1030m2大型阳极保护冷却器的应用

【摘 要】本文详细介绍了阳极保护冷却器的原理，以及大型阳极保护冷却器在生产中的设计应用。

【关键词】阳极保护；冷却器；参比电极；恒电位仪

我国在上世纪80年代引进了阳极保护管壳式不锈钢浓硫酸冷却器，主要应用在硫酸生产过程中干吸工序的浓硫酸冷却。国内设备制造厂家于八十年代初期开始试制冷却器，八十年代中期开始在各类制酸装置中采用。该设备对国内硫酸行业的技术发展起到了积极的作用，成为替代铸铁排管的首选设备。随着该设备的大规模使用，国内供货商在酸冷器的设计、制造技术已相当成熟，不仅如此，通过努力还开发了阳极保护不锈钢管道、阳极保护不锈钢分酸器、阳极保护不锈钢酸槽，在国内的硫酸生产企业中得到了广泛应用。阳极保护技术的发展提高了国内技术开发水平，同时为硫酸的生产技术提高起到了积极的促进作用。寿命长、占地面积小、热效率高、无污染、日常维护费用低、节水效果明显等优点使阳极保护酸冷却器、阳极保护管道产品已成为浓硫酸冷却的首选产品。

一、阳极保护技术

1.阳极保护工作原理。阳极保护是电化学防腐蚀技术之一，其防腐原理基于金属阳极的钝化性。当被保护的金属设备通以阳极电流时，在金属表面形成一层高阻抗的钝化膜，从而阻止了金属的进一步被腐蚀。

2.阳极保护原理的电学分析。当某种金属浸入电解质溶液时，金属表面与溶液之间就会建立起一个电位，腐蚀电化学中把这个电位称为自然腐蚀电位。不同的金属在一定溶液中的电位是不一样的。而同一种金属的电位由于其各部分之间存在着电化学中不均一性而造成不同的部位间产生一定电位差值，正是这种电位差值导致了金属在电解质溶液中的电化学腐蚀。

向浸在电解质溶液中的金属施加直流电，金属的自然腐蚀电位会发生变化，这个现象称为极化。所通电流为正电流时。金属作为阳极其电位向正方向变化的过程称作阳极极化；反之，通过的电流为负电流时，金属作为阳极其电位向负方向变化的过程称为阴极极化。把电位与电流密度之间对应的关系画成曲线叫做极化曲线。

具有钝性倾向的金属在进行阳极极化时，如果电流达到足够的数值，在金属表面上能够生成一层具有很高耐蚀性能的钝化膜而使电流减少，金属表面呈钝态。继续施较小的电流就可以维持这种钝化状态，钝态金属表面溶解量很小从而防止了金属的腐蚀，这就是阳极保护的基本原理。如图1为典型的钝性金属阳极保护曲线，曲线中表现出四个特性：

①AB区――活化区

在A点，外加电流为零，金属处于自然腐蚀状态，自腐蚀电位为EA，当通以阳极电流时，其电流密度随电位的升高而增加。且电位越正，电流密度越大，电流密度的大小反应出腐蚀的快慢。当电位升高到B点时，电流密度不再上升，达到一个极大值IM，这个峰值点对应称为致钝电流密度，对应的电位称为致钝电位。在此区域内，金属表面处于活性溶解状态，故将此区域叫做活化区，金属表面发生如下反应：Fe―>Fe2++2e。

②BC区――过渡区

电位越过B点，金属处于由活化状态向钝化状态的转变过程中，电流密度急剧下降，到C点降到最小值。在金属表面可能生成二价到三价的不稳定氧化物。B点的电流密度IM和电位EB叫做致钝电流密度和致钝电位。BC区金属表面处于活化―钝化不稳定状态，故将此区域叫做过渡区。

③CD区――钝化区

从C点开始到D点，电位变化时，外加阳极电流密度变化很小，不锈钢中金属元素发生氧化反应，生成高价氧化物（膜），这种氧化物溶解量很小，即腐蚀速率很低，金属表面处于稳定的钝化状态，故将此区域叫做钝化区，对应的电流密度IP称为维钝电流密度，对应于该区域的电位范围EC―ED称作维钝电位区间，这正是阳极保护所要控制的电位区间。

④DE区――过钝化区

当电位高于稳定钝化区，电流密度又开始增大，钝化膜转化成可溶性的高价化合物而遭受破坏，金属腐蚀重新加剧，故将此区域叫做过钝化区。D点电位ED叫做过钝化电位。

二、阳极保护冷却器工作原理

阳极保护冷却器的工作原理是把与浓硫酸接触的设备表面作为阳极，另外设置一根或数根阴极，通过浓硫酸形成电流回路。向冷却器施加一定的阳极电流，使其产生阳极极化，迅速通过致钝电位，然后进入稳定钝化区并维持其电位在这个区域，依靠在钝化区形成的钝化膜减缓冷却器在浓硫酸中的腐蚀。

三、阳极保护冷却器的设备组成

阳极保护系统是由阳极、阴极、参比电极、恒电位仪、电线电缆组成。

1.阳极。阳极是阳极保护浓硫酸设备中被保护的部分，即所有和浓硫酸接触的不锈钢表面。对于冷却器而言，即换热管外表面、壳体内表面、管板内侧表面以及折流板。

2.阴极。阴极是一根特制的合金棒，其作用是导通电流，并使直流电源输出的电流能够尽可能的均匀分布到与浓硫酸接触的所有阳极表面。本设计采用的是棒状阴极，穿过水箱、管板、折流板且与换热管束平行布置的合金棒，表面包覆有小孔的聚四氟乙烯。

3.参比电极。绝对的电位是无法进行直接测量的，而必须以一个电位相对稳定的电极作为参照进行测量，该电极叫做参比电极。参比电极本身的电位在工艺条件下基本保持恒定，所有测得电位均是相对于参比电极的电位（即以参比电极的电位为基准）。本设计共三只参比电极，其中一只作为控制参比电极，其余参比电极作为监测参比电极。

4.恒电位仪。恒电位仪的作用是将控制参比电极的电位信号与恒电位仪设定电位相比较，输出直流电流给阳极（冷却器），从而使控制参比电极的电位恒定在设定电位，并控制整个设备电位在钝化电位区内。当负载变化（工艺变化）时，它可以自动改变输出电流的大小，保证控制参比电极的电位恒定在给定电位，并使整个设备的电位保持在钝化区电位内，从而使阳极表面形成一层致密的钝化膜，减缓浓硫酸对设备的腐蚀。

四、生产应用

1.干燥塔。本文描述的1030m2大型阳极保护浓硫酸冷却器是指在烟气制酸工艺的干燥塔工序使用。 干燥塔为传统的填料塔结构参数如下：入塔烟气量115989m3/h；出塔烟气量105599m3/h；入塔烟气温度42℃；出塔烟气温度50℃；入塔酸温45℃；出塔酸温57℃；入塔气速0.79m/s；喷淋酸量634m3/h；喷淋酸密度12.6m3/m2.h；喷淋酸浓度93%；干燥塔直径8000mm；干燥塔高度18000mm。

2.干燥塔浓硫酸冷却器。根据干燥塔的技术参数，设计阳极保护冷却器的技术规格如下：换热量10029080 W；传热系数688 W/m2K；传热面积1030 m2。水走管程，其参数为：流量1080 m3/h；流速0.66 m/s；设计压力0.4 MPa；设计温度100℃；操作压力0.35 MPa；进口温度33℃；出口温度41℃；压力降0.004 MPa。酸走壳程，其参数为：流量780 m3/h；流速0.41 m/s；设计压力0.5 MPa；设计温度100℃；操作压力0.4 MPa；进口温度61℃；出口温度45℃；压力降0.049 MPa。

冷却器采用了多电极方式，极大地改善了电流、电位的分布，解决了大型冷却器由于电极电阻和溶液电阻引起的电位衰减所造成的阳极表面钝化不一致，并大大缩短了高温条件下致钝时间。阴极表面绝缘套管改用热挤压成型新工艺，增大了绝缘套管与阴极的贴合程度，从而防止了阴极表面硫的还原引起的绝缘套管变形，有利于阴极的检修，延长了阴极使用寿命。阳极保护恒电位仪采用了微电脑控制技术，提高了电位控制精度并增强了与DCS系统的互联和通信功能。针对大型硫酸装置循环酸量大，对冷却器冲刷作用较强的特点，增加了防冲栅板，保证冷却器入口得到有效的阳极保护。

设备在生产现场安装完成，投入运行以后，实测各种数据完全与设计值相符，设备运行稳定。并且本文介绍的冷却器冷却面积达到1030m2，为冷却器应用于大型制酸系统提供了有力的依据。生产实践表明，阳极保护浓硫酸冷却器具有传热效率高、使用寿命长、占地面积小、耗水量小，几乎无维修和无环境污染等优点，值得大力推广。

参考文献：

[1]徐邦学.硫酸生产工艺流程实用手册[M].广西电子音像出版社，2004.

[2]蒋继墓.我国冶炼烟气制酸进展及展望[J].有色冶炼，2003（1）：1-4.