吸收塔塔槽合一结构优化设计

刘娇洋，陈文江

（1.中国瑞林工程技术股份有限公司，江西南昌330031；2.深圳市城市公共安全技术研究院，广东深圳518046）

硫酸生产中吸收塔为干吸工序的填料塔，用于吸收来自转化工序的SO2和SO3烟气。为维持吸收塔喷淋酸的正常循环，可以采用塔与泵槽相配合或增加塔体下部容积存储硫酸[1-2]。单独设置的泵槽有卧式和立式2种，厂区一般会根据功能分区及其规模状况进行设计。

随着硫酸工业的规模化发展，吸收塔的规格不断增大，运行需要的喷淋酸量相应增多，用于配置和存储循环酸的泵槽规格也随之增大。循环酸泵槽配置吸收塔所需的硫酸浓度时，存在硫酸浓度动态波动的现象。考虑到设备结构和防腐衬里的可靠性，国内常规设计中会为每台吸收塔配置1台长条形的卧式循环泵槽，使混酸器尽量远离循环泵，同时增加混酸时间，从而在保护循环泵不易腐蚀的同时，循环酸浓度也得到保证。

某工程由于厂区场地的限制，吸收塔采用塔槽合一结构，即通过增加塔体高度以储酸，并配置1台小立式泵槽用于混酸，安装1台循环泵。然而，投产后不久循环泵腐蚀严重，更换后也很快腐蚀损坏；泵槽冒酸雾严重，吸收塔侧壁、吸收塔与泵槽连接管线均出现泄漏，且随着运行时间的延长，漏点越来越大，给生产和安全带来了很大隐患。针对该工程问题，笔者从设计层面对其塔槽合一结构进行深入剖析并提出相应的优化设计建议。

1 原塔槽合一结构设计分析

1.1 原设计概况

原设计的塔槽为1台φ7.03 m×19 m的钢衬耐酸砖塔和1台φ2.42 m×3.8 m的钢衬耐酸砖槽。吸收塔顶部采用2层丝网除雾器，分酸器为合金铸铁管式分酸器。填料采用球拱支撑，分为3段：上段为φ50 mm的瓷质异鞍环，铺层高度0.35 m；中段为φ76 mm的瓷质异鞍环，铺层高度3.54 m；下段为瓷质组合规整填料，铺层高度1 m。塔体底部为球形，采用腿式支撑。酸槽为碟形底立式槽，腿式支撑，酸槽顶部中间设置循环泵接口，泵接口周边设置进酸口和加水口等接口。吸收塔储液段上部人孔盖上开孔焊接1根管线和酸槽顶部连通。吸收塔出酸口设置在塔体侧边靠近底部的位置，通过不锈钢衬F4波形膨胀节与泵槽下部直线连通。

1.2 问题剖析

该工程在生产运行过程中主要存在以下问题：

1） 循环泵腐蚀损坏严重。泵槽有效直径为2.42 m，循环泵接口设置在设备顶部的中间位置。酸入口、加水口和设备法兰连接口组成一个三通结构的混酸口，三通设置在设备顶部侧边位置，其中三通顶端为加水口，侧端为酸入口，下端为设备法兰连接口，设备法兰中加设套管将流体引入泵槽内。混酸口与循环泵中心距离不到1 m，设备法兰加设套管插入深度距离溢流口约1.05 m，距设备底部约1.2 m，按如此设计，浓酸和稀酸在泵槽内来不及混合均匀即被泵抽出。在浓酸和稀酸均存在的复杂环境，铸铁和合金材质的泵均无法长期有效使用。

2） 泵槽酸雾逸出严重。由于吸收塔为正压设备，塔槽下部液相连通，为避免塔内压力造成槽内液位过高，需增加泵槽高度。原塔槽设计者在吸收塔储液段的上部与泵槽顶部设计了气相连通管连接两设备以保证其压力相等，塔槽液位处于同一高度，导致泵槽成为正压设备，而由于混酸过程是向浓硫酸中加水，会产生大量热量，形成酸雾，腐蚀设备顶部的法兰接管导致泄漏，因而出现设备冒酸雾的情况。

3）运行后期，吸收塔侧壁、吸收塔与泵槽下部连通处均开始漏酸。吸收塔采用的是腿式支撑，较之传统吸收塔，其底部储酸量较大，承受更大的压力，而球形底焊接在筒体内侧，焊缝承受的力为剪切力，经长期运行，焊缝处可靠性下降；同时球形底直径较大，钢外壳产生形变易导致砖内衬可靠性降低。由于砖体为脆性材质，承受拉力会出现裂纹，造成硫酸渗漏腐蚀钢壳，导致吸收塔出现漏酸的情况，运行时间越长，砖体裂纹越来越大，钢壳腐蚀越严重，漏酸现象则随之加重。随着装置长期运行，吸收塔和泵槽之间设置的不锈钢衬F4波形膨胀节内衬的可靠性下降，加之泵槽混酸不均、工作环境复杂，不锈钢开始出现腐蚀泄漏，而且腐蚀泄漏还会逐渐加重。

2 塔槽合一结构优化设计

2.1 优化设计

针对上述问题，结合硫酸工业干吸工序现有的先进技术对原设计进行优化，新设计1台φ5.898 m×8 m的钢衬耐酸砖塔和1台φ2.398 m×8 m的钢衬耐酸砖槽。优化后的塔槽合一结构示意见图1。

图1 优化后的塔槽合一结构

2.2 优化分析

结合厂区布置情况，且不影响在检修工期内对接，优化方案为：在配置上保留塔槽合一结构，吸收塔采用高效柱状纤维除雾器和合金管槽式分酸器，填料分2段：上段为φ38 mm的瓷质异鞍环，铺层高度0.2 m；下段为φ76 mm的瓷质异鞍环，铺层高度3 m。填料支撑采用条梁形式，塔体底部采用球形底，鞍座支撑。泵槽为碟形底立式槽，支承式支撑，泵槽顶部中间设置循环泵接口。混酸口配置在吸收塔塔体上，取消吸收塔与泵槽顶部的连通管，吸收塔出酸口设置在塔体底部靠近侧边位置，通过不锈钢弯管与和泵槽下部连通。

塔槽合一的吸收塔和泵槽经优化后，具有以下特点：

1） 选用的管槽式分酸器下酸点数大于40个/m2，分酸更加均匀，填料内气液传质效果更好，吸收塔运行速度得以提高，塔有效直径由原来的7.03 m 减小至 5.898 m。

2）高效柱状纤维除雾器对大于3 μm颗粒的捕集率大于99%，出口烟气中酸雾(ρ)小于40 mg/m3，压降小于2 kPa，整个设备除雾效率大大提高。

3）高效管槽式分酸器和纤维除雾器的使用，使塔器整体的传质和捕沫效果更好，填料高度由原来的4.89 m降至3.2 m。

4）条梁格栅支撑孔隙率大，运行稳定可靠，同时施工速度快，能满足此次改造工程的工期要求。

5）酸槽底部腿式支撑改为支承式支撑，减少泵槽底部变形的可能性，加强衬砖设备的可靠性。

针对原设计的一些问题，对设备细节部分进行了改造：

1）塔槽合一结构吸收塔的底部储酸量非常大，底部的封头承受较大压力，经常规计算，封头强度满足使用要求，但封头变形程度较不储酸的吸收塔增大。衬砖为脆性材质，钢壳的变形将严重影响衬砖的使用寿命，导致封头泄漏。为了减少封头变形对衬砖的影响，吸收塔底部将腿式支撑改为鞍式支座，既支撑了塔体，也对封头底部起到了加强作用，使得封头变形微小，提高了衬砖的可靠性。

2）塔体底部储酸，填料支撑墙高度增加，在储液段增加支撑墙的宽度，增大砖体的抗弯截面系数，使填料支撑稳固。

3）吸收塔直径大，储酸量也非常大，混酸需要的水量相对于整个塔体的储酸量来说非常小，混酸器设置在塔体上，混酸更快更均匀。为减少塔体因开孔增加的泄漏风险，将混酸器安装口设置在塔体气相工作段。另外，混酸器需要插入至液位以下，且尽量深入，这导致混酸器较长，在安装和支撑上有一定难度。笔者在塔体上开设长圆孔接管，长圆孔接管水平布置，外端焊接长圆形钢板，钢板上开孔焊接倾斜向上60°的法兰短接用于混酸器安装，同时法兰接管加筋与钢板焊接，加强稳定性。将混酸器倾斜插入设备底部，可在安装时利用上部空间，避免水平空间对安装的限制；同时在满足混酸点深度的情况下，60°角的设计使得混酸器长度相对较小，外悬导致的力矩也较小，从而减小了支撑点受力，运行更为稳固。在布置上，混酸器插入的位置位于两堵填料支撑墙中间，管口方位尽量远离出酸口，实际混酸点距出酸口约3.7 m，可减少混酸对支撑墙的正面冲刷，并增加混酸时间。塔体混酸的设计使得进入泵槽后的酸浓度有保证，避免了循环泵和泵槽的腐蚀。

4）吸收塔与泵槽底部用金属弯管连接，金属弯管能起到膨胀节的作用，消除吸收塔槽因变形不一致造成的拉裂影响。连接管路上设置节流孔板，控制塔和泵槽的液位高度，既可避免原设计连通管造成的冒酸，也不用将泵槽制造过大，节约了成本。

3 对比分析

在分酸器、除雾器及填－料等塔内件选型相同的情况下，与同规格的常规塔槽分离方案相比，优化方案的优势主要表现在：

1）在工程设备用材方面，塔槽合一结构节省钢材用量约6%，节省耐酸砖用量约14.5%。

2）在设备占地方面，塔槽合一结构仅塔器占地较大，泵槽规格仅需满足循环泵的安装，且可以利用边角位置布置；而塔体直径相同的常规塔槽分离结构的泵槽长度通常不少于8 m，平面上占地量非常大，工艺配管长度也相应增加。

3）在土建方面，常规塔槽分离结构需建造1台大塔器基础和1台长8 m的卧式容器基础，工程量相当大；而塔槽合一结构，泵槽承重和规格都非常小，土建基础工程量不大，吸收塔土建承重虽有增加，但较原土建承重增加比例和工程增加量不大，建设难度降低，造价低。

4 结语

该塔槽合一结构的吸收塔改造后于2017年投产，运行至今3年多来，未出现泵腐蚀、酸泄漏、冒酸雾等情况，整个设备和工艺系统运行状况良好。塔槽分离结构为一种常规设计，其安全可靠性满足了工业应用的需求，但因选材和设计等多种因素被限制了使用。从此次优化改造情况来看，合理设计塔槽合一结构的吸收塔，能很好地节省厂区用地，降低设备和土建造价，对后期新建和改造项目都有很好的借鉴意义。