淺析如何對飽和蒸汽流量計進行局部的控制及優(yōu)化
點擊次數(shù)：3024 發(fā)布時間：2021-01-07 15:14:22
摘要：介紹了加拿大 CANSOLV 飽和蒸汽流量計的原理和技術特點。 以甘肅稀土焙燒尾氣深度處理項目為例，在原工藝控制基礎上，對飽和蒸汽流量計離子交換及堿液沖洗過程控制進行的局部優(yōu)化。 項目投產(chǎn)運行后，沒有出現(xiàn)胺液誤排現(xiàn)象，同時也節(jié)約了除鹽水的用量。
甘肅稀土新材料股份有限公司 204 車間稀土焙燒尾氣深度處理項目采用 CANSOLV 有機胺洗滌工藝脫硫。 CANSOLV SO2 洗滌工藝是可再生工藝，采用胺溶液作為二氧化硫吸收劑。 煙氣在吸收塔內與CANSOLV 貧胺液接觸，SO2 被選擇性地吸收。 然后， 含 SO2 的富胺液在一個稱之為“汽提”的過程中加熱，使吸收反應逆轉，從而解析出純凈的高濃度 SO2氣體。
胺液作為吸收劑在循環(huán)使用過程中會反應生成熱穩(wěn)定性鹽，這類鹽無法通過加熱去除。由于累積的熱穩(wěn)定性鹽會對系統(tǒng)造成損害，因此需要定期對胺液進行過濾和凈化，去除溶液中聚積的熱穩(wěn)定性鹽。
1 飽和蒸汽流量計的原理及控制
1.1 原理
飽和蒸汽流量計（APU）采用離子交換技術去除熱穩(wěn)定性鹽，其主要工作原理：陽離子交換樹脂選擇性地吸附胺液中的熱穩(wěn)定性鹽陰離子，在稀堿溶液中熱穩(wěn)定性鹽陰離子又能從樹脂上脫附，從而使樹脂得到再生。
1.2 過程控制
APU 的運行按照事先設定的程序運行，即嚴格遵循設定的步驟順序。 APU 的正確運行依賴于每個步驟的順利完成。 按照預先設定好的步驟完成 1 個任務即視為完成 1 個 APU 運行的“周期”。 離子交換的主周期被稱為“離子交換周期”。除此之外，整個控制程序還包含另外 5 個輔助周期， 分別為反沖洗周期、調節(jié)周期、胺液沖洗周期、水沖洗周期、回流液沖洗周期。 這 5 個周期在維護和非計劃停車后重新啟動時使用。 PLC 控制各個周期的說明見表 1。
流量參數(shù)是由 CANSOLV 工藝包給定的， 介質體積總量通過 離子交換柱 的體積以 及配管計算 得出，從而推算出每個周期運行所需要的時間。
1.3 各運行周期說明
APU 工藝流程見圖 1。
1） 離子交換周期。 離子交換周期通過電導率（AT01 和 AT02）、流量（FT01）參數(shù)以及定時器來控制每一步的體積和流量。整個周期重復運行，直至完成預先設定的每日離子交換周期運行次數(shù)。 運行次數(shù)通過每日抽樣檢測貧胺液中的 HSS 含量是否 到達 CANSOLV 工藝包要求來設定。 離子交換周期中包含如下 4 個步驟：（1）離子交換階段：*先，自貧胺液過濾泵來的貧胺液從下至上充入離子交換柱。 在樹脂內進行 HSS 脫除，經(jīng)處理后貧胺液輸送返回貧胺罐。 （2）胺液沖洗階段：步驟（1）完成后，除鹽水從上至下引入離子交換柱中， 沖洗掉殘留在樹脂床中的胺液。 離開離子交換柱的洗滌水因含有胺液，所以須輸送返回至貧胺罐中。 （3）樹脂再生階段：步驟（2）完成后，堿液自上向下引入離子交換柱，對飽和樹脂進行再生。 洗滌完離子交換柱的堿液作為廢水排至廢水處理系統(tǒng)。 （4）堿液沖洗階段：步驟（3）完成后，自上向下向離子交換柱充入除鹽水，沖洗掉殘留在樹脂床中的堿液。 至此，離子交換周期完畢。
2）反沖洗周期。 離子交換柱在正常運行期間持續(xù)出現(xiàn)高壓降時（PdT01 值高于設定值），手動啟動反沖洗周期，沖洗掉可能會堵塞離子交換柱的微粒。本周期中除鹽水自下向上流經(jīng)離子交換柱， 將微粒作為廢物沖洗到廢水處理工序。該周期應重復進行，直到樹脂床的壓力降（PdT01）回歸到正常范圍。
3）調節(jié)周期。樹脂* 1 次投入使用時，需對樹脂進行“激活”處理。 一般來說，為保持其穩(wěn)定性，新購樹脂通常結合了 1 個羥基。 為保證其活性和在陰離子交換柱中的使用，需先使用堿液對其進行“激活”。該周期所產(chǎn)生的廢液送至廢水處理系統(tǒng)。
4）胺液沖洗和水沖洗周期。 PLC 中的胺液沖洗周期和水沖洗周期， 主要用于 APU 發(fā)生非計劃停車事件時的重新啟動恢復程序。 發(fā)生非計劃停車事件時，如果離子交換柱中有胺液，使用胺液沖洗周期程序來回收殘留的胺液。 該周期將水引入離子交換柱，將胺液沖洗到貧胺罐。 如果離子交換柱中裝有水或堿液，應使用水沖洗周期程序將滯留的液體作為廢液沖洗至廢水處理系統(tǒng)。
5）回流沖洗周期。 胺液每天都需取樣化驗，如果發(fā)現(xiàn)胺液中有不溶或懸浮的過渡金屬聚集，則每天運行周期結束后需利用回流液對樹脂進行清洗，以防止腐蝕和樹脂損壞。 如果選擇了此選項，PLC程序會在每天完成目標數(shù)量的離子交換周期后，自動執(zhí)行回流液清洗周期。 各周期閥門對應開關情況，如表 2 所示。
圖 1 中的閥門 FV01 是用于調節(jié)流量的，與流量計 FT01 共同作用，確保管道介質按照要求的流速流動。 閥門 FV01 一直處于一定開度的狀態(tài)。
2 過程控制的局部優(yōu)化
整個 APU 都是通過 PLC 程序自動控制的。程序通過控制閥門的開關使不同的液體按順序進入離子交換柱，使離子交換柱中的液體按順序排出。
2.1 離子交換過程的控制優(yōu)化
正常的離子交換周期開始后，胺液經(jīng)閥門HV02、HV05 及 HV08 直接進入貧胺液罐。這會使得上個周期殘留在離子交換柱及管道中的液體（主要是除鹽水）進入貧胺罐內，會對胺液造成“污染”，過多的除鹽水進入胺液會增加整個系統(tǒng)的負擔。因此，胺液進入后需先將離子交換柱及管道中殘留液排入廢水。先打開閥門 HV02、HV05 及 HV07，由于胺液與除鹽水是不溶的，當胺液進入后，除鹽水會被“擠出”管道，排入廢水。 當殘留液排出后，關閉 HV07，打 開HV08。 此時，經(jīng)離子交換后的“干凈”胺液直接進入貧胺罐使用。整個過程都是自動運行。閥門 HV07 的關閉和閥門 HV08 的開啟是通過流量計來控制的。殘留在離子交換柱中的液體及管道中的液體總量 Q可以通過計算得出， 當流量計的累積值為 Q 時，認為殘留液已排完，此時關閉 HV07，打開 HV08。 該過程存在一個問題：假如流量計有故障時，累積量將無法達到設定值 Q。 閥門 HV07 將不會關閉， 閥門HV08 也不會打開。 價格昂貴的胺液將經(jīng)過閥門HV07 當作廢水直接排出，造成經(jīng)濟損失。 同時，由于程序是自動運行，操作工也不容易發(fā)現(xiàn)該問題。
通過在程序中設定一時間值 T=t +△t 可以預防流量計發(fā)生故障造成的胺液誤排。 每次排放廢水的時間 t 是一個定值（正常流量排完所需時間，可以計算得出），△t 的取值為 5~10 s，累積值與 T 進行運算。如果流量計正常運行，達到累積值所需時間為 t，程序正常運行。 當流量計有故障，累積值無法在 t 時間內達到設定值， 時間值達到 T 后自動關閉閥門HV07，打開閥門 HV08，這樣可以有效預防流量計故障造成的誤排。 同時，將流量計故障信號上傳至 PLC系統(tǒng)，可以幫助操作人員及時發(fā)現(xiàn)問題。
2.2 堿液沖洗過程的控制優(yōu)化
除鹽水自上向下向進入離子交換柱，沖洗掉殘留在樹脂床中的堿液，該過程的液體直接排入廢水。為了節(jié)約除鹽水的用量，工程實際操作如下：*先，開啟閥門 HV03、HV06 和 HV07。 將沖洗液（除鹽水及堿液）排至廢水。 剛開始時，沖洗液（除鹽水及堿液）經(jīng)過 AT02（電導率分析儀）是有讀數(shù)的；當堿液被沖洗干凈，只剩除鹽水經(jīng)過 AT02 時，讀數(shù)很小，趨近于零。可在程序中設定電導率值，當電導率低于該值時，程序自動關閉閥門 HV07，打開閥門 HV09，將干凈的除鹽水排至堿液制備槽繼續(xù)利用。
3 總結
本文闡述了 CANSOLV 有機胺洗滌工藝中飽和蒸汽流量計的過程控制，并在實際工程中對離子交換周期中的離子交換及堿液沖洗的過程控制進行了改進。 項目投產(chǎn)運行后，沒有出現(xiàn)胺液誤排現(xiàn)象，同時也節(jié)約了除鹽水的用量。
甘肅稀土新材料股份有限公司 204 車間稀土焙燒尾氣深度處理項目采用 CANSOLV 有機胺洗滌工藝脫硫。 CANSOLV SO2 洗滌工藝是可再生工藝，采用胺溶液作為二氧化硫吸收劑。 煙氣在吸收塔內與CANSOLV 貧胺液接觸，SO2 被選擇性地吸收。 然后， 含 SO2 的富胺液在一個稱之為“汽提”的過程中加熱，使吸收反應逆轉，從而解析出純凈的高濃度 SO2氣體。
胺液作為吸收劑在循環(huán)使用過程中會反應生成熱穩(wěn)定性鹽，這類鹽無法通過加熱去除。由于累積的熱穩(wěn)定性鹽會對系統(tǒng)造成損害，因此需要定期對胺液進行過濾和凈化，去除溶液中聚積的熱穩(wěn)定性鹽。
1 飽和蒸汽流量計的原理及控制
1.1 原理
飽和蒸汽流量計（APU）采用離子交換技術去除熱穩(wěn)定性鹽，其主要工作原理：陽離子交換樹脂選擇性地吸附胺液中的熱穩(wěn)定性鹽陰離子，在稀堿溶液中熱穩(wěn)定性鹽陰離子又能從樹脂上脫附，從而使樹脂得到再生。
1.2 過程控制
APU 的運行按照事先設定的程序運行，即嚴格遵循設定的步驟順序。 APU 的正確運行依賴于每個步驟的順利完成。 按照預先設定好的步驟完成 1 個任務即視為完成 1 個 APU 運行的“周期”。 離子交換的主周期被稱為“離子交換周期”。除此之外，整個控制程序還包含另外 5 個輔助周期， 分別為反沖洗周期、調節(jié)周期、胺液沖洗周期、水沖洗周期、回流液沖洗周期。 這 5 個周期在維護和非計劃停車后重新啟動時使用。 PLC 控制各個周期的說明見表 1。
流量參數(shù)是由 CANSOLV 工藝包給定的， 介質體積總量通過 離子交換柱 的體積以 及配管計算 得出，從而推算出每個周期運行所需要的時間。
1.3 各運行周期說明
APU 工藝流程見圖 1。
1） 離子交換周期。 離子交換周期通過電導率（AT01 和 AT02）、流量（FT01）參數(shù)以及定時器來控制每一步的體積和流量。整個周期重復運行，直至完成預先設定的每日離子交換周期運行次數(shù)。 運行次數(shù)通過每日抽樣檢測貧胺液中的 HSS 含量是否 到達 CANSOLV 工藝包要求來設定。 離子交換周期中包含如下 4 個步驟：（1）離子交換階段：*先，自貧胺液過濾泵來的貧胺液從下至上充入離子交換柱。 在樹脂內進行 HSS 脫除，經(jīng)處理后貧胺液輸送返回貧胺罐。 （2）胺液沖洗階段：步驟（1）完成后，除鹽水從上至下引入離子交換柱中， 沖洗掉殘留在樹脂床中的胺液。 離開離子交換柱的洗滌水因含有胺液，所以須輸送返回至貧胺罐中。 （3）樹脂再生階段：步驟（2）完成后，堿液自上向下引入離子交換柱，對飽和樹脂進行再生。 洗滌完離子交換柱的堿液作為廢水排至廢水處理系統(tǒng)。 （4）堿液沖洗階段：步驟（3）完成后，自上向下向離子交換柱充入除鹽水，沖洗掉殘留在樹脂床中的堿液。 至此，離子交換周期完畢。
2）反沖洗周期。 離子交換柱在正常運行期間持續(xù)出現(xiàn)高壓降時（PdT01 值高于設定值），手動啟動反沖洗周期，沖洗掉可能會堵塞離子交換柱的微粒。本周期中除鹽水自下向上流經(jīng)離子交換柱， 將微粒作為廢物沖洗到廢水處理工序。該周期應重復進行，直到樹脂床的壓力降（PdT01）回歸到正常范圍。
3）調節(jié)周期。樹脂* 1 次投入使用時，需對樹脂進行“激活”處理。 一般來說，為保持其穩(wěn)定性，新購樹脂通常結合了 1 個羥基。 為保證其活性和在陰離子交換柱中的使用，需先使用堿液對其進行“激活”。該周期所產(chǎn)生的廢液送至廢水處理系統(tǒng)。
4）胺液沖洗和水沖洗周期。 PLC 中的胺液沖洗周期和水沖洗周期， 主要用于 APU 發(fā)生非計劃停車事件時的重新啟動恢復程序。 發(fā)生非計劃停車事件時，如果離子交換柱中有胺液，使用胺液沖洗周期程序來回收殘留的胺液。 該周期將水引入離子交換柱，將胺液沖洗到貧胺罐。 如果離子交換柱中裝有水或堿液，應使用水沖洗周期程序將滯留的液體作為廢液沖洗至廢水處理系統(tǒng)。
5）回流沖洗周期。 胺液每天都需取樣化驗，如果發(fā)現(xiàn)胺液中有不溶或懸浮的過渡金屬聚集，則每天運行周期結束后需利用回流液對樹脂進行清洗，以防止腐蝕和樹脂損壞。 如果選擇了此選項，PLC程序會在每天完成目標數(shù)量的離子交換周期后，自動執(zhí)行回流液清洗周期。 各周期閥門對應開關情況，如表 2 所示。
圖 1 中的閥門 FV01 是用于調節(jié)流量的，與流量計 FT01 共同作用，確保管道介質按照要求的流速流動。 閥門 FV01 一直處于一定開度的狀態(tài)。
2 過程控制的局部優(yōu)化
整個 APU 都是通過 PLC 程序自動控制的。程序通過控制閥門的開關使不同的液體按順序進入離子交換柱，使離子交換柱中的液體按順序排出。
2.1 離子交換過程的控制優(yōu)化
正常的離子交換周期開始后，胺液經(jīng)閥門HV02、HV05 及 HV08 直接進入貧胺液罐。這會使得上個周期殘留在離子交換柱及管道中的液體（主要是除鹽水）進入貧胺罐內，會對胺液造成“污染”，過多的除鹽水進入胺液會增加整個系統(tǒng)的負擔。因此，胺液進入后需先將離子交換柱及管道中殘留液排入廢水。先打開閥門 HV02、HV05 及 HV07，由于胺液與除鹽水是不溶的，當胺液進入后，除鹽水會被“擠出”管道，排入廢水。 當殘留液排出后，關閉 HV07，打 開HV08。 此時，經(jīng)離子交換后的“干凈”胺液直接進入貧胺罐使用。整個過程都是自動運行。閥門 HV07 的關閉和閥門 HV08 的開啟是通過流量計來控制的。殘留在離子交換柱中的液體及管道中的液體總量 Q可以通過計算得出， 當流量計的累積值為 Q 時，認為殘留液已排完，此時關閉 HV07，打開 HV08。 該過程存在一個問題：假如流量計有故障時，累積量將無法達到設定值 Q。 閥門 HV07 將不會關閉， 閥門HV08 也不會打開。 價格昂貴的胺液將經(jīng)過閥門HV07 當作廢水直接排出，造成經(jīng)濟損失。 同時，由于程序是自動運行，操作工也不容易發(fā)現(xiàn)該問題。
通過在程序中設定一時間值 T=t +△t 可以預防流量計發(fā)生故障造成的胺液誤排。 每次排放廢水的時間 t 是一個定值（正常流量排完所需時間，可以計算得出），△t 的取值為 5~10 s，累積值與 T 進行運算。如果流量計正常運行，達到累積值所需時間為 t，程序正常運行。 當流量計有故障，累積值無法在 t 時間內達到設定值， 時間值達到 T 后自動關閉閥門HV07，打開閥門 HV08，這樣可以有效預防流量計故障造成的誤排。 同時，將流量計故障信號上傳至 PLC系統(tǒng)，可以幫助操作人員及時發(fā)現(xiàn)問題。
2.2 堿液沖洗過程的控制優(yōu)化
除鹽水自上向下向進入離子交換柱，沖洗掉殘留在樹脂床中的堿液，該過程的液體直接排入廢水。為了節(jié)約除鹽水的用量，工程實際操作如下：*先，開啟閥門 HV03、HV06 和 HV07。 將沖洗液（除鹽水及堿液）排至廢水。 剛開始時，沖洗液（除鹽水及堿液）經(jīng)過 AT02（電導率分析儀）是有讀數(shù)的；當堿液被沖洗干凈，只剩除鹽水經(jīng)過 AT02 時，讀數(shù)很小，趨近于零。可在程序中設定電導率值，當電導率低于該值時，程序自動關閉閥門 HV07，打開閥門 HV09，將干凈的除鹽水排至堿液制備槽繼續(xù)利用。
3 總結
本文闡述了 CANSOLV 有機胺洗滌工藝中飽和蒸汽流量計的過程控制，并在實際工程中對離子交換周期中的離子交換及堿液沖洗的過程控制進行了改進。 項目投產(chǎn)運行后，沒有出現(xiàn)胺液誤排現(xiàn)象，同時也節(jié)約了除鹽水的用量。