冷激烟气平衡调配转化控温技术研究与应用

马俊，李山东，王程飞，刘娜

(金川集团股份有限公司化工厂，甘肃金昌 737100)

生产实践

冷激烟气平衡调配转化控温技术研究与应用

马俊，李山东，王程飞，刘娜

(金川集团股份有限公司化工厂，甘肃金昌 737100)

介绍了转化工序烟气冷激控温技术及金川集团股份有限公司化工厂实施平衡调配转化控温技术的背景。530 kt/a铜冶炼烟气制酸装置对冷激烟道进行技术改造并应用冷激烟气平衡调配控温技术，显著提升了制酸关键工艺技术指标，总转化率由原来的99.66%提高到99.86%，尾吸系统吨酸碱耗减少约200 g，转化工序余热锅炉增产蒸汽39.6 kt/a。

硫酸生产 转化 冷激 控温 应用

金川集团股份有限公司(以下简称金川集团) 530 kt/a铜冶炼烟气制酸装置已运行10年时间，随着冶炼产能的扩大，生产工况发生较大变化，冶炼烟气制酸系统长期处于高负荷生产状态。2012年配合铜合成炉技术改造，金川集团对530 kt/a铜冶炼烟气制酸装置转化工序进行技术改造，将原来的ⅣⅠ－ⅢⅡ“3+1”转化换热流程改为ⅤⅠ－ⅢⅡⅣ“3+2”转化换热流程［1］。

近几年铜冶炼系统不断优化扩产，冶炼烟气流量和组分发生变化，转化工序操作工况也发生较大变化，制酸装置在运行过程中凸显以下问题:

1)冶炼烟气SO2浓度提高，在转化工序换热器换热面积不变的情况下，进转化器一段烟气温度过高，一段催化剂底层温度经常超过600℃。长期运行既影响催化剂活性，也极易造成转化器一段出口烟道热应力形变;直接影响Ⅰ换热器换热列管、底板及上下花板热应力形变。

2)转化器各段入口烟气温度均在不断升高，尤其是转化器后段入口烟气温度过高，已超过设计范围，导致各段催化剂层温度过高，长期运行会影响催化剂活性。

3)二次转化换热器壳程和管程温度均超过设计范围，导致换热器因过烧而发生设备本体形变，甚至产生径向位移。

针对这些问题，金川集团采取冷激烟气平衡调配转化控温技术对转化工序进行优化改造，既优化了转化工序操作工艺指标，又实现转化热能回收利用。

1 烟气冷激控温技术

平衡转化率、反应速度和温度的关系是矛盾的［2］。对一定组分的进气，在一定的催化剂上转化，每一种转化率都有一个使反应速度最快的温度条件，这个温度叫做最适宜温度。在一定催化剂下，最适宜温度随进气组分和转化率变化而变化。随着转化率上升最适宜温度下降，若要转化过程进行得较快，就应该在转化过程中随着转化率的升高而降低反应温度，使反应过程能在最适宜温度的范围内进行［3］。

降低转化反应温度一般有两种方法:①恒温操作法，在反应的同时移走热量，即把催化剂和降温用的冷介质置于管(或极)的两侧，在催化剂层里反应产生的热量由冷介质带走;②中间换热法或绝热操作法，即把进气加热到反应的起燃温度，再通过催化剂层反应温度升高，然后进入换热器或直接掺入冷介质(烟气或空气)进行降温［2］。

绝热操作过程中的换热降温方式有两种:①利用外置或内置换热器进行冷、热气体热交换，此为中间移热式;②在转化段之间直接掺入冷的进气或冷的干燥空气，达到降温目的，此为中间冷激式。

同是5段转化器，相同的进气组分达到同样的转化率，一段后采用烟气冷激比不用烟气冷激的接触时间要长些。例如，进转化器烟气φ(SO2)为7.5%，冷激式接触时间为3.981 s，中间换热式接触时间为3.896 s，前者比后者时间要长2.18%，但相差不大。因此，对于配置5段转化器的工艺装置，为节省换热器、简化流程、降低系统阻力，可采用烟气冷激式操作控制转化温度和热平衡。

烟气冷激主要作用是降温，只需从主气管线上接出一根支管绕过换热器通入转化器(或下一降温工序)即可。烟气冷激会使转化率下降，在不增加过多的催化剂的情况下减少对总转化率的影响，烟气冷激一般只用在5段转化器的转化一段反应之后(二段之前)。

冷激烟道不仅可以起到为转化气降温的目的，特殊情况下还可以为转化气升温。将电炉出口的高温烟气绕过换热器直接进入转化器，可提升催化剂升温速度，缩短升温时间。同时，冷激烟道可以将高浓度烟气送至转化后段，增加后段的反应热，提高后段催化剂层温度。

因此，运用冷激烟道最小范围地改造转化工序，从而最大程度地适应高负荷生产的烟气条件，是大型冶炼烟气制酸装置可靠的选择。

2 转化工序工况

金川集团530 kt/a铜冶炼烟气制酸装置5段转化器进口烟气温度均过高，一段催化剂底层温度高达615℃，Ⅳ换热器壳程和管程温度均超过设计范围，转化器、换热器本体及附属烟道热应力形变。转化工序操作温度情况见图1。

图1530 kt/a制酸装置转化工序操作温度情况

3 转化冷激烟道技术改造

SO2风机出口至Ⅰ换热器入口增设一根冷激烟道，并且设置冷激阀门。将SO2风机出口部分SO2冷烟气引至Ⅰ换热器，降低Ⅰ换热器壳程温度，从而降低转化器一段入口烟气温度。这样可降低转化器一段出口温度，避免出口烟道变形拉裂，保护Ⅰ换热器本体。

拆除Ⅲ换热器出口至Ⅳ换热器垂直方向的SO2烟道，将Ⅳ换热器SO2入口烟道水平段延长至Ⅲ换热器前端SO2入口处。将一吸塔来的部分SO2冷烟气引至Ⅳ换热器，降低Ⅳ换热器壳程温度，进而降低管程温度及转化器四段、五层入口烟气温度。

拆除Ⅲ换热器入口至Ⅱ换热器入口冷激烟道，Ⅳ换热器入口至Ⅱ换热器入口设置一根冷激烟道。将一吸塔来的部分SO2冷烟气引至Ⅱ换热器，降低Ⅱ换热器壳程温度，从而降低转化器四段入口烟气温度。

增大Ⅳ换热器入口至Ⅱ换热器出口的冷激烟道管径，接口方向改为斜插口，以增加进入转化器四段的低温烟气量，降低转化器四段和五段催化剂温度。

通过以上改造还可将转化工序富余热量移至转化后段余热锅炉，增加余热锅炉蒸汽产量。

4 烟气冷激控制

530kt/a制酸装置转化工序冷激烟道改造后工艺流程见图2。

图2 530kt/a制酸装置转化工序冷激烟道改造后工艺流程

冷激烟气平衡调配控温操作步骤:

1)当一段催化剂表层温度过高时，通过7318，7317，7306冷激阀按顺序进行控制调节。当一段催化剂底层温度超过600℃时，通过降低一段催化剂表层温度进行调节;如果进入系统的烟气SO2浓度过高，通过开补气阀、调节转炉制酸阀、SO2风机前导向进行调节。

2)当二段催化剂层表层温度过低时，关7318，7306冷激阀、开7317冷激阀控制调节。当二段催化剂层表层温度过高时，通过7318，7304冷激阀按顺序进行控制调节。

3)当三段催化剂层表层温度过低时，开7314冷激阀控制调节。当三段催化剂层表层温度过高时，开7308冷激阀控制调节。

4)当四段催化剂层表层温度过高时，通过7308，7314冷激阀按顺序进行控制调节。

5)当五段催化剂层表层温度过高时，开7319冷激阀控制调节。

通过上述冷激阀门的控制调节，催化剂床层保持合适转化温度的同时，将转化反应热量后移，避免前段过热、后段热量不足的问题，实现转化器各段均衡反应的要求［3］。

5 运行情况

金川集团530 kt/a铜冶炼烟气制酸装置应用冷激烟气平衡调配控温技术后，制酸系统与冶炼炉窑匹配能力进一步提升，满足了冶炼高投料条件下的稳定生产。

1)制酸系统总转化率由改造前平均99.66%提升至99.86%，转化器各段反应达到最优平衡条件，指标行业先进。

2)冷激阀门之间的配合操作使进入转化器各段的烟气温度恒定，避免了各段进口烟气温度出现较大波动，增强了制酸系统对烟气SO2浓度波动的适应能力;同时，也确保了转化工序各设备烟气温度基本控制在设计范围内(见图3)，显著优化了转化工序热量平衡分布，降低了电炉投用频次，延长了催化剂及设备使用寿命。

图3 改造后530 kt/a制酸装置转化工序操作温度情况

3)制酸装置总转化率提高，进尾气吸收塔烟气SO2浓度降低，尾气脱硫吨酸耗碱量下降200 g左右。

4)改造后转化工序余热锅炉产蒸汽约64.8 kt/a，与改造前相比增产蒸汽39.6 kt/a。

6 结语

金川集团530 kt/a铜冶炼烟气制酸装置对冷激烟道进行技术改造并应用冷激烟气平衡调配控温技术，显著提升了制酸关键工艺技术指标;严格控制转化器各段入口温度在催化剂活性温度范围内，提高了SO2转化率;高效回收转化工序中温位余热增产蒸汽，节省了物料和能源消耗，提升烟气治理系统资源综合利用水平的同时，显著降低了烟气治理成本。

［1］常全忠，毛艳丽，张宏昌，等.530 kt/a烟气制酸转化工序改造与生产实践［J］.硫酸工业，2012(6):24－26.

［2］汤桂华.硫酸［M］.北京:化学工业出版社，1999:199－202.

［3］孙治忠.现代硫酸生产操作与技术指南［M］.北京:化学工业出版社，2016:122－126.

Research and application of using cold shock gas balance allocation conversion temperature control technology

MA Jun，LI Shandong，WANG Chengfei，LIU Na
(Chemical Plant，Jinchuan Group Go.，Ltd.，Jinchang，Gansu，737100，China)

The technology of cold shock gas temperature control and the background of implementation balance allocation conversion temperature control technology in Jinchuan Group Chemical Plant are introduced.Technical reformation to cold flue shock of 530 kt/a copper smelting off-gas acid was conducted，and cold shock gas balance allocation conversion temperature control technology was used，significantly improving the key technical indicators of acid production，the total conversion rate increasing from 99.66%to 99.86%，tons of acid and alkali consumption reducing by about 200 g in tail gas absorption system，with steam production 39.6 kt/a of waste heat boiler in conversion section.

sulphuric acid production;conversion;cold shock;temperature control;application

TQ111.16

B

1002－1507(2017)02－0015－04

2016－09－12。

马俊，男，金川集团股份有限公司化工厂高级工程师，从事技术管理工作，电话:0935-8815021，E-mail:hgmj @jnmc.com。