制酸系統(tǒng)轉化率提升技術改進與創(chuàng)新

張雪峰

（金川集團銅業(yè)有限公司，甘肅金昌 737100）

金川集團銅業(yè)有限公司硫酸分廠（以下簡稱硫酸分廠）目前有2套冶煉煙氣制酸系統(tǒng)，設計規(guī)模分別為530 kt/a和300 kt/a，目前2套制酸系統(tǒng)生產能力已達1 200 kt/a。530 kt/a制酸系統(tǒng)于2005年9月投產，主要回收銅合成爐和轉爐所產生的煙氣。采用ⅤⅠ-ⅢⅡⅣ、“3+2”兩次轉化換熱流程，300 kt/a制酸系統(tǒng)于2006年12月投產，主要處理轉爐方面的煙氣。采用ⅣⅠ-ⅢⅡ、“3+1”兩次轉化換熱流程。近年來，隨著熔煉系統(tǒng)投料量的提高、原料的日趨復雜化，煙氣濃度不斷提高，與之配套的530 kt/a和300 kt/a制酸系統(tǒng)因設計能力限制，給熔煉“提濃增量”造成一定阻礙。

1 制酸系統(tǒng)存在的主要問題

530 kt/a制酸系統(tǒng)煙氣φ(SO2)最高達到14.6%，300 kt/a制酸系統(tǒng)煙氣φ(SO2)最高達到12%，系統(tǒng)超負荷運行成為常態(tài)化。由于SO2轉化為SO3為放熱反應，在煙氣處理量和SO2濃度提高后，轉化器各段溫度偏高進一步抑制了轉化率，加之轉化工序催化劑、設備設施老化的原因，轉化器各段溫度的調控越發(fā)困難，造成轉化率不斷下降，具體表現在以下幾個方面：

1）轉化工序換熱器運行狀態(tài)惡化、串氣問題加劇。換熱器長期在高溫環(huán)境下運行，造成其內部結構損壞嚴重，尤其是530 kt/a裝置Ⅰ換熱器內部出現換熱管扭曲、氧化脫層，管壁變?。ㄔ瓝Q熱管管壁厚度為3.50 mm，檢修測得部分換熱管管壁厚度僅為1.05 mm）、花板變形拉裂、內漏串氣等諸多問題。殼程與管程之間出現串氣，一方面會降低系統(tǒng)轉化率，另一方面會使部分SO2未經過轉化直接進入尾氣吸收工序，造成尾氣吸收消耗液堿大幅增加，系統(tǒng)運行成本升高。

2）催化劑活性降低、轉化率下降，運行成本升高。隨著長期高溫運行，轉化器內的催化劑板結、粉化加劇，造成壓降升高，轉化率大幅下降。轉化率指標與同行業(yè)先進企業(yè)的指標差距越來越大，制酸系統(tǒng)運行成本也隨著尾吸堿耗的增加而上升。

3）轉化電爐頻繁泄漏。隨著設備設施老化、轉化系統(tǒng)超負荷運行，熱量產生富余，加之頻繁開停車等狀況下溫差較大，轉化系統(tǒng)頻繁出現電爐爐門漏煙的問題。絕大多數情況下，轉化電爐漏煙必須等待系統(tǒng)停產、停風機后方可進行處理，造成轉化電爐區(qū)域環(huán)境較差，對周邊環(huán)境及職工身體健康造成不利影響。

鑒于以上原因，對轉化系統(tǒng)進行技術改進與創(chuàng)新以提高制酸系統(tǒng)的轉化率，最大限度實現冶煉煙氣回收治理，在確保制酸系統(tǒng)連續(xù)、平穩(wěn)運行的基礎上，實現制酸系統(tǒng)經濟、環(huán)保運行，保證合成爐系統(tǒng)高負荷、連續(xù)平穩(wěn)運行。

2 改造方案

2.1 新型耐高溫多通道換熱器的應用

新換1臺新型耐高溫、多通道的Ⅰ換熱器，該換熱器的材質、結構及施工過程均進行了創(chuàng)新、優(yōu)化：

1）換熱器材質的優(yōu)化。為解決原碳鋼材質換熱器存在的殼體易腐蝕、拉裂，換熱管易氧化脫層等問題，新型換熱器的殼體、花板和換熱管采用304不銹鋼材質[1]。材質的優(yōu)化極大地提升了設備的熱應力耐受性能和抗氧化腐蝕性能，可有效避免設備因持續(xù)高溫運行出現上述故障。

2）新型多通道設計。使用新型多通道設計，在換熱面積保持3 822 m2不變的情況下，大大降低了換熱器設備的總質量（舊換熱器共計212.2 t，新換熱器共計153.2 t），不但節(jié)省了材料成本，還提升了設備的換熱能力，提高了換熱效率。

3）軌道整體平移施工技術的應用。施工前先鋪設2趟平移軌道，用于舊換熱器移出與新換熱器就位，待拆除舊的Ⅰ換熱器連通煙道及冷激煙道后，利用滑輪組將其通過卷揚機牽引整體移出，再利用滑輪組將新Ⅰ換熱器利用軌道拉入原Ⅰ換熱器基礎，之后重新恢復煙道，恢復保溫。施工方案的創(chuàng)新大大減少了施工時間及難度，將530 kt/a制酸系統(tǒng)的年度檢修時間提前近10 d，并為其他大型設備、設施的檢修更換積累了寶貴經驗。

2.2 換熱器串氣修復技術的應用

針對換熱器串氣的問題，此次改造未采用用堵頭上下封堵的檢修模式，當換熱列管泄漏量過大，單純使用堵管的方式堵漏，雖然解決了串氣問題，但會導致換熱器換熱面積變小，降低換熱效率，得不償失。通過打壓試漏確認換熱器的泄漏部位后，對不同泄漏部位分而治之解決了換熱器的串氣問題，具體方法如下：

1）對于花板存在裂縫的換熱器，如300 kt/a制酸系統(tǒng)的Ⅰ，Ⅳ換熱器，在上、下花板裂縫處安裝膨脹盒子，不但封堵了泄漏部位，還能夠有效避免焊接修復的裂縫處因熱應力再次拉裂的風險。

2）對列管泄漏量較大的換熱器，如530 kt/a制酸系統(tǒng)的Ⅲ換熱器，采用“打脹管”的方法進行處理。根據多年的檢修經驗發(fā)現，換熱列管泄漏較多的位置一般位于換熱器花板與換熱管的連接處，“打脹管”是指利用機械外力將預先加工好的與換熱管內徑一致的管件強行打入換熱管內部將漏點堵塞，對換熱管位于花板處的漏點進行封堵，這樣既降低了串氣率，又不會大幅降低換熱器的換熱面積，效果顯著。換熱器“打脹管”示意見圖1。

圖1 換熱器“打脹管”示意

2.3 轉化器催化劑檢修技術的優(yōu)化

歷年來，硫酸分廠的制酸系統(tǒng)對轉化器中催化劑的檢修通常只進行篩分、補充、積灰清理等工作，造成催化劑更新速度慢，雖然每年都裝填少量新催化劑，但零散的添加無法遏制催化劑活性整體下降的趨勢，因而轉化率仍在逐年下降。此次對轉化系統(tǒng)進行改造，著手從催化劑的選型和檢修模式2個方面進行優(yōu)化：

1）使用國產催化劑替代原進口催化劑，實現催化劑使用的國產化，在保證催化劑活性的同時大大降低了催化劑使用成本。

2）改造施工一改往年對催化劑只進行篩分和零星補充的檢修模式，淘汰整層高溫段活性較低的催化劑，將低溫段催化劑篩分后整層更換至高溫段，同時使用新催化劑對低溫段進行整層補充。利用上述方式，可在3~5年內將制酸系統(tǒng)轉化器的催化劑逐步完成全部更新，整體提升轉化器中催化劑的活性。

2.4 催化劑床層表層熱電偶安裝位置的優(yōu)化

用于監(jiān)測催化劑床層表層溫度的熱電偶原安裝于表層以下50~100 mm處，隨著近年來不斷實施技術改造，催化劑床層的高度有所提升，而且在部分催化劑床層的表層還增加了保溫瓷球，造成熱電偶檢測的溫度實際為催化劑床層內部的溫度，對催化劑床層表層溫度的控制失真。此次改造，轉化器催化劑床層總計18個熱電偶的位置均進行了優(yōu)化，將熱電偶的位置調整至表層催化劑網或瓷球網的上部，監(jiān)測的催化劑床層表層溫度更加接近真實情況，增強了對轉化器各催化劑床層溫度的精細化控制。

2.5 轉化器控溫技術的優(yōu)化提升

針對轉化系統(tǒng)存在的三段、四段溫度較難控制的問題，對相應冷激煙道進行了優(yōu)化，具體改造方案為：配置1段Ⅲ換熱器出口至Ⅳ換熱器入口的DN1 500煙道，采用304不銹鋼材質，并在進入Ⅱ換熱器和Ⅳ換熱器的冷激線與該煙道進入Ⅱ換熱器的煙道三通前增加1個電動蝶閥。

SO2濃度提升后轉化系統(tǒng)熱量富余，尤其是轉換器一段轉化熱量過大，進一步造成整個轉化系統(tǒng)的溫度較難控制。通過在轉化器一段出口增加1臺余熱鍋爐，在將一段產生的過多熱量移出的同時副產蒸汽，為制酸系統(tǒng)增加新的利潤增長點。

2.6 轉化系統(tǒng)升溫電爐技術改造

為解決長期困擾硫酸分廠的轉化升溫電爐爐門頻繁泄漏的問題，此次改造為2套制酸系統(tǒng)轉化升溫電爐至風機入口各配置1條碳鋼材質的DN150脫氣管道。改造實施后，有效解決了制酸系統(tǒng)電爐爐門頻繁漏煙的狀況，現場環(huán)境大為改善。

3 改造后轉化系統(tǒng)運行效果

改造后轉化系統(tǒng)工藝流程見圖2。

圖2 改造后轉化系統(tǒng)工藝流程

對2套制酸系統(tǒng)的轉化系統(tǒng)實施檢修和改造后，各個換熱器的串氣問題得到控制，提高了換熱效率，有效提升了對轉化系統(tǒng)熱平衡的控制能力，轉化率得到了明顯的恢復和提升，同時降低了二氧化硫泄漏的風險，現場環(huán)境得到明顯改善。

轉化系統(tǒng)改造前后轉化器各段累計轉化率和壓降數據分別見表1和表2。

由表1和表2可見：530 kt/a制酸系統(tǒng)總轉化率由98.72%提升至99.79%，300 kt/a制酸系統(tǒng)總轉化率由98.21%提升至99.30%，轉化器各段壓降得到更好的控制，改造效果明顯。

表1 改造前后轉化器各段累計轉化率數據

表2 改造前后轉化器各段壓降數據

在轉化率提高的同時降低了進入尾吸工序的二氧化硫濃度。530 kt/a制酸系統(tǒng)尾氣吸收塔入口的ρ(SO2)由原來的1 500 mg/m3降低至1 000 mg/m3以下，300 kt/a制酸系統(tǒng)尾氣吸收塔入口的ρ(SO2)由原來的 2 500 mg/m3降低至 1 500 mg/m3以下，制酸系統(tǒng)的尾氣脫硫成本也大幅下降。

4 結語

轉化率是評價制酸系統(tǒng)運行狀況的核心指標之一。隨著制酸系統(tǒng)運行年限的增加、系統(tǒng)負荷的調整，出現換熱器故障、轉化系統(tǒng)熱量富余、換熱能力不足、催化劑活性降低等諸多問題，導致轉化率下降。硫酸分廠采用新型的工藝設備和創(chuàng)新的施工和修復技術提高了換熱器的換熱效率；通過優(yōu)化工藝管線、優(yōu)化轉化器中催化劑的檢修和催化劑床層控溫的技術，有效提高了制酸系統(tǒng)的轉化率，降低了運行成本，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為其他硫酸生產裝置的技術改造積累了寶貴經驗。