锌冶炼烟气制酸系统管道的防腐蚀设计

程文军，李立建，许 斌，卫立楷

（河南豫光锌业有限公司，河南 济源 459000）

“TRIZ”是俄文的缩写，意思是“发明问题解决理论”，某有色冶炼公司聘请“创新方法研究会”的专家对公司的技术骨干进行了“TRIZ”培训，在培训期间结合生产实际征集工程课题，学员学以致用，根据所学的TRIZ原理，针对实际生产过程中的技术难题进行了课题研究，并在专家的指导下完善了工程课题的分析与解决方案。其中，针对制酸烟气管道腐蚀的工程课题较好地运用了“TRIZ”的技术矛盾解决原理，得出了较为理想的防腐蚀管道设计方案。

1 制酸烟气管道防腐蚀设计的课题背景

在冶炼烟气制酸过程中，制酸烟气管道在某些局部经常出现酸沫沉积腐蚀漏烟现象，因为漏出的烟气为SO2烟气，不仅影响生产而且造成环境污染，一旦发生漏烟必须立即停车检修，且因为腐蚀点的管壁变薄，致使漏洞焊接作业困难。在硫酸生产过程中，二氧化硫+三氧化硫混合烟气的吸收与输送流程见图1。

图1 烟气吸收与输送流程

如图1所示，二氧化硫+三氧化硫烟气由下往上走，98.3%的浓硫酸往下喷淋，在填料层吸收烟气中的三氧化硫，在吸收过程中会产生酸沫。吸收塔内填料层上部虽然有丝网除沫器，但除沫不完全，还是有少部分酸沫经烟气带入烟气出口管道，因此在吸收塔的烟气出口管道处经常有酸沫沉积，造成腐蚀漏烟。因为管道的材质为碳钢，一般每2～3个月在腐蚀点会出现漏烟需要进行项修。修补过程是切割一块钢板在腐蚀点进行补焊，因为是酸腐蚀，较难焊接，需要系统停车12个小时以上时间，严重影响硫酸制造系统的正常生产。

2 基于TRIZ的问题分析

2.1 针对问题的5why分析

表1 问题分析

2.2 理想解

①最终理想解。烟气中不存在酸沫，因此管道不沉积酸沫。②次理想解。烟气中存在少量酸沫，因此管道沉积酸沫少，腐蚀较慢，平时不漏烟，仅利用每年必须进行的一次大修时间来修补管道腐蚀。

3 应用TRIZ的矛盾解决理论

3.1 定义技术矛盾

①问题是什么？靠近吸收塔的烟气输送管道底部出现酸沫沉积腐蚀管道需要停车补焊。②现有的解决方案是什么？当腐蚀点出现漏烟现象时，切割一块钢板进行补焊，增加管道的耐腐蚀的强度。③现有的解决方案的缺点是什么？出现漏烟现象时，必须立即停车补焊，因为是酸腐蚀，较难焊接，需要系统停车12个小时以上时间，严重影响硫酸系统的正常生产，降低生产率。④找出技术矛盾。从以上分析可以看出，现有解决方案改善的参数---“强度”，恶化的参数---“生产率”，“强度”和“生产率”构成一对技术矛盾。

3.2 矛盾矩阵和发明原理

查找阿奇舒勒矛盾矩阵，得到发明原理（包含序号）如下。

（1）29气压和液压结构原理：将物体的固体部分，用气体或流体代替，如充气结构、充液结构、气垫、液体等[1]。

（2）35物理或化学参数改变原理：①改变物态；②改变浓度或密度；③改变柔度；④改变温度。

（3）10预先作用原理：①预先对物体施加必要的改变；②预先安置物体，使其在最方便的位置，开始发挥作用而不浪费运送的时间。

（4）14曲面化原理：①将物体的直线或平面部分用曲面代替；②使用滚筒及球状、螺旋状结构；③改直线运动为螺旋运动，应用离心力。

4 应用发明原理得到的设计方案

（1）设计方案1。应用35物理或化学参数改变原理，可以得到方案1：增加酸沫沉积区域的管道壁厚。

（2）设计方案2。应用35物理或化学参数改变原理，可以得到方案2：将输送管道的材质由碳钢改为耐腐蚀的玻璃钢。

（3）设计方案3。应用10预先作用原理，可以得到方案3：预先在腐蚀点区域的输送管道内壁上喷涂防腐蚀材料四氟聚乙烯[2]。

（4）设计方案4。应用14曲面化原理，可以得到方案4：将易腐蚀点处的管道改为“U”型管或“V”型管，并在“V”型管的底部加装漏斗定期排污。

（5）设计方案5。应用14曲面化原理，还可以得到方案5：将输送管道由水平管改为带倾角的斜管，让沉积在管道的酸沫由于重力作用自流回到吸收塔，减轻对管道的腐蚀，见图2。

图2 设计方案5示意图

（6）设计方案6。将方案3与方案5组合应用可以得到方案6：将腐蚀区域的输送管道由水平管改为带倾角的斜管，同时在斜管内壁上喷涂防腐蚀材料四氟聚乙烯，让沉积在斜管上的酸沫由于重力作用自流回到吸收塔，且不构成对管道的腐蚀。

5 方案的评价

5.1 评价标准

根据影响生产的主要技术经济指标设计如下评价标准，见表2。

表2 评分标准

5.2 评价结果

表3 评价得分

从表可以看出，方案6得分最高，为最佳设计方案。

6 效益分析

6.1 经济效益

该公司有两条160kt/a冶炼烟气制酸生产线，采用TRIZ原理得出的设计方案，每条生产线每年最少可以减少4次停车补焊管道漏烟（每次12小时），可以节约开车费用16万元/年；减少停车时间可以增产硫酸约1200吨/年，锌焙砂1150吨/年，，因此可以增加产量效益约36万元/年；两项合计：16+36=52万元/年。改造成本约4万元，因此可以增加的经济效益为52-4=48万元/年。两条生产线均改造后可增加效益为48×2=96万元/年。

6.2 社会效益

因每次管道腐蚀漏烟时有大量的SO2烟气污染空气，而采用TRIZ原理得出的解决方案可以杜绝管道漏烟污染环境，因此有极大的环保效益。

7 结语

TRIZ是可行且实用的生产制造业工程问题解决理论。针对制酸烟气管道腐蚀问题，应用TRIZ的技术矛盾解决理论可以得出较为理想的解决方案，该设计方案具有改造成本低、使用寿命长、运行费用低以及环保效益高的优点。