基于催化劑的硫酸裝置優(yōu)化運行策略

MARTEN GRANROTH，MARIE VOGNSEN

（托普索有限公司，丹麥）

提高裝置盈利能力是硫酸生產(chǎn)企業(yè)運營的重要任務(wù)。目前，硫酸以及大部分下游產(chǎn)品的價格均處于低位，這使得優(yōu)化裝置性能、保持競爭力變得尤為重要?；谏倭客顿Y甚至無需投資的裝置優(yōu)化運行策略，無論短期還是長期都是提高裝置盈利能力的重要手段。通過優(yōu)化裝置運行策略可以延長運行周期、縮短開車時間、降低大修成本和減少催化劑損失（包括運行過程活性衰減以及篩分損失，特別是在目前機械篩分越來越成為首選的情況下）等，而催化劑選擇和使用是其中重要的策略之一。首先，采用合適的催化劑配合操作可以縮短開車時間，降低燃料消耗。其次，通過降低設(shè)備和催化劑的壓降，可以減少電耗，節(jié)約能源。最后，通過提高轉(zhuǎn)化器的轉(zhuǎn)化率，可以降低尾氣洗滌系統(tǒng)中的吸收劑消耗，從而節(jié)約運行成本和降低潛在的副產(chǎn)物處理費用。

催化劑的選型與使用方式會從多個方面影響硫酸裝置的經(jīng)濟性。如采取合適的篩分補充策略可減少每次大修所需更換的新催化劑的數(shù)量，這將產(chǎn)生直接的收益；裝填高性能的催化劑來提高酸產(chǎn)量、降低尾氣洗滌系統(tǒng)的吸收劑消耗量、裝填防塵催化劑降低床層壓降及延長運行周期等則將帶來間接的收益?？傊?，催化劑相關(guān)的優(yōu)化措施將對裝置的長期盈利能力產(chǎn)生積極影響。

為說明催化劑相關(guān)的不同策略可能對裝置帶來的不同程度的收益，筆者依據(jù)多個廠家的運行數(shù)據(jù)列舉了3種典型案例進行分析。這3個案例著重分析了與盈利能力相關(guān)的關(guān)鍵問題：壓降、裝置運行周期、開車時間與尾洗吸收劑消耗量。

1 解決壓降快速升高的問題

某800 kt/a硫磺制酸裝置曾出現(xiàn)一段床層壓降快速升高的問題，壓降快速升高后嚴重縮減裝置的運行周期。壓降快速升高，導(dǎo)致風(fēng)機風(fēng)量下降，迫使裝置每9個月就需停車篩分一段床層催化劑。裝置的壓降變化曲線見圖1。該裝置急需應(yīng)對壓降快速升高的解決方案。

圖1 800 kt/a硫磺制酸裝置一段床層壓降變化

1.1 提高進氣濃度，降低風(fēng)量

降低壓降的最直接的方式就是降低系統(tǒng)的通風(fēng)量。如不改變其他條件而僅僅減少風(fēng)量將降低酸產(chǎn)量，這并非理想的方式。另一種解決方案是在減少通風(fēng)量的同時提高進氣SO2濃度，保持酸產(chǎn)量的穩(wěn)定。但如果提高進氣中SO2濃度后，需要提高催化劑床層的性能才能保證轉(zhuǎn)化率不下降。

催化劑的活性及最大裝填空間決定了進氣SO2濃度和SO2排放水平。通過補充催化劑，可降低床層進口溫度、提高進氣SO2濃度、降低O2/SO2比率，而維持SO2排放水平不變，實現(xiàn)一定轉(zhuǎn)化率時O2/SO2比率與所需催化劑量的關(guān)系見圖2。

圖2 實現(xiàn)一定轉(zhuǎn)化率時O2/SO2比率與所需催化劑量的關(guān)系

通過額外補充催化劑來適應(yīng)較低的O2/SO2比率有兩個弊端：首先是可能沒有足夠的裝填空間；其次是額外補充的催化劑會在一定程度上與降低的壓降相抵消。采用活性更高的催化劑來降低O2/SO2比率則不用擔(dān)心裝填空間不足和壓降大幅上升。若裝置中裝填的催化劑是舊催化劑、失活催化劑或低性能催化劑，將部分催化劑更換為新的高活性標準催化劑即可提高裝置性能。

如需大幅提高裝置性能，用新的標準催化劑有可能仍難以滿足要求，可以裝填高活性的銫促進型催化劑或更加先進的LEAP5催化劑。提高SO2濃度可能獲得良好效果，如將“3+1”轉(zhuǎn)二吸裝置的末段床層標準催化劑改為同樣數(shù)量的高活性銫促進型催化劑，可使硫磺制酸裝置的進氣φ(SO2)從10.0%提升至11.5%，而轉(zhuǎn)化率維持不變。如酸產(chǎn)量不變，進氣φ(SO2)從10.0%提高到11.5%，風(fēng)量將降低13%，進而系統(tǒng)壓降降低大約20%，這不僅會延長案例裝置的運行周期，還會使其每年的電耗減少約 5.5×106kWh。

對于其他裝置，在不降低風(fēng)量的情況下，如果通過提高進氣SO2濃度來實現(xiàn)增產(chǎn)將會顯著提高裝置的盈利能力。如進氣φ(SO2)提高15%，則酸產(chǎn)量增長15%，工廠需將部分標準催化劑更換為銫促進型催化劑，催化劑總量也需增加。若催化劑總量不變，將部分標準催化劑更換為銫促進型催化劑，在轉(zhuǎn)化率不變時，進氣φ(SO2)最高可提高12.5%，相應(yīng)酸產(chǎn)量提高12.5%。

1.2 采用防塵催化劑降低壓降，延長運行周期

雖然通過提高進氣SO2濃度來降低風(fēng)量的方式可以降低系統(tǒng)壓降并輕微提高裝置運行周期，但這無法徹底解決因灰塵沉積而導(dǎo)致的壓降問題。通過提高硫磺制酸裝置的液硫質(zhì)量、冶煉煙氣制酸裝置的凈化效果、氣體的過濾效果等措施會減少進入系統(tǒng)的灰塵量，但這往往需要大量投資，在當前的經(jīng)濟形勢下，可能很難證明其合理性。一個能夠有針對性地解決灰塵問題而又不需要大量投資的做法是：在一段床層頂部裝填一層防塵催化劑。裝填防塵催化劑還有一個優(yōu)勢：作業(yè)時間短、工作量少。因此即便大修時間很短，也可以采用這種措施。

防塵催化劑并不會降低進入轉(zhuǎn)化器的灰塵量。其原理是：使用較大粒徑的催化劑顆粒來提高灰塵的滲透深度、增高催化劑的容塵量。將催化劑顆粒外徑從12 mm提高至25 mm，滲透深度將會提高約100%，相應(yīng)粉塵容量及裝置運行周期將有所提高。裝填防塵催化劑后，不但可以延長運行周期、節(jié)約大修時間，也會增加酸產(chǎn)量、減少大修費用，其經(jīng)濟效益顯著。裝填防塵催化劑前后的運行時間對比見圖3。

圖3 一段床層使用防塵催化劑對壓降的影響

從圖3可以看出：理論計算的裝置運行周期大約提高了100%。在10年內(nèi)，延長的裝置運行周期會將一段床層的催化劑篩分次數(shù)從13次降低為6次，如果每次大修需要10 d，這相當于增加了70 d的生產(chǎn)時間。此外，減少因催化劑篩分導(dǎo)致的大修也會進一步節(jié)省篩分施工費用、補充催化劑費用、開停車燃料消耗等。

示例裝置在遭受一段床層壓降高的問題時，可使用容塵量大的防塵催化劑來延長裝置運行周期，但并非所有裝置都能這樣。某些裝置可能存在其他導(dǎo)致無法延長運行周期的瓶頸問題，但這些裝置仍然可以通過裝填防塵催化劑來降低裝置的平均壓降，并從中受益。根據(jù)圖3中的工業(yè)數(shù)據(jù)建立了一個簡便的計算公式，以說明這些裝置如何從采用防塵催化劑中受益。通過降低壓降所節(jié)省的電耗可使用下列公式計算。

式中：Q——每年節(jié)省的電量，kWh/a；

G——風(fēng)量，m3/h；

Δp——壓降差，mmHg。

在裝置的整個運行周期內(nèi)，壓降差并非恒定。為了能夠計算出電耗節(jié)約量，首先需要估算出壓降差。假定在無防塵催化劑時，整個裝置運行周期內(nèi)的床層平均壓降約為10 kPa，如使用防塵催化劑，其平均壓降約為4.5 kPa。因此，在裝置的整個運行周期內(nèi)，平均壓降差為5.5 kPa。使用上述壓降差數(shù)據(jù)并以案例裝置為例，可以計算出每年的電耗節(jié)約量為4.0×106kWh。如果將相同的趨勢及數(shù)據(jù)用于常見的運行周期為2年的裝置，圖3所示的壓降增速比大部分裝置要高。假設(shè)裝置運行周期末期的最大壓降為10 kPa，平均每年電耗降低約1.65×106kWh，節(jié)能效果顯著。裝填防塵催化劑不但會降低整個運行周期內(nèi)的平均壓降，也會提高催化劑床層的容塵量。容塵量增大將會降低裝置因灰塵量高而導(dǎo)致的過早停車大修的風(fēng)險，這也是一定程度上的降成本。

2 縮短開車時間

硫酸裝置經(jīng)常面臨的另一個問題是頻繁短期開停車，這可能是由前述的壓降高導(dǎo)致的，更多時候是由上下游工藝和設(shè)備問題導(dǎo)致。停車會導(dǎo)致花費大量時間和燃料再次用于開車，開車程序優(yōu)化可減少開車時間。

裝置開車時，在通入SO2煙氣前需使用燃料進行裝置升溫，對于多數(shù)裝置而言，末段床層的升溫通常難度很大，也直接影響通入SO2煙氣所需時間。而裝填的催化劑型號會顯著影響所要求的床層溫度，如果將末段的標準催化劑更換為銫促進型催化劑，可以降低末段床層所允許的溫度，進而降低開車時間及升溫時間。這可從圖4所述裝置的工業(yè)數(shù)據(jù)中看出。

圖4 末段床層采用及未采用VK69的工業(yè)開車數(shù)據(jù)對比

圖4中的數(shù)據(jù)顯示，將末段床層中的標準催化劑更換為銫促進型催化劑VK69，可以使三段和四段床層的進氣溫度降低30 ℃，同時不會對開車時的尾氣排放SO2濃度產(chǎn)生負面影響。

通過動態(tài)模型分析不同床層溫度下的尾氣排放情況，可以看出，開車時銫促進型催化劑VK69的床層溫度比采用標準催化劑時低50 ℃，而尾氣排放量相同。開車時采用標準催化劑、四段床層溫度410 ℃與采用銫促進型催化劑、四段床層溫度360℃的動態(tài)模擬見圖5。

圖5 兩種情況下所產(chǎn)生的尾氣排放

在通入SO2煙氣前，末段床層溫度低50 ℃時，不同裝置的升溫時間的縮短程度不盡相同，視開車升溫系統(tǒng)和規(guī)程而定。但是工業(yè)數(shù)據(jù)表明，降低的床層溫度會使總的升溫時間縮短約8 h。對于大多數(shù)裝置而言，縮短升溫時間不僅縮短了開停車時間，也節(jié)約了升溫用燃料的消耗。

在末段床層采用銫促進型催化劑的另一個好處是在停車過程中可以延長裝置的短期停車時間，而不必使用燃料對裝置進行升溫。末段床層的銫促進型催化劑在低溫下活性很高，這將會彌補各床層中溫度的下降。末段床層使用不同數(shù)量的銫促進型催化劑對短期停車時間的相對影響見圖6。

由圖6可見：如末段床層全部更換為銫促進型催化劑，短期停車時間可延長約25%。

3 降低尾氣洗滌裝置運行成本

圖6 部分裝填銫促進型催化劑對延長短期停車時間的影響

國內(nèi)多數(shù)硫酸裝置通過安裝尾氣洗滌系統(tǒng)來解決開停車時的尾氣排放問題或應(yīng)對嚴苛的尾氣排放標準。尾氣洗滌系統(tǒng)所需的吸收劑會嚴重影響裝置的運行成本。通常安裝尾氣洗滌系統(tǒng)，能夠解決尾氣排放超標的燃眉之急，可能不再追求較高的轉(zhuǎn)化率，但提高催化劑性能在多數(shù)情況下仍然會帶來收益。

從對于1套350 kt/a的硫酸裝置，將末段床層的低活性催化劑更換為同等數(shù)量的高性能催化劑，轉(zhuǎn)化率會從99.7%提升到99.9%，進入尾氣洗滌系統(tǒng)的SO2濃度將會降低65%。采用高性能催化劑解決方案，降低進入尾氣洗滌系統(tǒng)的SO2濃度，相當于尾氣洗滌系統(tǒng)每年節(jié)約580 t燒堿。按價格3 000元/t計算，減少的燒堿消耗量相當于每年節(jié)約174萬元。

4 結(jié)語

通過圍繞催化劑采取一系列措施可顯著降低裝置運行成本，如采用防塵催化劑可以緩解灰塵問題和提高裝置運行周期，使用高性能催化劑可以降低尾洗吸收劑的消耗量等。某些措施的效果雖然不是十分明顯，但如果多種方式組合使用，其效益仍將非?？捎^?？傊?，合理的催化劑策略是實現(xiàn)硫酸裝置降本增效的可行方案。