催化劑焙燒爐余熱利用裝置改造實(shí)踐

周文杰，王曉勉，羅 沖，田 坤

(1.貴州威頓催化技術(shù)有限公司，貴州 銅仁 554300；2.貴州威頓催化技術(shù)有限公司技術(shù)中心，貴州 銅仁 554300；3.貴州威頓催化技術(shù)有限公司釩系催化劑工業(yè)設(shè)計(jì)中心，貴州 銅仁 554300)

硫酸是我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程中非常重要的物質(zhì)，廣泛用于金屬冶煉、石油化工、現(xiàn)代能源等領(lǐng)域[1-2]。接觸法生產(chǎn)硫酸的關(guān)鍵是將SO2催化轉(zhuǎn)化為SO3，因而釩催化劑是這一過程高效進(jìn)行的重要材料[3]。在其生產(chǎn)制備過程中，高溫焙燒是較為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，不僅要使催化劑半成品基體中的輔助物質(zhì)及殘留物燒蝕掉，同時(shí)還需對(duì)堿金屬釩硫酸鹽進(jìn)行活化，以保證催化劑的物化性能處于較佳狀態(tài)[4]。通常情況下，經(jīng)干燥處理的催化劑半成品，將進(jìn)入焙燒爐中在500～600 ℃ 溫度條件下進(jìn)行富氧焙燒處理約30～50 min[5]。采用網(wǎng)帶回轉(zhuǎn)式焙燒爐對(duì)催化劑進(jìn)行高溫富氧焙燒處理時(shí)，為滿足出爐產(chǎn)品質(zhì)量技術(shù)要求，在焙燒爐后面的第6段、第7段需對(duì)其進(jìn)行降溫處理，因而降溫階段和廢氣排風(fēng)過程將會(huì)帶走很大一部分的熱量，從而增加了生產(chǎn)的能耗和成本。

1 余熱回收結(jié)構(gòu)及功能

焙燒爐為單層框架組裝式結(jié)構(gòu)，由外部鋼架結(jié)構(gòu)、爐內(nèi)膽、爐體保溫材料結(jié)構(gòu)等組成。窯爐主體長(zhǎng)度為 17500 mm，由7個(gè)長(zhǎng)度為 2500 mm 的鋼架框架模塊單元(箱體)組成(如圖1所示)。爐體沿長(zhǎng)度方向劃分為干燥升溫段、恒溫段和降溫冷卻段三個(gè)區(qū)段。三個(gè)區(qū)段長(zhǎng)度分別為：升溫段 5000 mm(2個(gè)單元)，恒溫段 7500 mm(3個(gè)單元)，降溫段 5000 mm(2個(gè)單元：第6和第7段)。傳動(dòng)系統(tǒng)、電加熱系統(tǒng)有機(jī)組合安裝于爐窯設(shè)備本體結(jié)構(gòu)上，并在網(wǎng)帶爐窯加料斗至窯入口前端區(qū)域采取封堵措施。

焙燒爐示意圖

1.1 電加熱循環(huán)系統(tǒng)

電加熱循環(huán)系統(tǒng)包括加熱系統(tǒng)、循環(huán)風(fēng)機(jī)及導(dǎo)風(fēng)勻風(fēng)系統(tǒng)三個(gè)部分。循環(huán)風(fēng)機(jī)設(shè)置在各個(gè)單元部位，采用耐高溫C式傳動(dòng)多葉片的離心風(fēng)機(jī)(耐溫 700 ℃)。循環(huán)風(fēng)機(jī)風(fēng)量為5000～8000 m3/h，風(fēng)壓為1800～3000 Pa。加熱系統(tǒng)采用整體上風(fēng)道電阻加熱器直接加熱，安裝在箱體側(cè)部循環(huán)風(fēng)道內(nèi)，總裝機(jī)功率約 500 kW。加熱器的配置為升溫段單元(1、2段)、恒溫單元(3、4、5段)、降溫段單元(6、7段)不布置電加熱。導(dǎo)風(fēng)勻風(fēng)系統(tǒng)是設(shè)置在循環(huán)風(fēng)機(jī)出口處設(shè)置導(dǎo)風(fēng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)初步均勻分配在網(wǎng)帶物料上方加裝均風(fēng)裝置，對(duì)熱風(fēng)進(jìn)行二次充分均勻分配。

1.2 冷卻及排風(fēng)系統(tǒng)

根據(jù)焙燒需要，焙燒爐最后2個(gè)單元(第6和第7段)不設(shè)置加熱器，為產(chǎn)品冷卻部位，且在尾吸風(fēng)機(jī)的作用下進(jìn)入第一個(gè)冷卻單元(第七段)，并在此單元內(nèi)自循環(huán)后由隔板平衡孔進(jìn)入第二個(gè)冷卻單元進(jìn)行自循環(huán)，隨后由尾氣風(fēng)機(jī)抽送至干燥爐利用。中間隔板(網(wǎng)帶下部)中部位置開熱風(fēng)平衡孔，第二個(gè)冷卻單元箱體末端頂部開換熱置換風(fēng)出口，經(jīng)一個(gè)調(diào)節(jié)蝶閥進(jìn)入尾氣風(fēng)機(jī)。在干燥爐中，為使剛成型輸入的催化劑基體中水分快速蒸發(fā)和排走，干燥區(qū)需要增大引風(fēng)量。升溫區(qū)、恒溫區(qū)、冷卻區(qū)共一臺(tái)尾氣風(fēng)機(jī)，將焙燒爐余熱送往干燥爐干燥利用。

2 焙燒爐余熱利用存在的問題

網(wǎng)帶式富氧焙燒爐是催化劑生產(chǎn)中應(yīng)用較為常見的設(shè)備，功能是將催化劑基體中的部分物質(zhì)在高溫條件下燒蝕掉，同時(shí)對(duì)基體中的堿金屬釩硫酸鹽做活化處理。其主要涉及催化劑樣品干燥和高溫焙燒兩個(gè)步驟，在此過程中會(huì)產(chǎn)生大量水蒸氣和含硫氧化物(SO2和SO3)混合氣體，這對(duì)焙燒爐基體和余熱的循環(huán)利用帶來了較大的挑戰(zhàn)。

現(xiàn)有網(wǎng)帶式焙燒爐在催化劑焙燒處理時(shí)，降溫段末端出料口呈現(xiàn)正壓狀態(tài)，大量的煙氣和熱量外泄于環(huán)境中，使得爐體及相關(guān)設(shè)備長(zhǎng)期處在高溫、高腐蝕極限環(huán)境中，對(duì)設(shè)備造成了較大的影響。同時(shí)，因焙燒爐降溫段的熱量未得到有效循環(huán)，使得催化劑在出爐時(shí)的溫度過高，沒有達(dá)到生產(chǎn)工藝要求的降溫效果，從而導(dǎo)致催化產(chǎn)品的色澤和質(zhì)量受到一定程度的影響。此外，由于焙燒爐長(zhǎng)期暴露在具有腐蝕性煙氣環(huán)境，使得爐體內(nèi)、外損壞嚴(yán)重，從而導(dǎo)致設(shè)備保溫效果下降，熱量的利用率降低、能耗生產(chǎn)成本大幅增加。如圖2所示。

圖2 網(wǎng)帶式焙燒爐煙氣及設(shè)備腐蝕情況

3 技術(shù)改造

為滿足硫酸催化劑的生產(chǎn)要求，穩(wěn)定產(chǎn)品的質(zhì)量性能，降低生產(chǎn)能耗和成本，在現(xiàn)有焙燒爐主體結(jié)構(gòu)及工藝管道的基礎(chǔ)上，拆除爐體壁面保溫層，并在降溫單元的第6段和第7段腔室分別開設(shè)一個(gè)200×200的方孔，作為降溫段余熱再利用的吸入口。通過與原有尾氣吸入口協(xié)作，使降溫段腔室內(nèi)的高溫氣流快速循環(huán)并轉(zhuǎn)移出去，從而使催化劑出口處于常負(fù)壓狀態(tài)。這樣既能實(shí)現(xiàn)熱量的循環(huán)利用，同時(shí)能滿足催化劑產(chǎn)品降溫的技術(shù)要求，具體如圖3所示。

圖3 降溫段余熱吸入口的設(shè)置圖

同時(shí)，在網(wǎng)帶式富氧焙燒爐的進(jìn)料口，即升溫單元的第1段和第2段人口左側(cè)靠下層區(qū)域分別開設(shè)一個(gè)200×200 mm 的方孔，用方管延伸至網(wǎng)帶下層中間位置，外部與第6段和第7段的余熱風(fēng)管連接，風(fēng)管緊貼焙燒爐外壁，便于節(jié)省空間和保溫處理。這樣不僅美觀，還節(jié)省材料，并在風(fēng)機(jī)的作用下實(shí)現(xiàn)降溫單元熱量的循環(huán)利用。余熱循環(huán)管道的設(shè)計(jì)見圖4所示。

圖4 降溫單元與升溫單元余熱循環(huán)管道的設(shè)計(jì)(紅色)

此外，在焙燒爐、干燥爐上下各掛一個(gè)壓力計(jì)，主要是觀察負(fù)壓情況。只有在爐體內(nèi)部處于微負(fù)壓的狀態(tài)，干燥、焙燒過后的水蒸氣才能被排除，干燥、焙燒過程中排除的氣體才能得到有效的控制，如圖5(a)所示。同時(shí)，在進(jìn)料口上層內(nèi)側(cè)，距離輸送帶8～10 cm 處增加一個(gè)1890×20 mm 吸風(fēng)口，用管道連接到現(xiàn)有的尾氣管道上，作為第1段尾氣吸收和負(fù)壓控制通道，如圖5(b)所示。

圖5 壓力表及升溫段尾氣吸收控制通道設(shè)計(jì)圖

4 效果

通過本次改造后，焙燒爐六、七爐膛溫度從以前的220～220 ℃ 的范圍降到了120～150 ℃ 范圍，因沒有設(shè)立區(qū)域獨(dú)立的電耗計(jì)量，所以無法定義每小時(shí)能耗的節(jié)省情況，但從改造后六七區(qū)的溫度及產(chǎn)量能耗能看出余熱得到了有效利用。同時(shí)車間環(huán)境也得到了提升，產(chǎn)品的出爐溫度也有所降低。具體的應(yīng)用效果如表1所示。

表1 催化劑焙燒爐余熱技改前后能效情況

5 結(jié)語

通過技術(shù)改造，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)踐驗(yàn)證及對(duì)催化劑產(chǎn)品性能的跟蹤研究，余熱器技術(shù)改造后應(yīng)用效果顯著，設(shè)備運(yùn)行性能穩(wěn)定。具體成效有以下幾個(gè)方面：一是余熱器技術(shù)改造后爐窯出口催化劑產(chǎn)品溫度更低、成色均勻穩(wěn)定；二是降溫段的熱量被快速轉(zhuǎn)移至加熱器實(shí)現(xiàn)了熱量的循環(huán)使用，促使?fàn)t窯熱量利用率提升約10%；三是余熱器和爐窯的檢修相對(duì)于技改之前來說更加便捷化；四是余熱循環(huán)利用后焙燒爐每噸能耗降低 50 kW·h，按照產(chǎn)能設(shè)計(jì) 3000 t 計(jì)算，每年節(jié)約能耗 15000 kW·h。