馬俊，李山東，王程飛，劉娜

(金川集團(tuán)股份有限公司化工廠，甘肅金昌 737100)

生產(chǎn)實踐

冷激煙氣平衡調(diào)配轉(zhuǎn)化控溫技術(shù)研究與應(yīng)用

馬俊，李山東，王程飛，劉娜

(金川集團(tuán)股份有限公司化工廠，甘肅金昌 737100)

介紹了轉(zhuǎn)化工序煙氣冷激控溫技術(shù)及金川集團(tuán)股份有限公司化工廠實施平衡調(diào)配轉(zhuǎn)化控溫技術(shù)的背景。530 kt/a銅冶煉煙氣制酸裝置對冷激煙道進(jìn)行技術(shù)改造并應(yīng)用冷激煙氣平衡調(diào)配控溫技術(shù)，顯著提升了制酸關(guān)鍵工藝技術(shù)指標(biāo)，總轉(zhuǎn)化率由原來的99.66%提高到99.86%，尾吸系統(tǒng)噸酸堿耗減少約200 g，轉(zhuǎn)化工序余熱鍋爐增產(chǎn)蒸汽39.6 kt/a。

硫酸生產(chǎn) 轉(zhuǎn)化 冷激 控溫 應(yīng)用

金川集團(tuán)股份有限公司(以下簡稱金川集團(tuán)) 530 kt/a銅冶煉煙氣制酸裝置已運行10年時間，隨著冶煉產(chǎn)能的擴(kuò)大，生產(chǎn)工況發(fā)生較大變化，冶煉煙氣制酸系統(tǒng)長期處于高負(fù)荷生產(chǎn)狀態(tài)。2012年配合銅合成爐技術(shù)改造，金川集團(tuán)對530 kt/a銅冶煉煙氣制酸裝置轉(zhuǎn)化工序進(jìn)行技術(shù)改造，將原來的ⅣⅠ－ⅢⅡ“3+1”轉(zhuǎn)化換熱流程改為ⅤⅠ－ⅢⅡⅣ“3+2”轉(zhuǎn)化換熱流程［1］。

近幾年銅冶煉系統(tǒng)不斷優(yōu)化擴(kuò)產(chǎn)，冶煉煙氣流量和組分發(fā)生變化，轉(zhuǎn)化工序操作工況也發(fā)生較大變化，制酸裝置在運行過程中凸顯以下問題:

1)冶煉煙氣SO2濃度提高，在轉(zhuǎn)化工序換熱器換熱面積不變的情況下，進(jìn)轉(zhuǎn)化器一段煙氣溫度過高，一段催化劑底層溫度經(jīng)常超過600℃。長期運行既影響催化劑活性，也極易造成轉(zhuǎn)化器一段出口煙道熱應(yīng)力形變;直接影響Ⅰ換熱器換熱列管、底板及上下花板熱應(yīng)力形變。

2)轉(zhuǎn)化器各段入口煙氣溫度均在不斷升高，尤其是轉(zhuǎn)化器后段入口煙氣溫度過高，已超過設(shè)計范圍，導(dǎo)致各段催化劑層溫度過高，長期運行會影響催化劑活性。

3)二次轉(zhuǎn)化換熱器殼程和管程溫度均超過設(shè)計范圍，導(dǎo)致?lián)Q熱器因過燒而發(fā)生設(shè)備本體形變，甚至產(chǎn)生徑向位移。

針對這些問題，金川集團(tuán)采取冷激煙氣平衡調(diào)配轉(zhuǎn)化控溫技術(shù)對轉(zhuǎn)化工序進(jìn)行優(yōu)化改造，既優(yōu)化了轉(zhuǎn)化工序操作工藝指標(biāo)，又實現(xiàn)轉(zhuǎn)化熱能回收利用。

1 煙氣冷激控溫技術(shù)

平衡轉(zhuǎn)化率、反應(yīng)速度和溫度的關(guān)系是矛盾的［2］。對一定組分的進(jìn)氣，在一定的催化劑上轉(zhuǎn)化，每一種轉(zhuǎn)化率都有一個使反應(yīng)速度最快的溫度條件，這個溫度叫做最適宜溫度。在一定催化劑下，最適宜溫度隨進(jìn)氣組分和轉(zhuǎn)化率變化而變化。隨著轉(zhuǎn)化率上升最適宜溫度下降，若要轉(zhuǎn)化過程進(jìn)行得較快，就應(yīng)該在轉(zhuǎn)化過程中隨著轉(zhuǎn)化率的升高而降低反應(yīng)溫度，使反應(yīng)過程能在最適宜溫度的范圍內(nèi)進(jìn)行［3］。

降低轉(zhuǎn)化反應(yīng)溫度一般有兩種方法:①恒溫操作法，在反應(yīng)的同時移走熱量，即把催化劑和降溫用的冷介質(zhì)置于管(或極)的兩側(cè)，在催化劑層里反應(yīng)產(chǎn)生的熱量由冷介質(zhì)帶走;②中間換熱法或絕熱操作法，即把進(jìn)氣加熱到反應(yīng)的起燃溫度，再通過催化劑層反應(yīng)溫度升高，然后進(jìn)入換熱器或直接摻入冷介質(zhì)(煙氣或空氣)進(jìn)行降溫［2］。

絕熱操作過程中的換熱降溫方式有兩種:①利用外置或內(nèi)置換熱器進(jìn)行冷、熱氣體熱交換，此為中間移熱式;②在轉(zhuǎn)化段之間直接摻入冷的進(jìn)氣或冷的干燥空氣，達(dá)到降溫目的，此為中間冷激式。

同是5段轉(zhuǎn)化器，相同的進(jìn)氣組分達(dá)到同樣的轉(zhuǎn)化率，一段后采用煙氣冷激比不用煙氣冷激的接觸時間要長些。例如，進(jìn)轉(zhuǎn)化器煙氣φ(SO2)為7.5%，冷激式接觸時間為3.981 s，中間換熱式接觸時間為3.896 s，前者比后者時間要長2.18%，但相差不大。因此，對于配置5段轉(zhuǎn)化器的工藝裝置，為節(jié)省換熱器、簡化流程、降低系統(tǒng)阻力，可采用煙氣冷激式操作控制轉(zhuǎn)化溫度和熱平衡。

煙氣冷激主要作用是降溫，只需從主氣管線上接出一根支管繞過換熱器通入轉(zhuǎn)化器(或下一降溫工序)即可。煙氣冷激會使轉(zhuǎn)化率下降，在不增加過多的催化劑的情況下減少對總轉(zhuǎn)化率的影響，煙氣冷激一般只用在5段轉(zhuǎn)化器的轉(zhuǎn)化一段反應(yīng)之后(二段之前)。

冷激煙道不僅可以起到為轉(zhuǎn)化氣降溫的目的，特殊情況下還可以為轉(zhuǎn)化氣升溫。將電爐出口的高溫?zé)煔饫@過換熱器直接進(jìn)入轉(zhuǎn)化器，可提升催化劑升溫速度，縮短升溫時間。同時，冷激煙道可以將高濃度煙氣送至轉(zhuǎn)化后段，增加后段的反應(yīng)熱，提高后段催化劑層溫度。

因此，運用冷激煙道最小范圍地改造轉(zhuǎn)化工序，從而最大程度地適應(yīng)高負(fù)荷生產(chǎn)的煙氣條件，是大型冶煉煙氣制酸裝置可靠的選擇。

2 轉(zhuǎn)化工序工況

金川集團(tuán)530 kt/a銅冶煉煙氣制酸裝置5段轉(zhuǎn)化器進(jìn)口煙氣溫度均過高，一段催化劑底層溫度高達(dá)615℃，Ⅳ換熱器殼程和管程溫度均超過設(shè)計范圍，轉(zhuǎn)化器、換熱器本體及附屬煙道熱應(yīng)力形變。轉(zhuǎn)化工序操作溫度情況見圖1。

圖1530 kt/a制酸裝置轉(zhuǎn)化工序操作溫度情況

3 轉(zhuǎn)化冷激煙道技術(shù)改造

SO2風(fēng)機(jī)出口至Ⅰ換熱器入口增設(shè)一根冷激煙道，并且設(shè)置冷激閥門。將SO2風(fēng)機(jī)出口部分SO2冷煙氣引至Ⅰ換熱器，降低Ⅰ換熱器殼程溫度，從而降低轉(zhuǎn)化器一段入口煙氣溫度。這樣可降低轉(zhuǎn)化器一段出口溫度，避免出口煙道變形拉裂，保護(hù)Ⅰ換熱器本體。

拆除Ⅲ換熱器出口至Ⅳ換熱器垂直方向的SO2煙道，將Ⅳ換熱器SO2入口煙道水平段延長至Ⅲ換熱器前端SO2入口處。將一吸塔來的部分SO2冷煙氣引至Ⅳ換熱器，降低Ⅳ換熱器殼程溫度，進(jìn)而降低管程溫度及轉(zhuǎn)化器四段、五層入口煙氣溫度。

拆除Ⅲ換熱器入口至Ⅱ換熱器入口冷激煙道，Ⅳ換熱器入口至Ⅱ換熱器入口設(shè)置一根冷激煙道。將一吸塔來的部分SO2冷煙氣引至Ⅱ換熱器，降低Ⅱ換熱器殼程溫度，從而降低轉(zhuǎn)化器四段入口煙氣溫度。

增大Ⅳ換熱器入口至Ⅱ換熱器出口的冷激煙道管徑，接口方向改為斜插口，以增加進(jìn)入轉(zhuǎn)化器四段的低溫?zé)煔饬?，降低轉(zhuǎn)化器四段和五段催化劑溫度。

通過以上改造還可將轉(zhuǎn)化工序富余熱量移至轉(zhuǎn)化后段余熱鍋爐，增加余熱鍋爐蒸汽產(chǎn)量。

4 煙氣冷激控制

530kt/a制酸裝置轉(zhuǎn)化工序冷激煙道改造后工藝流程見圖2。

圖2 530kt/a制酸裝置轉(zhuǎn)化工序冷激煙道改造后工藝流程

冷激煙氣平衡調(diào)配控溫操作步驟:

1)當(dāng)一段催化劑表層溫度過高時，通過7318，7317，7306冷激閥按順序進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。當(dāng)一段催化劑底層溫度超過600℃時，通過降低一段催化劑表層溫度進(jìn)行調(diào)節(jié);如果進(jìn)入系統(tǒng)的煙氣SO2濃度過高，通過開補(bǔ)氣閥、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)爐制酸閥、SO2風(fēng)機(jī)前導(dǎo)向進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2)當(dāng)二段催化劑層表層溫度過低時，關(guān)7318，7306冷激閥、開7317冷激閥控制調(diào)節(jié)。當(dāng)二段催化劑層表層溫度過高時，通過7318，7304冷激閥按順序進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。

3)當(dāng)三段催化劑層表層溫度過低時，開7314冷激閥控制調(diào)節(jié)。當(dāng)三段催化劑層表層溫度過高時，開7308冷激閥控制調(diào)節(jié)。

4)當(dāng)四段催化劑層表層溫度過高時，通過7308，7314冷激閥按順序進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。

5)當(dāng)五段催化劑層表層溫度過高時，開7319冷激閥控制調(diào)節(jié)。

通過上述冷激閥門的控制調(diào)節(jié)，催化劑床層保持合適轉(zhuǎn)化溫度的同時，將轉(zhuǎn)化反應(yīng)熱量后移，避免前段過熱、后段熱量不足的問題，實現(xiàn)轉(zhuǎn)化器各段均衡反應(yīng)的要求［3］。

5 運行情況

金川集團(tuán)530 kt/a銅冶煉煙氣制酸裝置應(yīng)用冷激煙氣平衡調(diào)配控溫技術(shù)后，制酸系統(tǒng)與冶煉爐窯匹配能力進(jìn)一步提升，滿足了冶煉高投料條件下的穩(wěn)定生產(chǎn)。

1)制酸系統(tǒng)總轉(zhuǎn)化率由改造前平均99.66%提升至99.86%，轉(zhuǎn)化器各段反應(yīng)達(dá)到最優(yōu)平衡條件，指標(biāo)行業(yè)先進(jìn)。

2)冷激閥門之間的配合操作使進(jìn)入轉(zhuǎn)化器各段的煙氣溫度恒定，避免了各段進(jìn)口煙氣溫度出現(xiàn)較大波動，增強(qiáng)了制酸系統(tǒng)對煙氣SO2濃度波動的適應(yīng)能力;同時，也確保了轉(zhuǎn)化工序各設(shè)備煙氣溫度基本控制在設(shè)計范圍內(nèi)(見圖3)，顯著優(yōu)化了轉(zhuǎn)化工序熱量平衡分布，降低了電爐投用頻次，延長了催化劑及設(shè)備使用壽命。

圖3 改造后530 kt/a制酸裝置轉(zhuǎn)化工序操作溫度情況

3)制酸裝置總轉(zhuǎn)化率提高，進(jìn)尾氣吸收塔煙氣SO2濃度降低，尾氣脫硫噸酸耗堿量下降200 g左右。

4)改造后轉(zhuǎn)化工序余熱鍋爐產(chǎn)蒸汽約64.8 kt/a，與改造前相比增產(chǎn)蒸汽39.6 kt/a。

6 結(jié)語

金川集團(tuán)530 kt/a銅冶煉煙氣制酸裝置對冷激煙道進(jìn)行技術(shù)改造并應(yīng)用冷激煙氣平衡調(diào)配控溫技術(shù)，顯著提升了制酸關(guān)鍵工藝技術(shù)指標(biāo);嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)化器各段入口溫度在催化劑活性溫度范圍內(nèi)，提高了SO2轉(zhuǎn)化率;高效回收轉(zhuǎn)化工序中溫位余熱增產(chǎn)蒸汽，節(jié)省了物料和能源消耗，提升煙氣治理系統(tǒng)資源綜合利用水平的同時，顯著降低了煙氣治理成本。

［1］常全忠，毛艷麗，張宏昌，等.530 kt/a煙氣制酸轉(zhuǎn)化工序改造與生產(chǎn)實踐［J］.硫酸工業(yè)，2012(6):24－26.

［2］湯桂華.硫酸［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1999:199－202.

［3］孫治忠.現(xiàn)代硫酸生產(chǎn)操作與技術(shù)指南［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2016:122－126.

Research and application of using cold shock gas balance allocation conversion temperature control technology

MA Jun，LI Shandong，WANG Chengfei，LIU Na
(Chemical Plant，Jinchuan Group Go.，Ltd.，Jinchang，Gansu，737100，China)

The technology of cold shock gas temperature control and the background of implementation balance allocation conversion temperature control technology in Jinchuan Group Chemical Plant are introduced.Technical reformation to cold flue shock of 530 kt/a copper smelting off-gas acid was conducted，and cold shock gas balance allocation conversion temperature control technology was used，significantly improving the key technical indicators of acid production，the total conversion rate increasing from 99.66%to 99.86%，tons of acid and alkali consumption reducing by about 200 g in tail gas absorption system，with steam production 39.6 kt/a of waste heat boiler in conversion section.

sulphuric acid production;conversion;cold shock;temperature control;application

TQ111.16

B

1002－1507(2017)02－0015－04

2016－09－12。

馬俊，男，金川集團(tuán)股份有限公司化工廠高級工程師，從事技術(shù)管理工作，電話:0935-8815021，E-mail:hgmj @jnmc.com。