差压法测量浆液密度的探讨

(唐山三友化工股份有限公司热电分公司，河北 唐山 063305)

我公司锅炉烟气湿法脱硫塔，采用两种脱硫剂，一是盐水精制工序石灰-纯碱法精制盐水过程中产生的废弃盐泥；另一是氯碱公司的电石渣浆，密度范围：1 040～1 070 kg/m3。这既减少了纯碱生产过程中污染物的排放，又减少热电锅炉烟气脱硫需要的脱硫剂采购成本。盐泥主要成分碳酸钙、电石渣浆的主要成分氢氧化钙与烟气中的污染物二氧化硫反应，生成的石膏可作为建筑材料，变废为宝，是集团发展循环经济的体现和成果。脱硫剂浆液中的各种盐分反应转化为硫酸盐，将使浆液密度增大，溶液pH值也将发生变化。准确测取循环浆液密度和pH值，可掌握脱硫剂的反应进程，及时排出石膏浆液，防止因脱硫剂反应失效造成烟气SO2超标和形成石膏雨。

另外，氨碱法生产纯碱，氨气作为中间介质在生产系统中循环使用。滤过母液中所含有的游离氨和固定铵是在蒸馏塔、预灰桶中发生反应，完成气、液分离并经过冷却后回收再利用的。预灰桶是固定铵转化为游离氨的反应器，其高效运行直接关系到氨的回收效率、石灰乳的消耗、蒸汽消耗等重要指标。仪表自动控制的任务，就是在保证废液含氨达到规定指标的前提下，尽量减少灰乳及蒸汽的消耗，实现节能降耗，蒸氨经济运行。这就要求构成串级控制系统的主参数——调和液pH值、副参数——母液流量和灰乳流量检测数据准确，仪表工作稳定。保证母液流量与灰乳流量的比值控制参数基本保持恒定(例如灰乳对母液比为1∶3)。但若实现最优配灰(既不跑氨，灰乳消耗又最低)，实施精准控制的目标，通过对灰乳、调和液密度及pH值完成实时在线检测，以此修正、调节灰乳加入量和灰乳-母液的比值，来确保调和液过灰量保持在合理区间，就显得非常重要。通过对调和液密度进行检测，找出密度变化与蒸馏塔内壁结疤的规律，可为优化工艺及操作，延长蒸馏塔运行周期，具有重要意义。

1 差压法浆液密度测量的工作原理

差压法密度测量，是通过测取液体内部静压力，根据静力学公式：

图1 差压法测量溶液密度原理图

式中，ρ为浆液密度，ΔP为取压点1、2两点间的静差压，g为重力加速度，H为压力取压点1与压力取压点2的距离。变送器安装位置确定，式中H就为固定值。通过测取1、2两点间的静压力差，即可计算出液体的密度。

2 密度测量仪表及应用情况

目前市场上，根据测量原理的不同，密度仪表有：质量流量密度计、超声波密度计、音叉密度计、核子密度计、静压密度计等多种。我公司盐水精制工序安装两台质量流量密度计：安装在从石灰车间来的石灰乳管道上。一台用于测量石灰乳悬浊液的密度，另一台用于测量锅炉烟气盐泥脱硫剂密度，安装在外送锅炉烟气脱硫塔泵出口取样分支管道上，取样浆液经质量流量计测取密度值后返回脱硫剂储桶。锅炉烟气脱硫塔循环浆液密度曾采用超声波密度计、音叉密度计、静压密度计测量。超声波密度计、音叉密度计直接安装在脱硫塔上，而静压密度计则安装在循环浆液泵出口的取样支管的测量桶上。

从实际使用情况看，石灰乳质量流量密度计和脱硫剂密度计，使用3～6个月后，测量出现误差且逐渐增大，仪表出现故障而返厂检修。主要原因是：泵出口压力较高且介质中含砂颗粒物将仪表内衬管道或膜片磨漏，使仪表报废。安装在脱硫塔上的超声波密度计、音叉密度计因循环浆液无规律流动和气泡干扰，不能准确测量浆液密度细微变化而未能正常投入。

目前脱硫塔循环浆液密度的测量方法，是应用上述静压原理，通过定距离安装在塔体上的三组压力变送器，测得6个循环浆液压力值，通过DCS计算，得到三个密度值。投入使用后，与实验室密度计测取的密度值比对，测量结果存在偏差。分析原因，有如下因素：

1)三组变送器安装位置没有处在工艺要求的石膏排出泵入口垂直区域或循环浆液泵入口区域(管道直径范围)，而是分布在该区域上部。造成所测数据与实验室取样(取样口在石膏排出泵入口相同高度)测取数据存在偏差，始终偏低，且数据波动较大。

2)脱硫塔内浆液密度存在梯度。由于脱硫剂浆液从喷嘴喷出自由降落，与锅炉烟气逆流接触，液滴吸附烟气后积聚在塔底储桶，含有无数细小的气泡，气泡冲撞扩大、上浮成为泡沫。反应生成的石膏等结晶微粒在相互碰撞中相互粘连生长为较大晶体颗粒，与各种较大不溶颗粒物、泥沙自由沉淀，造成整个液位垂直范围内存在密度梯度。气泡的存在，使测量结果出现静态误差。

3)搅拌器的旋转形成脉动流动和浆液泵循环流动的影响。参见图2。

图2 搅拌器对密度测量的影响

每座脱硫塔安装三套搅拌器，成120°分布。测量密度的压力变送器距各搅拌器的距离各不相同。若浆液流动对每组密度变送器的作用强度和时间是同步的，其影响经比较运算会相互抵消，对所测密度没有影响。事实上，由于三台搅拌器距6台压力变送器接液膜片的距离各不相同，使脉动流作用到变送器上产生的扰动，不可能同步，各台变送器测量膜片上的这些扰动此起彼伏，好比电子线路中的杂波干扰，淹没了浆液因密度增大而产生的有效静压变化信号，不能通过DCS运算而克服，导致测量结果失真。因此，将变送器安装在脱硫塔上测量密度，结果并不理想。

3 自动冲洗循环周期测量浆液密度的方法

采用差压法测量脱硫浆液、预灰桶调和液、石灰乳悬浮液密度，就必须研究采取有效方法消除浆液中气泡给测量造成的静态干扰和搅拌脉动给测量造成的动态干扰及砂液磨损问题。含有砂液颗粒物、疤块物质等客观因素，要求测量装置必须降低介质压力和流速，减少磨损效应给仪表接液部位造成的损害；含有接液表面结疤效应及沉降泥沙，要求装置具有反冲洗功能，以延长仪表使用周期，降低仪表测量的故障率；调和液温度较高，要求反冲洗水温度与调和液、石灰乳温度不可相差太大，以避免安装在装置上的pH电极发生炸裂损坏；探讨设计新的取样方法，即：全自动周期取样循环测量浆液密度、pH值、自动清洗管道装置，达到降低浆液压力，减小流速，消除对仪表接液部位的冲刷、磨蚀，延长仪表使用寿命的目的。

1)为了克服石膏浆液、砂液对仪表检测的不利因素,设计新型测量桶装置、取样管道、程控阀门，取样塔内被测浆液到测量桶，把密度差压变送器和pH仪表电极安装在测量桶上，以测量桶内的浆液作为测量对象，克服脱硫塔内部各种工艺环境对微差压变送器的动态干扰和静态干扰。

装置如图3。包括取样截止阀、程控电动阀KV-001～KV-004(004″)、测量桶、压力开关PS-01、PS-02、密度仪表PT-01、PT-02；pH值仪表电极AT-01及连接管线、智能控制仪表等。

图3 脱硫塔循环浆液密度、pH值测量系统图

2)为了实现对预灰桶内调和液、石灰乳密度、pH值的测量，克服预灰桶内环境对测量的干扰,应用测量取样控制装置分别按控制流程进行周期取样。通过测量桶上安装的密度差压变送器和pH仪表电极，实现密度和pH值的测量。

装置如图4。KV-001～KV-004(004″)、KV-005为程控气动球阀，由控制仪表按组态程序实现取样控制；FV-001为石灰乳调节阀；PT-01、PT-02为密度仪表；AT-01为pH值仪表电极；PS-01、PS-02为压力开关。

图4 预灰桶调和液、石灰乳密度、pH值测量系统图

3)通过智能控制仪表程序组态，控制自动阀KV-001～KV-004(004″)和KV005的打开和关闭。整个系统将按如下流程完成浆液密度、pH值的测量及自动冲洗工作。

控制组态流程中的时间t需根据调试时阀门开启情况、浆液、工艺水压力变化进行摸索确定，是整个装置能否自动运行的关键。控制系统组态过程需与工艺操作技术人员密切沟通，满足工艺运行、操作的需要。

4 取样装置及仪表的技术要求和存在问题

1)取样口选择：根据脱硫工艺要求，只有两处的浆液密度参数最有意义：进入脱硫塔的盐泥浆液密度和石膏排出泵入口石膏浆液的密度。所以，脱硫塔石膏浆液密度测量取样口应与石膏排出泵入口(也即手动取样)在同一水平面且靠近石膏排出泵入口，以保证所测浆液具有代表性。

图5 控制组态流程图

蒸馏塔调和液取样既要考虑样品必须是预热母液与石灰乳已充分混合，且已完成了化学反应过程，又要使样品位置尽量前移，以缩短测量过程的时间常数，减小控制系统的滞后时间。根据索尔维公司的经验和安装方法，应将取样点确定在预灰桶的中下部，可满足工艺和仪表控制系统对被测参数——调和液密度和pH值的要求。

2)合理确定取样管线、测量桶、排放管线的直径比。装置取样应用连通器原理靠液体静压实现自动取样，取样管径小而测量桶管径大，可使进入测量桶的浆液向上流动的速度比取样管内流速大大降低而缓慢上升，减小对仪表接液部分的磨损。测量桶充满浆液后，自动取样阀关闭，样品在桶内流速为零。静置，仪表完成密度、pH值测量；整个测量过程无动态干扰。

按控制程序规定的测量时间测取数据后，需将样品浆液尽快排放。排放管径选取应尽可能大，目的是快速排放流动的冲洗水能冲洗掉粘附在阀门、管道、测量桶及仪表上的沉淀物。

3)降低测量桶顶部压力，加快测量桶内样品浆液气液分离速度。将脱硫塔浆液测量桶，自动阀管道与吸风机入口管道相连；预灰桶调和液测量桶，自动阀管道与吸收尾气净氨塔入口管道相连；自动阀按控制程序在浆液静置期间打开，造成测量桶顶部负压。这样，浆液中含有的微型气泡因压力降低膨胀，浮力增大迅速上升。汇集桶顶的气体，被排放或回收。

4)测量的密度值和pH值，通过DCS组态形成阶段性测量曲线进行储存和处理，以备查对。预灰桶调和液的密度值和pH值，是预灰桶调和液复杂控制系统的被调参数，对进入预灰桶的灰乳流量进行修正和控制，优化工艺指标。

5)构成整个装置的接液部分材质必须耐浆液或调和液腐蚀，自动阀选用气动球阀或蝶阀。为了保证测量精度，仪表变送器量程不宜太小，0～15 kPa较为合适。测量桶高度定为1 500～2 000 mm。测量桶必须垂直安装，倾斜度不得大于3 mm，保证测量精度。装置安装必须牢固，符合安全要求。

5 结 语

全自动周期取样循环测量浆液密度、pH值系统装置有效克服脱硫塔或预灰桶内环境——浆液泡沫、砂液、搅拌器等对测量的影响，满足静压力测量液体密度的理论要求。是一项很好的技术创新尝试。通过控制系统组态，使仪表测量、冲洗更为灵活，既可投入自动，按设计的程序实现循环测取密度、pH值，也可根据实际需要，人为控制测量和冲洗设备。