大型硫酸裝置奧氏體不銹鋼轉(zhuǎn)化器設(shè)計(jì)分析

夏 雷

(東華工程科技股份有限公司，安徽 合肥 230024)

設(shè) 計(jì) 技 術(shù)

大型硫酸裝置奧氏體不銹鋼轉(zhuǎn)化器設(shè)計(jì)分析

夏 雷

(東華工程科技股份有限公司，安徽 合肥 230024)

介紹了80萬t/a大型硫酸裝置奧氏體不銹鋼轉(zhuǎn)化器的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)圍繞轉(zhuǎn)化器選材、氣體進(jìn)口、隔板與密封結(jié)構(gòu)、滑動(dòng)支座等方面，就如何有效提高轉(zhuǎn)化率、保證轉(zhuǎn)化器長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行進(jìn)行設(shè)計(jì)分析與優(yōu)化，并提出了設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

硫酸裝置；不銹鋼；轉(zhuǎn)化器；設(shè)計(jì)

doi：doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.02.004

80萬t/a硫磺制酸裝置是湖北大峪口化工有限責(zé)任公司擴(kuò)產(chǎn)改造項(xiàng)目的配套工程之一，該裝置由東華工程科技股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱東華科技)承接設(shè)計(jì)，是國(guó)內(nèi)目前單系列大型硫酸裝置之一。工程于2012年3月機(jī)械竣工，同年5月一次投料開車成功，投產(chǎn)至今系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，轉(zhuǎn)化器運(yùn)行良好，轉(zhuǎn)化率達(dá)到設(shè)計(jì)保證值99.90%，項(xiàng)目各項(xiàng)指標(biāo)考核均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)階段，恰逢新國(guó)標(biāo)GB 26132—2010《硫酸工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》發(fā)布，環(huán)保審批要求嚴(yán)格，業(yè)主對(duì)此非常重視，要求在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中予以高度關(guān)注。為此，項(xiàng)目組在工程設(shè)計(jì)中本著穩(wěn)妥可靠、安全運(yùn)行、技術(shù)先進(jìn)的原則，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中采用了不少新工藝和新技術(shù)，轉(zhuǎn)化器就是其中一項(xiàng)。筆者參與了該裝置中轉(zhuǎn)化器的設(shè)計(jì)工作，下面從設(shè)計(jì)角度談一談大型硫酸裝置奧氏體不銹鋼轉(zhuǎn)化器的設(shè)計(jì)。

1 轉(zhuǎn)化器設(shè)計(jì)參數(shù)和基本結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)化器內(nèi)徑12 800mm，高度24 260mm，采用全不銹鋼材料制作。轉(zhuǎn)化床層采用丹麥托普索公司進(jìn)口的高效低壓降催化劑，裝填總量530m3，總進(jìn)氣量224 198Nm3/h。轉(zhuǎn)化器設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 轉(zhuǎn)化器設(shè)計(jì)參數(shù)

為滿足新環(huán)保法的嚴(yán)格要求，整個(gè)系統(tǒng)工藝采用先進(jìn)的“3+2”兩轉(zhuǎn)兩吸流程，轉(zhuǎn)化器對(duì)應(yīng)采用五段轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)。考慮到轉(zhuǎn)化器一段首先接觸SO2等工藝混合氣體，且轉(zhuǎn)化溫度最高，催化劑比較容易風(fēng)化、積灰、中毒，加上后期需對(duì)催化劑進(jìn)行篩分、要確保更換維修方便及工藝配管合理順暢等綜合因素，轉(zhuǎn)化器一段設(shè)置在最下端。整個(gè)轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化床層的分布由下往上依次為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ。

圖1 轉(zhuǎn)化器基本結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)化器采用全不銹鋼積木式結(jié)構(gòu)。主要由圓形筒體、隔板、支撐格柵、支柱和樁柱等組成，自下而上由若干支柱支撐隔板和格柵，隔板采用不銹鋼板焊接成為整體，以保證層與層間氣體不串氣、漏氣，隔板與殼體留有間隙，用密封圈焊接密封。格柵架設(shè)在支柱凸臺(tái)上，上鋪不銹鋼絲網(wǎng)和催化劑，為防催化劑出現(xiàn)漩渦，在其上、下面均鋪設(shè)50mm耐熱瓷球。每段進(jìn)氣口處均設(shè)有合理的氣體分布導(dǎo)流板，以保證轉(zhuǎn)化氣體在轉(zhuǎn)化器內(nèi)盡可能分布均勻。同時(shí)，在轉(zhuǎn)化器底部設(shè)置徑向滑動(dòng)支座，采用中心呈矩形輻射均勻分布，不僅保證了設(shè)備的徑向滑移，又能有效降低其熱應(yīng)力，同時(shí)也為設(shè)備底部的外保溫施工提供了足夠的空間。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是大部分構(gòu)件可采用制造廠分片預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)組焊，安裝方便，制造質(zhì)量整體可控，大型化不受限制。轉(zhuǎn)化器基本結(jié)構(gòu)見圖 1。

2 設(shè)計(jì)分析

在硫酸裝置中，轉(zhuǎn)化器是主要核心設(shè)備之一，工作原理是利用催化劑的活性將SO2氧化成SO3，其設(shè)計(jì)的好壞將直接影響到SO2的轉(zhuǎn)化率、工藝指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)及系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，特別是實(shí)施的新環(huán)保法，對(duì)轉(zhuǎn)化器設(shè)計(jì)提出了更高的要求。為此，筆者總結(jié)了先前多套硫酸轉(zhuǎn)化器設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，提出了轉(zhuǎn)化器設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

2.1 材質(zhì)選擇

本項(xiàng)目轉(zhuǎn)化器主體材質(zhì)選用奧氏體不銹鋼，主要基于以下兩方面考慮。

一方面，奧氏體不銹鋼轉(zhuǎn)化器與傳統(tǒng)碳鋼轉(zhuǎn)化器相比，具有耐高溫、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不易串氣漏氣、維護(hù)工作量小的特點(diǎn)，這樣既保證了系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)也改善了工廠操作環(huán)境。以上特點(diǎn)在東華科技設(shè)計(jì)的多套硫酸裝置中已得到了充分證實(shí)，如越南海防硫酸項(xiàng)目、銅陵華興硫酸等。

另一方面，由于轉(zhuǎn)化器操作溫度高，在高溫下，奧氏體不銹鋼不僅具有較高力學(xué)機(jī)械性能，同時(shí)具有良好的耐高溫氧化性。

選用不銹鋼時(shí)要選用低碳奧氏體不銹鋼，不能選用超低碳奧氏體不銹鋼。因?yàn)槌吞紛W氏體不銹鋼耐溫上限僅為450℃，而低碳奧氏體不銹鋼可以達(dá)到700℃。在國(guó)內(nèi)，低碳奧氏體不銹鋼主要選用304(S30408)或304H(S30409)，通過對(duì)照國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)，304(S30408)與304H(S30409)二者無論是板材還是管材，其力學(xué)性能(如抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、硬度值等)和許用應(yīng)力完全一致，化學(xué)成分基本相同(見表2、3)，而在性價(jià)比上，304(S30408)較304H(S30409)相對(duì)經(jīng)濟(jì)些，更趨大眾化、易于采購(gòu)。本著安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)原則，本項(xiàng)目轉(zhuǎn)化器主體材質(zhì)選用304(S30408)奧氏體不銹鋼來滿足設(shè)計(jì)要求。若從選材優(yōu)化角度考慮，轉(zhuǎn)化器第一段材料可考慮選用304H(S30409)。

表2 304(S30408)與304H(S30409)板材化學(xué)成分對(duì)比(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

表3 304(S30408)與304H(S30409)管材化學(xué)成分對(duì)比(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

在選用304(S30408) 或304H(S30409)奧氏體不銹鋼時(shí)，要特別明確強(qiáng)調(diào)如下幾點(diǎn)：①板材和管材化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))中須保證含碳量≥0.04%(含焊接材料)；②熱處理狀態(tài)>1 040℃，快冷；③平均晶粒度7級(jí)或更粗。

強(qiáng)調(diào)上述幾點(diǎn)，主要基于奧氏體不銹鋼高溫屈服強(qiáng)度來考慮。因?yàn)樵谑褂脺囟雀哂?00℃時(shí)，若含碳量過低，奧氏體不銹鋼高溫屈服強(qiáng)度下降過快，力學(xué)性能和抗氧化性隨之顯著下降，所以要對(duì)含碳量作出稍高些要求，同時(shí)也是考慮其耐蝕、耐熱及高溫力學(xué)性能。在表2、3中可以發(fā)現(xiàn)，304(S30408)奧氏體不銹鋼化學(xué)成分中往往只規(guī)定了碳含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))上限為0.08%，而對(duì)碳含量下限未作規(guī)定，這就要求設(shè)計(jì)人員引起足夠重視，在轉(zhuǎn)化器設(shè)計(jì)和設(shè)備圖紙技術(shù)交底中須重點(diǎn)加以注意，消除項(xiàng)目潛在風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 氣體進(jìn)出口設(shè)計(jì)分析

氣體進(jìn)出口設(shè)計(jì)一般要從兩方面來考慮：一是工藝效果，轉(zhuǎn)化器氣體分布直接影響催化劑的利用率以及更換周期，進(jìn)而影響系統(tǒng)操作成本；二是設(shè)備筒體局部強(qiáng)度，受力要安全可靠。為此，本項(xiàng)目轉(zhuǎn)化器各段氣體進(jìn)出口均設(shè)置為側(cè)向式，在設(shè)備筒體上開設(shè)扁平的長(zhǎng)圓孔，考慮到開口較大，在管口中間設(shè)置若干組豎向加強(qiáng)筋，同時(shí)在管口水平方向也設(shè)置若干組橫向加強(qiáng)筋，橫向筋與豎向筋通過焊接與接管連接成一體，從而保證整個(gè)氣體進(jìn)出口的強(qiáng)度；另外，考慮到氣體進(jìn)出口接管與轉(zhuǎn)化器筒體連接可靠，在氣體進(jìn)出口外壁與轉(zhuǎn)化器筒體外壁間設(shè)置若干周向加強(qiáng)筋，這樣一來，既可以保證整個(gè)氣體進(jìn)出口強(qiáng)度，又可以優(yōu)化和緩解氣體進(jìn)出口與轉(zhuǎn)化器筒體間的應(yīng)力分布。

為滿足氣體進(jìn)口工藝氣分布的要求，在上述豎向加強(qiáng)筋端部又設(shè)置若干組對(duì)應(yīng)的氣體分布導(dǎo)流板，導(dǎo)流板分別設(shè)置為不同的偏向角度，同時(shí)在氣體進(jìn)口管底部設(shè)置水平向?qū)Я靼?。多個(gè)裝置轉(zhuǎn)化器的實(shí)踐證明，導(dǎo)流板的設(shè)置對(duì)轉(zhuǎn)化器內(nèi)氣流的分布具有顯著影響，通過改變導(dǎo)流板的傾角，可以使氣體在各段催化劑表面盡量分布均勻，以降低氣體通過催化劑床層時(shí)的阻力，又可避免因氣體分布不均、氣體短路，而導(dǎo)致反應(yīng)分布不均。氣體進(jìn)出口簡(jiǎn)圖見圖2。

圖2 氣體進(jìn)出口簡(jiǎn)圖

設(shè)置豎向氣體分布導(dǎo)流板偏向角度，不能千篇一律，要結(jié)合轉(zhuǎn)化器設(shè)備工藝管口方位圖來合理確定。一般來說，對(duì)于同一段進(jìn)出管口分布夾角較小的，可考慮多數(shù)氣體分布板、導(dǎo)流板偏向背離夾角方向；對(duì)于同一段進(jìn)出管口分布角度相對(duì)較大或幾乎呈180°方向布置時(shí)，可考慮氣體分布板、導(dǎo)流板向兩邊對(duì)稱偏向設(shè)置?？傊?，奧氏體分布導(dǎo)流板的設(shè)置，是為了使工藝氣體在各段間盡可能分布均勻，避免出現(xiàn)氣體短路現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化效率最大化。

2.3 隔板與筒體密封結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)化器隔板采用不銹鋼板材拼焊而成，整體支撐在支柱上，隔板與筒體間留有適當(dāng)間隙，采用較薄的密封圈焊接密封。隔板與密封結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 隔板與密封結(jié)構(gòu)

隔板在設(shè)計(jì)中要充分考慮兩側(cè)的壓差、溫差。壓差越大，隔板越厚，剛性也越大，反之越??；溫差越大，熱膨脹導(dǎo)致的變形越大，所產(chǎn)生的熱應(yīng)力就越大，反之越小。在工程設(shè)計(jì)上，應(yīng)盡可能減少隔板兩側(cè)溫差，從而有利于減小隔板與筒體焊接處的應(yīng)力，以確保隔板不泄漏串氣。

轉(zhuǎn)化器隔板與筒體連接結(jié)構(gòu)，不宜采用直接焊接連接結(jié)構(gòu)，而宜采用厚度較薄的密封圈焊接密封，因?yàn)楦舭鍍蓚?cè)溫差影響，導(dǎo)致隔板與筒體上下的膨脹變形不同。若將隔板與轉(zhuǎn)化器筒體直接焊接連接成一體，在隔板兩側(cè)溫差、壓差及筒體內(nèi)壓的共同作用下，必然會(huì)引起筒體的環(huán)向應(yīng)力、徑向應(yīng)力及隔板彎曲應(yīng)力，這類應(yīng)力的特點(diǎn)是滿足外力平衡，隨外力增加而增大，且無自限性；當(dāng)其值超過材料的屈服極限時(shí)，將產(chǎn)生過度塑性變形而破壞。為避免出現(xiàn)過度塑性變形破壞，采用厚度較薄、剛性較小的密封圈是一種可靠有效的優(yōu)化措施。另外，密封圈與隔板和筒體的焊接質(zhì)量也是不可忽視的因素，在設(shè)計(jì)中要加以提醒注意，因?yàn)槊芊馊傂孕。穸容^隔板和筒體薄，在與隔板和筒體焊接時(shí)，要采用合理的焊接工藝，保證焊縫質(zhì)量連續(xù)飽滿，否則在長(zhǎng)期受熱的工況下，焊縫會(huì)因強(qiáng)度不足而出現(xiàn)拉裂，最終發(fā)生泄漏串氣現(xiàn)象。

2.4 底板與筒體連接

轉(zhuǎn)化器底板與隔板有點(diǎn)類似，采用不銹鋼板材拼焊而成。但底板與筒體不采用密封圈連接，而是采用直接焊接連接，主要是基于轉(zhuǎn)化器筒體和附件完全要由底板提供支撐。底板與筒體連接結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 底板與筒體連接結(jié)構(gòu)

底板在設(shè)計(jì)中同樣要充分考慮底板兩側(cè)的溫差、壓差影響。對(duì)于壓差來說，是系統(tǒng)設(shè)定的，沒法改變。但對(duì)溫差而言，可以通過設(shè)置耐溫材料達(dá)到優(yōu)化改善。由于一段出口溫度最高(614℃)，在此溫度下，304(S30408)材料的強(qiáng)度和應(yīng)力較小，對(duì)轉(zhuǎn)化器整體設(shè)計(jì)不利。通過設(shè)計(jì)優(yōu)化，在底板上表面設(shè)置兩層輕質(zhì)耐溫磚后，經(jīng)過傳熱計(jì)算，底板表面溫度可以降到400℃左右，從而大大降低了底板兩側(cè)溫差的影響。這樣做有2個(gè)好處：①有效降低底板表面溫度，材料強(qiáng)度得到明顯提高，其許用應(yīng)力幾乎提高了一倍，底板加強(qiáng)型鋼梁規(guī)格可以相應(yīng)減小，這樣一來既節(jié)省了材料，又降低了成本；②底板表面溫度降低，可以降低底板的熱應(yīng)力，減少底板受熱膨脹，從而可以減少支座的滑動(dòng)，緩解支座的作用力，能有效延長(zhǎng)支座使用壽命。

對(duì)于底板與筒體連接來說，因長(zhǎng)期處于筒體內(nèi)壓和熱應(yīng)力作用，為確保底板與筒體連接牢靠，不發(fā)生拉裂現(xiàn)象，要對(duì)連接處內(nèi)外兩側(cè)采用合理的焊接工藝，確保全焊透。焊接完畢后，要將內(nèi)外角焊接接頭打磨成圓角，以減少接頭處焊接應(yīng)力，從而更好地保證轉(zhuǎn)化器安全平穩(wěn)運(yùn)行。

2.5 滑動(dòng)支座

轉(zhuǎn)化器滑動(dòng)支座采用中心呈矩形輻射均勻分布，一共設(shè)置36組，主要由支腿、上滑板、下滑板等部件構(gòu)成?；瑒?dòng)支座布置見圖5，剖面圖見圖6。

圖5 滑動(dòng)支座布置

圖6 滑動(dòng)支座剖面圖

與傳統(tǒng)型鋼架支座相比較，這種類型支座在結(jié)構(gòu)形式上有了很大的優(yōu)化，滑動(dòng)效果有了明顯改善。突出優(yōu)點(diǎn)是：滑動(dòng)阻力小，在高溫?zé)釕?yīng)力作用下，推動(dòng)滑動(dòng)支座上的上滑板與下滑板相對(duì)自由滑動(dòng)，起到緩解高溫?zé)崤蛎涀冃?、釋放熱?yīng)力的作用，有效降低轉(zhuǎn)化器內(nèi)部總體應(yīng)力，進(jìn)而達(dá)到延長(zhǎng)轉(zhuǎn)化器使用壽命的目的。上述類型滑動(dòng)支座已在東華科技設(shè)計(jì)的多個(gè)硫酸奧氏體不銹鋼轉(zhuǎn)化器中得到成功應(yīng)用，如越南海防硫酸項(xiàng)目、昌鑫冠化工40萬t/a硫磺制酸、國(guó)電福泉煙氣制酸等。實(shí)踐證明，這種滑動(dòng)支座結(jié)構(gòu)合理，安全可靠。

但這類滑動(dòng)支座在設(shè)計(jì)中仍須注意以下幾點(diǎn)：①對(duì)上、下滑板的滑動(dòng)面要提出嚴(yán)格的機(jī)加工精度等級(jí)；②上、下滑板裝配前，確?；宓幕瑒?dòng)面清潔干凈，并加入潤(rùn)滑脂；③上、下滑板建議采用不銹鋼材質(zhì)，因?yàn)樘间摬馁|(zhì)滑板在制造廠機(jī)加工好、運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)后，若不能及時(shí)裝配，再加保管不當(dāng)，長(zhǎng)時(shí)間風(fēng)吹雨淋，會(huì)產(chǎn)生銹蝕，滑動(dòng)效果會(huì)大打折扣；④轉(zhuǎn)化器支腿應(yīng)精心設(shè)計(jì)計(jì)算，確保其具有足夠的強(qiáng)度和剛度，能承受大載荷作用下的熱脹冷縮運(yùn)動(dòng)；⑤為保證轉(zhuǎn)化器滑動(dòng)支座的最佳滑動(dòng)效果，所有滑動(dòng)支座滑動(dòng)面應(yīng)盡量保證在同一平面，因此，轉(zhuǎn)化器在設(shè)計(jì)階段提土建一次條件時(shí)，務(wù)必對(duì)土建基礎(chǔ)預(yù)埋板安裝水平度允差提出明確要求。

近年來，美國(guó)孟莫克公司對(duì)轉(zhuǎn)化器滑動(dòng)支座已做出了優(yōu)化改進(jìn)，結(jié)構(gòu)基本類似，只是采用一種更高效的滑塊(LUBRICATED BEARING PLATE)結(jié)構(gòu)，該滑塊采用特殊鑄鐵材質(zhì)，是美國(guó)另外一家公司的專利設(shè)計(jì)產(chǎn)品，雖然造價(jià)相對(duì)較高，但滑動(dòng)效果好，耐高溫，滑塊間無需添加潤(rùn)滑劑，免除滑動(dòng)支座后期的維護(hù)保養(yǎng)，且使用壽命長(zhǎng)。在與美國(guó)孟莫克公司的交流接觸中了解到，這種滑動(dòng)支座目前在國(guó)外硫酸轉(zhuǎn)化器中應(yīng)用較多。

3 結(jié)語

隨著硫酸工業(yè)設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷創(chuàng)新、進(jìn)步，轉(zhuǎn)化器的設(shè)計(jì)優(yōu)化會(huì)不斷深入，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也會(huì)更加完善，轉(zhuǎn)化效率會(huì)得到進(jìn)一步提高，性能會(huì)更加穩(wěn)定、高效、可靠。

[1]王穎，蔣進(jìn)，等.不銹鋼轉(zhuǎn)化器在中小型硫酸裝置上的應(yīng)用前景[J].硫酸工業(yè)，2004(2)：18-21.

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[4]李聯(lián)波.轉(zhuǎn)化器設(shè)計(jì)中若干問題的探討[J].有色設(shè)備，2008(5)：20-23.

修改稿日期： 2017-02-15

Design and Analysis of Austenitic Stainless Steel Converter of Large-scale Sulphur Acid Plant

XIA Lei

(EastChinaEngineeringScienceandTechnologyCo.，Ltd.，HefeiAnhui230024，China)

This essay introduces the design of austenitic stainless steel converter of 800 kt/a in large-scale sulphur acid plant.Designs in aspects such as the selection of converter material，gas input，baffle plate and sealing structure，sliding support are specifically discussed.The article also puts forward designing factors and analysis for effective improving of converting rate as well as a guarantee for its long-term stable operation.

sulphur acid plant；stainless steel；converter；design

夏雷(1973年—)，男，安徽安慶人，1997年畢業(yè)于福州大學(xué)化工設(shè)備與機(jī)械專業(yè)，高級(jí)工程師，現(xiàn)主要從事化工設(shè)備設(shè)計(jì)、技術(shù)咨詢等工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.02.004

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1004-8901(2017)02-0012-05