气瓶二氧化硫高效利用装置的应用研究

王延强，马 军，王天才，于丽娜，刘兴焘，俞宏山

（金川集团股份有限公司，甘肃 金昌 737100）

0 引言

二氧化硫属于硫氧化物，是一种有强烈刺激性气味的无色气体，有毒，易溶于水。二氧化硫具有良好的还原性，常作为还原剂被广泛应用于工业生产中。液态二氧化硫以钢瓶为容器，与现场二氧化硫管道通过阀门、高压橡胶管连接，使用过程中，气瓶内液态二氧化硫经吸收环境热量气化后进入各用气点。由于设备设计自动化程度低，无固定气化热源，无法自动控制气瓶二氧化硫的气化压力及温度，随着气瓶内二氧化硫的减少，会出现二氧化硫管道出口温度低，高压橡胶管及钢瓶外层结霜、二氧化硫气化不充分、管道内二氧化硫压力降低现象，导致二氧化硫利用率低、气瓶更换频繁，人员劳动强度大，安全系数降低等问题。

针对以上问题，设计一种自动化程度高、安全系数大的气瓶二氧化硫高效利用装置，实现气瓶二氧化硫气化的自动化控制，稳定二氧化硫出口温度，提高二氧化硫气化率，稳定二氧化硫使用压力，改善设备运行条件及环境，减少气瓶更换频次，提高二氧化硫利用率，降低生产成本，提高经济效益，消除因管道、钢瓶受冷结霜等造成的安全隐患，延长设备使用寿命。

1 设备简介及存在的主要问题

1.1 传统二氧化硫使用装置简述

传统二氧化硫使用装置主要由钢瓶、汇流排以及附属管道阀门流量计、压力表组成。

在工业生产中，液态二氧化硫通常以钢瓶为储存容器，由二氧化硫生产点运至生产现场。经高压橡胶短管与厂房内配置的二氧化硫管道连接，组装成传统的二氧化硫使用装置。在使用过程中，钢瓶中的液态二氧化硫经吸收外界热量缓慢气化，并通过自身压力被压入汇流排中，再经厂房二氧化硫管道进入各用气点。该种方式常常由于管道压力较低，二氧化硫使用不到50%，便无法满足现场生产需要，急需更换。

1.2 二氧化硫使用过程中存在的问题

1.2.1 汇流排出口温度低，管道结霜严重，存在安全隐患

二氧化硫的沸点是-10 ℃，熔点是-72.4 ℃，液态二氧化硫属于高压低温液体。钢瓶内二氧化硫经吸收钢瓶及高压橡胶短管外部热量，缓慢气化，进入汇流排。由于无稳定热源，使得汇流排出口的二氧化硫温度较低，造成管道表面结水，尤其是钢瓶、高压橡胶管外层温度骤降，结霜严重，使管道脆性加大。同时随着温度的降低，管道法兰接口处因不同材质的热膨胀系数不同，容易造成法兰接口处的微小缝隙，存在气体泄漏的安全隐患。

1.2.2 二氧化硫气化不充分，汇流排管口压力低，影响生产正常使用

现场使用的二氧化硫未配置专门的气化装置，用以将钢瓶中的液态二氧化硫进行气化。由于没有稳定的气化热源，钢瓶内的二氧化硫未完全气化即被压入汇流排进入使用管道，造成汇流排管道压力不稳定，用气端流量控制不精确，二氧化硫流量忽大忽小，影响生产正常使用，若阀门开大，容易造成二氧化硫与介质反应不充分，损失较大；若阀门开小，容易造成反应时间延长，能源损耗增加等。

1.2.3 自动化程度低，无紧急切断阀，安全系数低

传统的二氧化硫使用装置采用手动阀门进行管道开关及钢瓶使用切换的控制，管道上未配置压力表、流量计以及调压、稳压装置，现场也未配置称重钢瓶质量的台秤，二氧化硫的剩余量只能通过对瓶身外侧的结霜情况的观察进行判断，无法实现阀门的远程自动化控制及设备运行状态的后台监控，需定时安排人员对二氧化硫存储点进行排查及现场操作。若二氧化硫存储点发生泄漏，需人员佩戴全套防护用品进入二氧化硫存储点进行处理，应急处理反应时间较长，安全系数较低。

1.2.4 二氧化硫利用率低，气瓶耗量大，增加生产成本

随着二氧化硫的不断消耗，液态二氧化硫气化不完全，瓶内的压力逐渐降低，导致用气端二氧化硫流量不足。为增大二氧化硫气化率，我们初始考虑在二氧化硫钢瓶附近加装供暖设施，以提高钢瓶周围环境温度，提高气化效果。

1.2.5 钢瓶更换频繁，人员劳动强度大，增加运输费用

由于二氧化硫利用不充分，二氧化硫气瓶使用量增大，二氧化硫钢瓶的更换次数变得频繁，每次更换气瓶需要跟班两名押运人员，耗费3~4 h，加大了人员的劳动强度，造成了人力成本的浪费，同时由于二氧化硫钢瓶拉运次数的增加，相应增加了运输成本。

1.2.6 高压橡胶管柔性差，钢瓶更换难度大

钢瓶与供气汇流排间用高压橡胶短管连接，该种管重量大、柔韧性差，不易安装，尤其是空间狭小的区域，问题更是突出。短管过度弯折，再加上二氧化硫使用过程中管道表面结霜，温度降低，脆性增大，可造成管体损伤，存在二氧化硫泄漏的隐患。

2 新型自动二氧化硫高效利用装置的设计

2.1 初步研究

根据生产实际中存在的问题，查阅工业二氧化硫使用装置设计的相关资料[1]，针对以下问题进行研究设计：（1）寻找一种重量轻、高柔性的软管将二氧化硫储存气瓶与汇流排连接，提高钢瓶接口的更换速度，消除短管过度弯折引起的安全隐患。（2）配置一套液态二氧化硫气化装置，内设加热装置及温度控制系统，为二氧化硫气化提供稳定的热源，增加二氧化硫出口温度，提高二氧化硫的气化率，避免管道结水、结霜。（3）配置一套调压、稳压装置，稳定二氧化硫出口压力，使管道内压力处于正常工作状态，避免出现压力过大造成泄漏风险或压力过小影响生产正常使用等。（4）配置一套自增压装置，通过将一部分液体二氧化硫经过升温气化增大压力后，经气瓶气上部接口进入气瓶，增大气瓶内压力，将剩余未气化二氧化硫压入气化器中，提高二氧化硫的利用率[2]。

该装置主要包括二氧化硫钢瓶、汇流排、二氧化硫气化器、调压阀组、流量计、二氧化硫增压气化器以及控制系统等。

该装置采用二氧化硫钢瓶作为储气系统，钢瓶中的二氧化硫经过滤后，进入气化器中，与热水换热后，进入其后的调压系统调压，然后再进入后方计量系统计量，最后输出用气管道中。设置二氧化硫泄漏报警系统，用于检测是否有二氧化硫泄漏。将二氧化硫钢瓶、液相汇流排、气相汇流排、自增压气化器集成在一个瓶组撬中，将气化器、调压阀组、计量系统等集成在气化调压计量撬中。整个撬块具有安装紧凑、节省占地面积、工期短、投资少、见效快、使用方便的特点。

2.2 连接金属软管

运用一种单位重量轻、高柔性的软管应用至二氧化硫储存气瓶与汇流排连接，该种软管内部为耐压橡胶，外衬316 L不锈钢网，具有韧性高、重量轻、易安装拆除的优点，已成功应用于原有气瓶二氧化硫的生产实践，消除气瓶更换过程中因管道本身耐压耐腐蚀问题造成的泄漏风险。

2.3 液态二氧化硫气化装置

二氧化硫气化器为电加热形式，盘管式结构。管程中的二氧化硫从盘管中流过，经过与壳程中的热水换热后，气化并过热。经气液分离脱去雾滴后由气相出口总管输出。当有以下任何一点超限时，为了让职工及时发现异常，准确找到故障点，气化器设置了安全报警系统：气化器出气温度低限、气化器出气压力高限、气化器水位低限。该装置应用于生产实践后与传统方式相比，二氧化硫气化效果明显提升，汇流排出口稳定保持在45 ℃左右，极大地改善了二氧化硫气化不充分、出口温度低、管道结霜等问题。

2.4 调压、稳压装置

二氧化硫经过气化器加热、升温、气化，再经过调压、稳压阀组，使管道压力控制在正常工作范围内。在设备上安装有两路调压管线，为2+1形式，即一开一备一旁通，平时使用一组即可。调压阀组进出口分别设置压力变送器和压力表，可以实时监测到调压前后的压力状况。二氧化硫气体经过调压以后通过流量计计量，进入用气方使用管线。该装置的应用可以按照工艺条件要求，随意设定二氧化硫出口处的压力，以满足生产负荷。

2.5 自增压气化器

二氧化硫自增压装置的工作原理是：二氧化硫液体进入自增压气化器以后，受热挥发，由液体变成气体，体积膨胀，压力自然会增加，在自增压气化器内气化的二氧化硫气体，经过出气口的稳压阀减压，以相对稳定的压力流回到钢瓶内，使钢瓶内的压力稳定在设定值范围内。新研制的二氧化硫自增压装置有2排液相汇流排，供自动切换使用。每个液相汇流排上有2 个液相进口，气相汇流排上有4 个气相出口，分别与二氧化硫钢瓶的气相、液相接口连接[3]。

自增压气化器属于电热浴式气化器，二氧化硫液体在气化器盘管内流动，盘管浸泡在水箱内。通过电加热器给水加热，加热温度控制在70~75 ℃之间，低于70 ℃开始加热，加热到75 ℃停止。热水再给盘管换热。从而间接加热二氧化硫液体，使其受热挥发。电器柜上有自增压气化器电加热器的控制按钮。

自增压气化器上安装有液位计，显示气化器内液面的高度。如果控制柜上的自增压气化器水位低限报警指示灯亮，为了防止电加热器干烧。电加热器将停止加热。直到气化器内装满水，报警状态解除，电加热器才能恢复到自动状态。

自增压气化器区域安装有二氧化硫气体泄漏报警探测器。当二氧化硫气体泄漏浓度超过20 mg/m3时电气控制柜上的报警指示灯亮。触摸屏上的对应浓度显示数值变成红色。当二氧化硫气体泄漏浓度低于15 mg/m3时电气控制柜上的报警指示灯熄灭。触摸屏上的对应浓度显示数值变成绿色，表示报警解除。

2.6 二氧化硫高效利用装置的集成

整个气瓶二氧化硫高效利用装置的关键零部件的选型已经确定，只需要将上述零部件如压力表、气动阀、自增压气化器、二氧化硫气化器、称重装置、调压稳压阀组、电气控制系统有机地组合起来，合理布置管道走向，将特制连接软管连接气瓶与回流排，建立一套PLC 控制程序，配备相应的控制柜，通过控制柜上各种按键的操作即可实现二氧化硫气化使用的自动控制[4]。

3 二氧化硫高效利用装置的优势

（1）该二氧化硫高效利用装置的气化器，为二氧化硫气化过程提供了稳定的热源，二氧化硫的气化量可以根据实际生产需要进行调节，二氧化硫在气化器中盘管气化后，具有一定的温度，克服了汇流排出口温度低，管道结霜严重，二氧化硫气化不充分，汇流排管口压力低等缺点。

（2）该系统的稳压、调压装置，可以根据生产实际对出口压力进行设定，气化后的二氧化硫经调压、稳压后，可以保持压力的恒定，避免因压力过大或过小引起的安全隐患以及使用异常等。

（3）在保证二氧化硫正常使用的基础上，开创性地使用自增压装置，通过加热部分液态二氧化硫，气化升压，并经过压力反馈控制，安全有效地增大钢瓶中的压力，弥补后期因钢瓶内压力不足造成的二氧化硫利用不充分，减少钢瓶的更换频次，减轻人员的劳动强度，节省生产及人力成本。

（4）采用新型二氧化硫利用装置后，可以将二氧化硫钢瓶定点放置在储存间经过该装置进行现场生产使用，改善了现场生产环境，提高了二氧化硫使用过程中的安全性。

4 总结

气瓶二氧化硫高效利用装置是针对二氧化硫管道出口温度低，高压胶管及钢瓶外层结霜、二氧化硫气化不充分、管道内二氧化硫压力降低，导致二氧化硫利用率低、气瓶更换频繁，人员劳动强度大，管道阀门使用寿命缩短、安全系数降低等问题而设计的，该装置能够有效解决二氧化硫使用过程中出现的问题，具有以下几方面的优点：

（1）针对传统设备无气化装置，无法直接对二氧化硫钢瓶进行加热，导致二氧化硫气化不充分，汇流排出口温度低，管道结霜严重，汇流排管口压力低等问题，该二氧化硫高效利用装置，专门设计提供了二氧化硫气化装置。钢瓶中的液态二氧化硫进入气化器后，在盘管内被水浴加热、气化，并经气液分离后送入用气点。克服了钢瓶、管道外层结霜，出口气体温度低，二氧化硫气化不充分，汇流排管口压力低等缺点。

（2）针对传统气瓶二氧化硫在使用过程中前期压力大后期压力小，二氧化硫气流不稳定的问题，该装置在二氧化硫出口端配置了稳压、调压装置。该装置采用“一通一备一旁通”设计，可以根据实际生产需要，调节压力设置，稳定二氧化硫气化装置出口压力，避免因压力过大或过小引起的安全隐患以及使用异常等，同时若一组调压装置出现故障，可以使用备用装置，最大限度保证生产的连续性。

（3）针对气瓶二氧化硫利用率低，钢瓶更换频繁，设计使用了自增压气化器。自增压气化器通过加热部分液态二氧化硫，气化升压，并经过稳压控制，安全有效地增大钢瓶中的压力，弥补后期因钢瓶内压力不足造成的二氧化硫利用不充分，减少钢瓶的更换频次，减轻职工劳动强度，节省生产成本。