800 kt/a硫黃制硫酸裝置干燥塔技術(shù)改造

楊家紅，金 斌，姜 威

（云南磷化集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650600）

云南磷化集團(tuán)有限公司800 kt/a 硫黃制硫酸裝置于2011 年開工建設(shè)，2014 年6 月投料開車成功，前期運(yùn)行比較平穩(wěn)，運(yùn)行2 ～3 年后干燥塔阻力降增加，裝置經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效率明顯下降。分析干燥塔阻力降增加的原因后，2019年6月對(duì)干燥塔填料進(jìn)行更換優(yōu)化，系統(tǒng)阻力降明顯降低，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行負(fù)荷明顯提升，經(jīng)過近9個(gè)月的運(yùn)行，干燥塔出口空氣水分和酸霧含量完全滿足工藝控制要求，各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行指標(biāo)達(dá)到預(yù)期效果。

1 技術(shù)改造前裝置運(yùn)行情況

1.1 干燥塔、填料裝填、分酸器設(shè)計(jì)基本情況

干燥塔為碳鋼制作成卷板再焊接而成，塔總高度為17 600 mm，內(nèi)徑為7 200 mm，內(nèi)襯耐酸磚，填料層高度為5 000 mm；采用階梯瓷環(huán)填料，其中3"階梯瓷環(huán)裝填量約180 m3，裝填高度為4 500 mm，1.5"階梯瓷環(huán)裝填量約20 m3，裝填高度500 mm；分酸器為管槽式，在分酸槽底部至下液管與3"階梯瓷環(huán)分層處以上裝填1.5"階梯瓷環(huán)。

1.2 運(yùn)行情況

800 kt/a 硫黃制硫酸裝置投料開車以來，前期下游生產(chǎn)裝置產(chǎn)能未充分發(fā)揮，硫酸裝置運(yùn)行負(fù)荷基本維持在60% ～70%，干燥塔阻力降增加的問題沒有顯現(xiàn)。隨著下游生產(chǎn)裝置負(fù)荷逐漸提高，裝置運(yùn)行負(fù)荷升至85% ～100%，干燥塔阻力降增加的問題也凸顯出來。運(yùn)行過程中，干燥塔出口空氣水含量分析數(shù)據(jù)均達(dá)標(biāo)，從分酸器層觀察孔視鏡檢查，塔內(nèi)出現(xiàn)填料被吹翻和液泛現(xiàn)象，塔內(nèi)分酸槽部分出現(xiàn)漫槽情況，除霧器除沫負(fù)荷增加，導(dǎo)致塔出口至焚硫爐之間管道冷凝酸積累較多，影響了裝置的安全運(yùn)行，為避免干燥空氣帶液，裝置負(fù)荷控制在93%左右運(yùn)行。

1.3 干燥塔阻力降情況

干燥塔阻力降情況詳見表1。

表1 干燥塔阻力降情況

2 干燥塔阻力降增加原因分析

2.1 環(huán)境因素

800 kt/a 硫酸裝置地處云南昆明晉寧區(qū)二街工業(yè)園區(qū)，園區(qū)內(nèi)主要有磷礦采選、精細(xì)化工等產(chǎn)業(yè)。硫酸裝置與公司的磷礦采選廠相鄰，在原礦堆場(chǎng)，原礦生產(chǎn)裝卸、破碎工序，汽車運(yùn)輸環(huán)節(jié)容易產(chǎn)生揚(yáng)塵，硫酸裝置布置在下風(fēng)側(cè)，導(dǎo)致灰塵擴(kuò)散至裝置區(qū)域內(nèi)，揚(yáng)塵在透平機(jī)組風(fēng)機(jī)抽力的作用下，隨空氣經(jīng)機(jī)組之后，進(jìn)入到干燥塔內(nèi)，與吸收硫酸接觸后進(jìn)入干燥循環(huán)酸槽，由循環(huán)酸泵送入塔內(nèi)，酸液下降過程中，灰塵就滯留在吸收通道中，隨著時(shí)間推移，通道截面積越來越小，局部被堵塞，造成干燥塔進(jìn)出口壓差增大。

2.2 人和管理因素

填料裝填環(huán)節(jié)施工方存在監(jiān)管不到位，裝填人員多、技術(shù)參差不齊，裝填過程中對(duì)瓷環(huán)保護(hù)不到位，導(dǎo)致瓷環(huán)粉碎，致使流通截面積有所減小，甚至出現(xiàn)堵塞，造成干燥塔進(jìn)出口壓差增大。

2.3 頻繁調(diào)整負(fù)荷因素

為滿足上下游裝置生產(chǎn)物料供需平衡，需要頻繁調(diào)整裝置負(fù)荷，過程中系統(tǒng)工藝參數(shù)控制不穩(wěn)定，初期干燥塔進(jìn)口空氣流量、氣速和吸收酸溫度等發(fā)生較大波動(dòng)，致使干燥塔吸收平衡被破壞，產(chǎn)生大量酸霧，導(dǎo)致除霧器負(fù)荷增加，大量酸霧與氣流帶入轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。在負(fù)荷升降過程中，由于觸媒層反應(yīng)溫度控制不穩(wěn)定，酸霧進(jìn)入觸媒層后，部分不冷凝酸霧以游離狀態(tài)隨二氧化硫氣體進(jìn)入觸媒接觸反應(yīng)表面，與觸媒中的硅藻土接觸后，造成觸媒機(jī)械強(qiáng)度衰減和反應(yīng)活性下降，觸媒反應(yīng)接觸表面積減少，經(jīng)過長(zhǎng)期運(yùn)行，部分出現(xiàn)粉化，導(dǎo)致系統(tǒng)整體阻力增加，造成干燥塔進(jìn)出口壓差增大。

3 干燥塔技改方案

經(jīng)過前期資料收集、技術(shù)分析、借鑒類似裝置的經(jīng)驗(yàn)和交流學(xué)習(xí)，編制了技改方案。2019年6月利用裝置大修實(shí)施技改，在透平機(jī)組進(jìn)口前將被動(dòng)式空氣過濾器更換為自潔式空氣過濾器，并對(duì)干燥塔填料進(jìn)行全部更換。

3.1 更換空氣過濾器

為了防止空氣過濾器濾芯堵塞，將原來的被動(dòng)式空氣過濾器更換為自潔式空氣過濾器，定時(shí)用壓縮空氣對(duì)空氣濾芯進(jìn)行吹掃，吹掃時(shí)間間隔設(shè)定與電磁閥進(jìn)行聯(lián)鎖控制，解決了人工定期拆換空氣過濾器濾布過程中粉塵進(jìn)入干燥塔的問題。

3.2 填料選用

在工業(yè)硫酸生產(chǎn)中，干燥塔大多采用耐酸堿性能好的陶瓷填料，由于應(yīng)用習(xí)慣和設(shè)計(jì)方便原因，多數(shù)新建裝置仍采用效率低下的散堆填料，如矩鞍環(huán)、階梯環(huán)等，運(yùn)行效果較差，運(yùn)行過程中系統(tǒng)阻力降增大，干燥空氣水分不穩(wěn)定甚至超標(biāo)，酸泥容易堆積在填料吸收通道間，需要定期清洗和篩揀，且過程中容易造成填料損壞，運(yùn)行工況較差，后期維護(hù)成本較高。施工單位結(jié)合本裝置干燥塔運(yùn)行工況參數(shù)與其他類似裝置填料使用情況反饋，推薦使用S 流線型波紋規(guī)整填料A 型、B 型、ZP100 型3種，S流線型波紋規(guī)整填料的優(yōu)點(diǎn)是阻力降只有傳統(tǒng)規(guī)整填料的1/2，具有抗堵塞性，在同類裝置中擁有成功運(yùn)行案例，理論和技術(shù)比較成熟，應(yīng)用廣泛。

3.3 裝填量及裝填方案

裝填量: S 流線型波紋規(guī)整填料B 型裝填高度為1 500 mm，A型+ZP100型裝填高度為3 000 mm；其上部再鋪設(shè)高度約200 mm 的3"階梯瓷環(huán)，與鑄鐵管式分酸器分酸支管齊平。

裝填方案：S 流線型波紋規(guī)整填料分3 層安裝（見圖1），從下到上依次為氣態(tài)分布層、氣液交換層、液態(tài)分布層。氣態(tài)分布層，利用ZP100型填料大容積、多孔特性，使得氣體在氣態(tài)分布層形成氣室，保證干燥塔氣體流速均勻分布；氣液交換層，S 流線型波紋規(guī)整填料A 型比表面積大，阻力低，填料層與層之間呈180°垂直過渡，使酸泥等流體雜質(zhì)順吸收通道進(jìn)入塔底部，不會(huì)造成堵塞，均勻分布的氣、液在氣液交換層充分混合交換傳質(zhì)，傳質(zhì)效率大幅度提升；液態(tài)分布層，S流線型波紋規(guī)整填料B型比表面積大，通道大，具有強(qiáng)制液相均勻分布的特點(diǎn)，保證分酸均勻，有效避免股流。安裝時(shí)S流線型規(guī)整填料層與層間按照特殊角度旋轉(zhuǎn)安裝，使得氣液在塔內(nèi)呈螺旋狀路徑流走，在氣速、噴淋量不變的情況下，延長(zhǎng)了氣液行走路程，增加了氣液交換時(shí)間，有效提升了干燥效率。

圖1 填料裝填示意

4 技術(shù)改造后裝置經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析

截至2020年2月，透平機(jī)組和干燥塔運(yùn)行工況數(shù)據(jù)顯示，目前運(yùn)行正常，各項(xiàng)參數(shù)優(yōu)于更換前，干燥塔阻力降高、吸收通道堵塞、填料局部被吹起、液泛現(xiàn)象等全部消除，填料層沒有出現(xiàn)分酸不均勻或股流的現(xiàn)象。透平機(jī)組汽輪機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速由4 650 r/min 下降至4 450 r/min，風(fēng)機(jī)出口風(fēng)壓達(dá)到48.5 kPa，可滿足裝置100%負(fù)荷運(yùn)行，裝置運(yùn)行各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)較好，達(dá)到預(yù)計(jì)效果。填料更換前后裝置運(yùn)行情況對(duì)比詳見表2。

表2 填料更換前后干燥塔及裝置經(jīng)濟(jì)運(yùn)行情況對(duì)比

4.1 風(fēng)壓變化

透平機(jī)組汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速為4 450 r/min，出口風(fēng)壓為48.5 kPa，干燥塔出口風(fēng)壓為46.0 kPa，滿足裝置負(fù)荷100%運(yùn)行，塔進(jìn)出口阻力降為2.5 kPa，下降了63%，解決了干燥塔阻力降大和生產(chǎn)負(fù)荷提升難的問題。

4.2 生產(chǎn)能力

填料更換后，在同等汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速下，裝置生產(chǎn)能力提高了11.8%，主要原因是干燥塔阻力降為2.5 kPa，干燥塔出口風(fēng)壓提高了17.3%，進(jìn)入焚硫爐風(fēng)量增加，壓力上升，成品硫酸產(chǎn)量達(dá)到或高于設(shè)計(jì)值，使裝置潛能得到充分發(fā)揮。

4.3 中壓蒸汽變化

在透平機(jī)組進(jìn)口前將被動(dòng)式空氣過濾器更換為自潔式空氣過濾器并更換干燥塔填料后，汽輪機(jī)中壓蒸汽消耗較之前減少，出口風(fēng)壓增加，發(fā)電機(jī)組中壓蒸汽消耗增加。

4.4 粉塵含量變化

運(yùn)行一個(gè)月左右，對(duì)進(jìn)入自潔式空氣過濾器前后的空氣質(zhì)量進(jìn)行3次取樣分析，分析時(shí)間及結(jié)果如下：2019-07-23空氣中ρ（粉塵）過濾前為6.00 mg/m3，過濾后為0.33 mg/m3；2019-07-24 空氣中ρ（粉塵）過濾前為7.60 mg/m3，過濾后為0.25 mg/m3；2019-07-25空氣ρ（粉塵）過濾前為6.40 mg/m3，過濾后為0.28 mg/m3。粉塵過濾量分別為94.5%、96.7%、95.6%，空氣質(zhì)量顯著提高。

4.5 效益分析

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速均在4 450 r/min運(yùn)行時(shí)進(jìn)行比較，技改前硫酸產(chǎn)量約為90.2 t/h，技改后產(chǎn)量約為100.8 t/h，硫酸產(chǎn)量增加了10.6 t/h，按每年裝置滿負(fù)荷運(yùn)行330 d計(jì)算，每年硫酸產(chǎn)量增加83 952 t，硫酸生產(chǎn)成本按400元/t 計(jì)算，增加產(chǎn)值約3 358萬元/a；技改前噸酸中壓蒸汽發(fā)電量約為40 kW·h，技改后約為48 kW·h，增加了8 kW·h，每年增加發(fā)電量671 616 kW·h，按0.35元/（kW·h）計(jì)算，增加直接經(jīng)濟(jì)效益約23.5萬元/a，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

5 結(jié)束語(yǔ)

干燥塔填料更換為S 流線型波紋規(guī)整填料后，裝置一直滿負(fù)荷運(yùn)行，運(yùn)行工況完全滿足生產(chǎn)需要，干燥塔和自潔式空氣過濾器運(yùn)行正常。從質(zhì)檢分析數(shù)據(jù)看，空氣質(zhì)量（粉塵）、空氣水分、干燥塔出口酸霧3 項(xiàng)指標(biāo)均低于技改前。裝置滿負(fù)荷運(yùn)行工況數(shù)據(jù)顯示，透平機(jī)組汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速為4 450 r/min，出口風(fēng)壓為48.5 kPa，干燥塔出口風(fēng)壓為46.0 kPa，塔進(jìn)出口阻力降為2.5 kPa，下降了63%，解決了制約生產(chǎn)的瓶頸，達(dá)到技改要求，提高了裝置的生產(chǎn)能力，實(shí)現(xiàn)了裝置穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。按每年裝置滿負(fù)荷運(yùn)行330 d計(jì)算，增加硫酸產(chǎn)量83 952 t/a，增加產(chǎn)值約3 358萬元/a；增加發(fā)電量671 616 kW·h/a，增加直接經(jīng)濟(jì)效益約23.5 萬元/a，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。