* 1 次投入使用时，需对树脂进行“激活”处理。 一般来说，为保持其稳定性，新购树脂通常结合了 1 个羟基。 为保证其活性和在阴离子交换柱中的使用，需先使用碱液对其进行“激活”。该周期所产生的废液送至废水处理系统。
4）胺液冲洗和水冲洗周期。 PLC 中的胺液冲洗周期和水冲洗周期， 主要用于 APU 发生非计划停车事件时的重新启动恢复程序。 发生非计划停车事件时，如果离子交换柱中有胺液，使用胺液冲洗周期程序来回收残留的胺液。 该周期将水引入离子交换柱，将胺液冲洗到贫胺罐。 如果离子交换柱中装有水或碱液，应使用水冲洗周期程序将滞留的液体作为废液冲洗至废水处理系统。
5）回流冲洗周期。 胺液每天都需取样化验，如果发现胺液中有不溶或悬浮的过渡金属聚集，则每天运行周期结束后需利用回流液对树脂进行清洗，以防止腐蚀和树脂损坏。 如果选择了此选项，PLC程序会在每天完成目标数量的离子交换周期后，自动执行回流液清洗周期。 各周期阀门对应开关情况，如表 2 所示。
图 1 中的阀门 FV01 是用于调节流量的，与流量计 FT01 共同作用，确保管道介质按照要求的流速流动。 阀门 FV01 一直处于一定开度的状态。
2 过程控制的局部优化
整个 APU 都是通过 PLC 程序自动控制的。程序通过控制阀门的开关使不同的液体按顺序进入离子交换柱，使离子交换柱中的液体按顺序排出。
2.1 离子交换过程的控制优化
正常的离子交换周期开始后，胺液经阀门HV02、HV05 及 HV08 直接进入贫胺液罐。这会使得上个周期残留在离子交换柱及管道中的液体（主要是除盐水）进入贫胺罐内，会对胺液造成“污染”，过多的除盐水进入胺液会增加整个系统的负担。因此，胺液进入后需先将离子交换柱及管道中残留液排入废水。先打开阀门 HV02、HV05 及 HV07，由于胺液与除盐水是不溶的，当胺液进入后，除盐水会被“挤出”管道，排入废水。 当残留液排出后，关闭 HV07，打 开HV08。 此时，经离子交换后的“干净”胺液直接进入贫胺罐使用。整个过程都是自动运行。阀门 HV07 的关闭和阀门 HV08 的开启是通过流量计来控制的。残留在离子交换柱中的液体及管道中的液体总量 Q可以通过计算得出， 当流量计的累积值为 Q 时，认为残留液已排完，此时关闭 HV07，打开 HV08。 该过程存在一个问题：假如流量计有故障时，累积量将无法达到设定值 Q。 阀门 HV07 将不会关闭， 阀门HV08 也不会打开。 价格昂贵的胺液将经过阀门HV07 当作废水直接排出，造成经济损失。 同时，由于程序是自动运行，操作工也不容易发现该问题。
通过在程序中设定一时间值 T=t +△t 可以预防流量计发生故障造成的胺液误排。 每次排放废水的时间 t 是一个定值（正常流量排完所需时间，可以计算得出），△t 的取值为 5~10 s，累积值与 T 进行运算。如果流量计正常运行，达到累积值所需时间为 t，程序正常运行。 当流量计有故障，累积值无法在 t 时间内达到设定值， 时间值达到 T 后自动关闭阀门HV07，打开阀门 HV08，这样可以有效预防流量计故障造成的误排。 同时，将流量计故障信号上传至 PLC系统，可以帮助操作人员及时发现问题。
2.2 碱液冲洗过程的控制优化
除盐水自上向下向进入离子交换柱，冲洗掉残留在树脂床中的碱液，该过程的液体直接排入废水。为了节约除盐水的用量，工程实际操作如下：*先，开启阀门 HV03、HV06 和 HV07。 将冲洗液（除盐水及碱液）排至废水。 刚开始时，冲洗液（除盐水及碱液）经过 AT02（电导率分析仪）是有读数的；当碱液被冲洗干净，只剩除盐水经过 AT02 时，读数很小，趋近于零。可在程序中设定电导率值，当电导率低于该值时，程序自动关闭阀门 HV07，打开阀门 HV09，将干净的除盐水排至碱液制备槽继续利用。
3 总结
本文阐述了 CANSOLV 有机胺洗涤工艺中高温蒸汽流量计的过程控制，并在实际工程中对离子交换周期中的离子交换及碱液冲洗的过程控制进行了改进。 项目投产运行后，没有出现胺液误排现象，同时也节约了除盐水的用量。