大型硫酸装置奥氏体不锈钢转化器设计分析

夏 雷

(东华工程科技股份有限公司，安徽 合肥 230024)

设 计 技 术

大型硫酸装置奥氏体不锈钢转化器设计分析

夏 雷

(东华工程科技股份有限公司，安徽 合肥 230024)

介绍了80万t/a大型硫酸装置奥氏体不锈钢转化器的设计，重点围绕转化器选材、气体进口、隔板与密封结构、滑动支座等方面，就如何有效提高转化率、保证转化器长期稳定运行进行设计分析与优化，并提出了设计要点。

硫酸装置；不锈钢；转化器；设计

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

80万t/a硫磺制酸装置是湖北大峪口化工有限责任公司扩产改造项目的配套工程之一，该装置由东华工程科技股份有限公司(以下简称东华科技)承接设计，是国内目前单系列大型硫酸装置之一。工程于2012年3月机械竣工，同年5月一次投料开车成功，投产至今系统运行平稳，转化器运行良好，转化率达到设计保证值99.90%，项目各项指标考核均达到设计要求。

项目初步设计阶段，恰逢新国标GB 26132—2010《硫酸工业污染物排放标准》发布，环保审批要求严格，业主对此非常重视，要求在项目设计中予以高度关注。为此，项目组在工程设计中本着稳妥可靠、安全运行、技术先进的原则，在项目设计中采用了不少新工艺和新技术，转化器就是其中一项。笔者参与了该装置中转化器的设计工作，下面从设计角度谈一谈大型硫酸装置奥氏体不锈钢转化器的设计。

1 转化器设计参数和基本结构

转化器内径12 800mm，高度24 260mm，采用全不锈钢材料制作。转化床层采用丹麦托普索公司进口的高效低压降催化剂，装填总量530m3，总进气量224 198Nm3/h。转化器设计参数见表1。

表1 转化器设计参数

为满足新环保法的严格要求，整个系统工艺采用先进的“3+2”两转两吸流程，转化器对应采用五段转化结构。考虑到转化器一段首先接触SO2等工艺混合气体，且转化温度最高，催化剂比较容易风化、积灰、中毒，加上后期需对催化剂进行筛分、要确保更换维修方便及工艺配管合理顺畅等综合因素，转化器一段设置在最下端。整个转化器转化床层的分布由下往上依次为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ。

图1 转化器基本结构

转化器采用全不锈钢积木式结构。主要由圆形筒体、隔板、支撑格栅、支柱和桩柱等组成，自下而上由若干支柱支撑隔板和格栅，隔板采用不锈钢板焊接成为整体，以保证层与层间气体不串气、漏气，隔板与壳体留有间隙，用密封圈焊接密封。格栅架设在支柱凸台上，上铺不锈钢丝网和催化剂，为防催化剂出现漩涡，在其上、下面均铺设50mm耐热瓷球。每段进气口处均设有合理的气体分布导流板，以保证转化气体在转化器内尽可能分布均匀。同时，在转化器底部设置径向滑动支座，采用中心呈矩形辐射均匀分布，不仅保证了设备的径向滑移，又能有效降低其热应力，同时也为设备底部的外保温施工提供了足够的空间。这种结构的优点是大部分构件可采用制造厂分片预制，现场组焊，安装方便，制造质量整体可控，大型化不受限制。转化器基本结构见图 1。

2 设计分析

在硫酸装置中，转化器是主要核心设备之一，工作原理是利用催化剂的活性将SO2氧化成SO3，其设计的好坏将直接影响到SO2的转化率、工艺指标的实现及系统的安全稳定运行，特别是实施的新环保法，对转化器设计提出了更高的要求。为此，笔者总结了先前多套硫酸转化器设计经验，并借鉴国外先进技术，提出了转化器设计要点。

2.1 材质选择

本项目转化器主体材质选用奥氏体不锈钢，主要基于以下两方面考虑。

一方面，奥氏体不锈钢转化器与传统碳钢转化器相比，具有耐高温、结构简单、不易串气漏气、维护工作量小的特点，这样既保证了系统稳定运行，同时也改善了工厂操作环境。以上特点在东华科技设计的多套硫酸装置中已得到了充分证实，如越南海防硫酸项目、铜陵华兴硫酸等。

另一方面，由于转化器操作温度高，在高温下，奥氏体不锈钢不仅具有较高力学机械性能，同时具有良好的耐高温氧化性。

选用不锈钢时要选用低碳奥氏体不锈钢，不能选用超低碳奥氏体不锈钢。因为超低碳奥氏体不锈钢耐温上限仅为450℃，而低碳奥氏体不锈钢可以达到700℃。在国内，低碳奥氏体不锈钢主要选用304(S30408)或304H(S30409)，通过对照国内外相关标准发现，304(S30408)与304H(S30409)二者无论是板材还是管材，其力学性能(如抗拉强度、屈服强度、断后伸长率、硬度值等)和许用应力完全一致，化学成分基本相同(见表2、3)，而在性价比上，304(S30408)较304H(S30409)相对经济些，更趋大众化、易于采购。本着安全可靠、经济合理的设计原则，本项目转化器主体材质选用304(S30408)奥氏体不锈钢来满足设计要求。若从选材优化角度考虑，转化器第一段材料可考虑选用304H(S30409)。

表2 304(S30408)与304H(S30409)板材化学成分对比(质量分数/%)

表3 304(S30408)与304H(S30409)管材化学成分对比(质量分数/%)

在选用304(S30408) 或304H(S30409)奥氏体不锈钢时，要特别明确强调如下几点：①板材和管材化学成分(质量分数)中须保证含碳量≥0.04%(含焊接材料)；②热处理状态>1 040℃，快冷；③平均晶粒度7级或更粗。

强调上述几点，主要基于奥氏体不锈钢高温屈服强度来考虑。因为在使用温度高于500℃时，若含碳量过低，奥氏体不锈钢高温屈服强度下降过快，力学性能和抗氧化性随之显著下降，所以要对含碳量作出稍高些要求，同时也是考虑其耐蚀、耐热及高温力学性能。在表2、3中可以发现，304(S30408)奥氏体不锈钢化学成分中往往只规定了碳含量(质量分数)上限为0.08%，而对碳含量下限未作规定，这就要求设计人员引起足够重视，在转化器设计和设备图纸技术交底中须重点加以注意，消除项目潜在风险。

2.2 气体进出口设计分析

气体进出口设计一般要从两方面来考虑：一是工艺效果，转化器气体分布直接影响催化剂的利用率以及更换周期，进而影响系统操作成本；二是设备筒体局部强度，受力要安全可靠。为此，本项目转化器各段气体进出口均设置为侧向式，在设备筒体上开设扁平的长圆孔，考虑到开口较大，在管口中间设置若干组竖向加强筋，同时在管口水平方向也设置若干组横向加强筋，横向筋与竖向筋通过焊接与接管连接成一体，从而保证整个气体进出口的强度；另外，考虑到气体进出口接管与转化器筒体连接可靠，在气体进出口外壁与转化器筒体外壁间设置若干周向加强筋，这样一来，既可以保证整个气体进出口强度，又可以优化和缓解气体进出口与转化器筒体间的应力分布。

为满足气体进口工艺气分布的要求，在上述竖向加强筋端部又设置若干组对应的气体分布导流板，导流板分别设置为不同的偏向角度，同时在气体进口管底部设置水平向导流板。多个装置转化器的实践证明，导流板的设置对转化器内气流的分布具有显著影响，通过改变导流板的倾角，可以使气体在各段催化剂表面尽量分布均匀，以降低气体通过催化剂床层时的阻力，又可避免因气体分布不均、气体短路，而导致反应分布不均。气体进出口简图见图2。

图2 气体进出口简图

设置竖向气体分布导流板偏向角度，不能千篇一律，要结合转化器设备工艺管口方位图来合理确定。一般来说，对于同一段进出管口分布夹角较小的，可考虑多数气体分布板、导流板偏向背离夹角方向；对于同一段进出管口分布角度相对较大或几乎呈180°方向布置时，可考虑气体分布板、导流板向两边对称偏向设置。总之，奥氏体分布导流板的设置，是为了使工艺气体在各段间尽可能分布均匀，避免出现气体短路现象，实现转化效率最大化。

2.3 隔板与筒体密封结构

转化器隔板采用不锈钢板材拼焊而成，整体支撑在支柱上，隔板与筒体间留有适当间隙，采用较薄的密封圈焊接密封。隔板与密封结构见图3。

图3 隔板与密封结构

隔板在设计中要充分考虑两侧的压差、温差。压差越大，隔板越厚，刚性也越大，反之越小；温差越大，热膨胀导致的变形越大，所产生的热应力就越大，反之越小。在工程设计上，应尽可能减少隔板两侧温差，从而有利于减小隔板与筒体焊接处的应力，以确保隔板不泄漏串气。

转化器隔板与筒体连接结构，不宜采用直接焊接连接结构，而宜采用厚度较薄的密封圈焊接密封，因为隔板两侧温差影响，导致隔板与筒体上下的膨胀变形不同。若将隔板与转化器筒体直接焊接连接成一体，在隔板两侧温差、压差及筒体内压的共同作用下，必然会引起筒体的环向应力、径向应力及隔板弯曲应力，这类应力的特点是满足外力平衡，随外力增加而增大，且无自限性；当其值超过材料的屈服极限时，将产生过度塑性变形而破坏。为避免出现过度塑性变形破坏，采用厚度较薄、刚性较小的密封圈是一种可靠有效的优化措施。另外，密封圈与隔板和筒体的焊接质量也是不可忽视的因素，在设计中要加以提醒注意，因为密封圈刚性小，厚度较隔板和筒体薄，在与隔板和筒体焊接时，要采用合理的焊接工艺，保证焊缝质量连续饱满，否则在长期受热的工况下，焊缝会因强度不足而出现拉裂，最终发生泄漏串气现象。

2.4 底板与筒体连接

转化器底板与隔板有点类似，采用不锈钢板材拼焊而成。但底板与筒体不采用密封圈连接，而是采用直接焊接连接，主要是基于转化器筒体和附件完全要由底板提供支撑。底板与筒体连接结构见图4。

图4 底板与筒体连接结构

底板在设计中同样要充分考虑底板两侧的温差、压差影响。对于压差来说，是系统设定的，没法改变。但对温差而言，可以通过设置耐温材料达到优化改善。由于一段出口温度最高(614℃)，在此温度下，304(S30408)材料的强度和应力较小，对转化器整体设计不利。通过设计优化，在底板上表面设置两层轻质耐温砖后，经过传热计算，底板表面温度可以降到400℃左右，从而大大降低了底板两侧温差的影响。这样做有2个好处：①有效降低底板表面温度，材料强度得到明显提高，其许用应力几乎提高了一倍，底板加强型钢梁规格可以相应减小，这样一来既节省了材料，又降低了成本；②底板表面温度降低，可以降低底板的热应力，减少底板受热膨胀，从而可以减少支座的滑动，缓解支座的作用力，能有效延长支座使用寿命。

对于底板与筒体连接来说，因长期处于筒体内压和热应力作用，为确保底板与筒体连接牢靠，不发生拉裂现象，要对连接处内外两侧采用合理的焊接工艺，确保全焊透。焊接完毕后，要将内外角焊接接头打磨成圆角，以减少接头处焊接应力，从而更好地保证转化器安全平稳运行。

2.5 滑动支座

转化器滑动支座采用中心呈矩形辐射均匀分布，一共设置36组，主要由支腿、上滑板、下滑板等部件构成。滑动支座布置见图5，剖面图见图6。

图5 滑动支座布置

图6 滑动支座剖面图

与传统型钢架支座相比较，这种类型支座在结构形式上有了很大的优化，滑动效果有了明显改善。突出优点是：滑动阻力小，在高温热应力作用下，推动滑动支座上的上滑板与下滑板相对自由滑动，起到缓解高温热膨胀变形、释放热应力的作用，有效降低转化器内部总体应力，进而达到延长转化器使用寿命的目的。上述类型滑动支座已在东华科技设计的多个硫酸奥氏体不锈钢转化器中得到成功应用，如越南海防硫酸项目、昌鑫冠化工40万t/a硫磺制酸、国电福泉烟气制酸等。实践证明，这种滑动支座结构合理，安全可靠。

但这类滑动支座在设计中仍须注意以下几点：①对上、下滑板的滑动面要提出严格的机加工精度等级；②上、下滑板装配前，确保滑板的滑动面清洁干净，并加入润滑脂；③上、下滑板建议采用不锈钢材质，因为碳钢材质滑板在制造厂机加工好、运至现场后，若不能及时装配，再加保管不当，长时间风吹雨淋，会产生锈蚀，滑动效果会大打折扣；④转化器支腿应精心设计计算，确保其具有足够的强度和刚度，能承受大载荷作用下的热胀冷缩运动；⑤为保证转化器滑动支座的最佳滑动效果，所有滑动支座滑动面应尽量保证在同一平面，因此，转化器在设计阶段提土建一次条件时，务必对土建基础预埋板安装水平度允差提出明确要求。

近年来，美国孟莫克公司对转化器滑动支座已做出了优化改进，结构基本类似，只是采用一种更高效的滑块(LUBRICATED BEARING PLATE)结构，该滑块采用特殊铸铁材质，是美国另外一家公司的专利设计产品，虽然造价相对较高，但滑动效果好，耐高温，滑块间无需添加润滑剂，免除滑动支座后期的维护保养，且使用寿命长。在与美国孟莫克公司的交流接触中了解到，这种滑动支座目前在国外硫酸转化器中应用较多。

3 结语

随着硫酸工业设计技术的不断创新、进步，转化器的设计优化会不断深入，其结构设计也会更加完善，转化效率会得到进一步提高，性能会更加稳定、高效、可靠。

[1]王颖，蒋进，等.不锈钢转化器在中小型硫酸装置上的应用前景[J].硫酸工业，2004(2)：18-21.

[2]俞群.硫酸装置中不锈钢转化器的设计[J].硫酸工业，2000(5)：26-28.

[3]黄志远.不锈钢制转化器[J].硫酸工业，1999(1)：34-37.

[4]李联波.转化器设计中若干问题的探讨[J].有色设备，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，安徽安庆人，1997年毕业于福州大学化工设备与机械专业，高级工程师，现主要从事化工设备设计、技术咨询等工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.02.004

TQ086

A

1004-8901(2017)02-0012-05