干法制酸装置开车转化工序控制难点及措施

李 颖

（中石化南京化工研究院有限公司，江苏南京210048）

关键字：硫酸装置 转化工序 升温 调节阀 催化剂 转化率

干法制酸装置一般包括焚烧（裂解）、净化、干吸和转化4个主要工序，以及脱硝、尾气吸收等附加工序。转化工序的主要任务是将SO2转化生成SO3，是整个制酸装置的关键工序，具有举足轻重的作用。在硫酸装置开车时，转化工序的调试常常是牵一发而动全身，调试工作需要非常谨慎。为此，笔者总结了硫酸装置开车时需要注意的重要事项和不正常工况的解决措施，供企业参考。

1 转化反应温度的调节

1.1 转化工序升温的常规步骤

目前常见的转化工序分为“3+1”四段转化和“3+2”五段转化，相应地，转化器也分为四段转化器和五段转化器。在装置开车阶段，转化工序需要先通过加热电炉供热，将转化器的各段进口温度升高到工艺指标值（410～470 ℃），保证各段达到催化剂的起燃点，转化反应才能顺利进行。因此，转化工序开车最重要的工作是提高和控制转化器各段进口的烟气温度，尤其是转化器一段进口的烟气温度。在升温最初阶段，一般将主鼓风机风量调至60%～70%负荷，转化一段加热电炉开启组数不超过总组数的一半，转化器每小时温升可达到30～50℃。根据温升情况，逐步增加电炉的开启组数，当转化器一段进口的烟气温度达300 ℃时逐渐关小风量，使一段催化剂按10～20 ℃/h的速度升高温度。当转化器一段进口的烟气温度达到工艺设定的410℃时，通知焚烧岗位通气并关闭补风口，打通制酸全流程，系统联动开车。

1.2 副线阀在升温过程中的调节要点

系统连通后，应注意控制风机在升温初期要低负荷运行。SO2首先进入转化器一段发生转化反应，开大Ⅰ换热器的副线阀，利用一段反应产生的热烟气提高转化器二段的温度，使转化器二段的反应能够进行。同理，开大Ⅱ换热器的副线阀，用二段反应后的热烟气将三段反应温度提高，进入转化器四段的烟气用加热电炉加热后进入转化器，待四段反应发生后，五段催化剂温度也将提高。随着烟气量逐步加大，相应地逐步关停电炉组数，直至电炉全部关停，装置系统热量达到自平衡。

在升温过程中，操作人员要密切关注转化器各段进口的烟气温度，温度升高得不可太快，各段温升也不可太大，应保持在工艺规定的适宜范围内。充分利用多种仪表检测手段确保各段温升可控，并与焚烧工序和干吸工序保持联系。

转化各段进出口烟气的温度是相互关联的，通过旁路阀门和阀组来控制烟气温度时，虽然每个阀门的控制作用各有侧重点，但是阀门操作时造成影响的不只是某一段进口烟气的温度，通常会同时影响两段或更多段烟气的温度。以“3+2”五段转化装置工艺流程为例，调节阀门阀组的作用参见表1。

表1 “3+2”五段转化装置调节阀门阀组的作用

在通过阀门调节转化器各段温度时，一次动作不可过大，尽力避免温度急升急落，保证操作的平稳性，以保护催化剂和设备。

2 风量和烟气SO2浓度对转化温度的影响

2.1 转化器一段超温时的调节方法

当转化器一段烟气的进口温度已达到或超过工艺参数的设定值420 ℃，且还有继续上升的趋势，一段出口的烟气温度也已超过工艺指标时，应先减少投运的电炉数，若对转化器一段烟气的出口温度没有改善，需要进一步考虑降低烟气的SO2浓度，可通过增加烟气补风量来降低烟气的SO2浓度，同时低温空气也降低了烟气的温度，同时开大Ⅰ，Ⅱ换热器的副线阀，尽可能减小换热器的换热量，将更多热量向下段转移，提升二段和三段的温度。

2.2 转化温度偏低时的调节方法

当进入转化系统的烟气SO2浓度降低，转化器一段出口烟气温度降低，二至五段温度逐步下降时，应尽快减小烟气流量，一方面可以提高SO2浓度，另一方面减少热损失，减缓温度下降的速度，逐渐建立新的热平衡。

如果转化器一段进口的烟气SO2浓度不低于工艺指标值，但是转化器四、五段一直没有温升，说明转化器四、五段未发生转化反应；换热器旁路不能开，或只能开得很小，或者转化器各段进口的烟气温度下降，说明转化系统的热负荷太小，不能维持正常的自热平衡。上述情况都应适量增加系统的烟气流量，或者提高烟气SO2的浓度，增加系统热负荷。

2.3 转化烟气SO2浓度波动对温度的影响

在烟气流量一定的情况下，转化温度的变动是由SO2浓度的波动引起的。转化温度的调节实质上是由SO2浓度波动所引起的追加调节。为了减少不必要的操作动作，同时使控制更加有效，转化岗位与焚烧岗位需要持续保持联系，当需要调节转化温度时，首先要与焚烧岗位联系调节进入转化工序的烟气SO2浓度，观察调节SO2浓度能否达到预期的烟气温度。若调节效果不理想，才能调节旁路和阀组的阀门。

在开车过程中，要将进气温度和反应状态调配到最优化状态，一般要经过3～7 d的过程。在解决各种问题时，不能单一地看表面现象，而是要从全系统的角度，理清主要和次要影响因素，掌握全系统的变化规律，不可轻率地做出调节动作。

3 设备管道保温对反应自热平衡的影响

在干法制酸装置转化工序的开车过程中，不可避免地利用加热电炉为转化器升温提供热量。尽快地停用电炉设备，实现转化工序自热平衡，是制酸装置降低能耗的重要手段。在传统的制酸装置上，转化器与换热器的布置相对紧凑，管线也设计得尽可能短，可以较大程度地减少管路热损失，转化工序尽快达到自热平衡，顺利脱离加热电炉的辅助，降低能耗。

如果转化工序的管道敷设过长，保温效果不理想，会导致管路散热量过大，难以达到自热平衡，以至于加热电炉持续低负荷运行，此时需要提高设备和管道的保温效率，特别是管道膨胀节等易散热管件要做好保温，降低散热，以尽快停用加热电炉。

4 保证总转化率达标的工艺措施

转化工序的总转化率受多种因素的影响，如反应温度、反应速率、烟气中SO2的浓度、催化剂的活性等都对总转化率有重大影响。为了达到较高的转化率，目前转化工序最常用的是中间换热法流程，即转化反应过后烟气换热降温，再反应再换热，如此反复换热。从每一段转化过程来看，转化反应是升温反应，但从整个反应过程来看，其实是在不断接近最适宜温度的变化过程，要求逐步把前一段的反应温度降下来，再进行下一段反应。前三段的反应温度较高，能够达到较高的反应速率，但是高温下的转化率达不到理想值99.7%及以上。后两段反应温度偏低，反应速率低一些，但是低温下的转化率更高，前后结合可以提高整个反应过程的转化率，使总转化率达到99.7%及以上。

转化工序导致转化率降低常见的原因主要包括工艺操作和催化剂活性两方面的因素。

4.1 工艺操作

由于工艺操作不当导致转化工序转化率降低的原因及需要采取的措施有：

1）转化温度控制不当。温度波动会明显影响转化反应的转化率，这导致在升温过程中，总转化率一般不能达到理想的目标值，只有当转化器各段烟气的进、出口温度都稳定在最适宜的范围，才能保证总转化率达到较高的水平。

2）烟气SO2的浓度出现波动或者偏高。对进入转化系统的烟气，SO2浓度需要满足2个要求：一是要控制在工艺设定的范围，二是波动幅度要小。为了协同浓度控制，要实时关注SO2风机出口的SO2浓度，并配合人工分析SO2浓度，以免仪表不准误导操作。经验数据表明，每小时SO2浓度波动幅度小于0.2%，转化器一段进口烟气的温度每小时波动不超过±1℃，年平均转化率可以达到98%以上。

3）转化器后段温度低。烟气SO2浓度低、气体流量小、旁路阀开度小等原因会导致转化器后段温度低，转化反应不能进行，根据不同原因采取改善措施后可有效提高后两段的烟气温度，使后两段发生转化反应，进一步提高转化率。如果上述措施都不起作用，则要衡算热量，计算热损失，并找出损失较大的管路，检查保温措施是否到位。另外，如果换热面积不足，也会导致转化温度达不到工艺设定的要求，需要逐段进行检查，增加换热器的换热面积进行补救。

4.2 催化剂活性

催化剂活性影响转化工序的转化率主要体现在生产工艺条件的影响导致催化剂活性不达标和催化剂中毒引起活性下降。

一般来说，在催化剂采购合同中对催化剂的活性和总转化率都有明确规定，但由于生产工艺条件常常不能完全满足催化剂厂家的要求等原因，导致催化剂的活性不达标，甚至在使用初期就不能保证总转化率达到工艺规定的指标。对于这种情况，可以通过转化器一段进出口的温度差与催化剂厂家提供的计算值进行对比，在气体流量、SO2浓度、进气温度都达到工艺参数的范围时，如果转化器一段进、出口的烟气温度差长时间明显偏低，则说明催化剂的活性较低，对转化率造成了直接的影响。

对于催化剂中毒引起活性下降，在生产中可以利用加热电炉将转化后段的催化剂床层温度提高至比正常温度高20～40 ℃，维持4～6 h后再停用加热电炉，让催化剂床层自行降温到略高于正常温度3～5 ℃，可以改善催化剂活性。如果上述方法不可行，则需要对催化剂进行更换。同时，还要取样分析化验烟气中的砷、氟、尘的含量，查找催化剂中毒的原因，并尽快调整原料。

5 结语

在干法制酸装置转化工序开车过程中，需要使转化器各段的烟气温度顺利升温到工艺设定值，烟气流量平稳提高到设计处理量，进而不断提高总转化率，最终实现总转化率设计指标。在此期间，遇到的问题包括而不限于上述提到的情况，需要操作人员厘清转化工序的操作逻辑，掌握转化工序与其他工序的前后联系和因果关系，以便在处理问题的时候抓到重点，处理得当。