李 盈

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

0 前言

硫酸是一種重要的化工原料，用途十分廣泛，是現(xiàn)代工業(yè)的基礎(chǔ)。從19世紀(jì)發(fā)明接觸法制硫酸后，人類才能大規(guī)模、低成本地制造工業(yè)所需的硫酸。而轉(zhuǎn)化器是接觸法制硫酸的核心設(shè)備，接觸法制硫酸經(jīng)歷了鉑系催化劑和釩系催化劑時(shí)代，轉(zhuǎn)化器一直在硫酸生產(chǎn)中發(fā)揮重要作用。其主要作用是使二氧化硫和氧氣在催化劑的作用下轉(zhuǎn)化成三氧化硫，供吸收塔吸收成硫酸。

轉(zhuǎn)化器在構(gòu)造上大致可以分為內(nèi)部換熱式和外部換熱式兩種。內(nèi)部換熱式轉(zhuǎn)化器即反應(yīng)熱在轉(zhuǎn)化器內(nèi)與冷SO2氣體進(jìn)行交換，優(yōu)點(diǎn)是能夠形成接近最佳操作的溫度分布，但這種轉(zhuǎn)化器阻力大，設(shè)備費(fèi)用高，維修困難，現(xiàn)運(yùn)行得較少。外部換熱式轉(zhuǎn)化器即氣體換熱過程交由專門的換熱器來實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)較為簡單，而且由于把易出現(xiàn)泄漏的換熱器與轉(zhuǎn)化器分離，使得設(shè)備維修快，因維修而停工的時(shí)間短，現(xiàn)較為常見的是中心筒型轉(zhuǎn)化器和樁柱式轉(zhuǎn)化器兩種。本文通過對比的方式對中心筒型轉(zhuǎn)化器進(jìn)行了研究。

1 中心筒型轉(zhuǎn)化器的結(jié)構(gòu)

典型中心筒型轉(zhuǎn)化器主要由兩個(gè)豎立的同心圓筒、觸媒支撐加上弧形隔板以及頂蓋和底板組成，如圖1所示。

圖1 中心筒型轉(zhuǎn)化器的典型結(jié)構(gòu)

1.1 弧形隔板

弧形隔板是中心筒型轉(zhuǎn)化器和樁柱式轉(zhuǎn)化器的一個(gè)主要區(qū)別。

1)中心筒型轉(zhuǎn)化器的弧形隔板。是由薄鋼板直接彎曲制成，主要利用整個(gè)隔板的弧形結(jié)構(gòu)來吸收本身的熱膨脹，具有結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低等特點(diǎn)?；⌒胃舭宓膹?qiáng)度計(jì)算一般是基于隔板結(jié)構(gòu)具有軸對稱的特點(diǎn)，將隔板簡化成兩端固定的曲梁對隔板的強(qiáng)度與剛度進(jìn)行分析。這種簡化方法在對特殊結(jié)構(gòu)的隔板進(jìn)行計(jì)算時(shí)不易使用，由于仿真技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)可以通過FEA軟件對隔板進(jìn)行計(jì)算，達(dá)到最優(yōu)的設(shè)計(jì)效果。

2)樁柱式轉(zhuǎn)化器的隔板。隔板采用整塊平板結(jié)構(gòu)確保不同轉(zhuǎn)化段間不竄氣，在隔板上焊接型鋼加固，避免隔板本身受熱變形，采用吸脹弧板來吸收整個(gè)隔板產(chǎn)生的熱膨脹。這種隔板形式可靠性好，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高。樁柱式轉(zhuǎn)化器的隔板如圖2所示。

圖2 樁柱式轉(zhuǎn)化器隔板結(jié)構(gòu)

1.2 觸媒支撐

觸媒支撐主要有兩種形式：

1)橫梁上鋪設(shè)大開孔的格柵板結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)與樁柱式轉(zhuǎn)化器相同，只是橫梁被安裝在外殼和中心筒之間。

2)采用帶網(wǎng)眼的弧形柵板結(jié)構(gòu)，同弧形隔板一樣，用薄鋼板彎曲成弧形，然后在薄板上開盡可能多的直徑較小的孔，最后焊接在轉(zhuǎn)化器外殼和中心筒之間。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是制作簡單、節(jié)省材料，但是其整體阻力較樁柱式大很多。造成阻力大的主要原因是采用弧形結(jié)構(gòu)來解決熱膨脹問題，導(dǎo)致柵板的厚度就不能過大；其次，弧形柵板是觸媒的支撐，需在轉(zhuǎn)化溫度下有支撐觸媒所需的強(qiáng)度，因而限制了弧形柵板上開孔的數(shù)量，導(dǎo)致開孔率偏低，設(shè)備阻力偏高?；⌒螙虐宓拈_孔率大約為25%～30%，而普通樁柱式轉(zhuǎn)化器柵板的開孔率可接近90%，即使扣除支撐梁的影響，整個(gè)設(shè)備的開孔率也在75%左右[1]。

1.3 中心筒

中心筒是中心筒型轉(zhuǎn)化器最顯著的特征，它代替了樁柱，對轉(zhuǎn)化器的觸媒層和隔板起到了支撐作用；同時(shí)，它也是一個(gè)進(jìn)氣口。由于中心筒處于轉(zhuǎn)化器的中心軸位置，因此相比于殼體上的進(jìn)氣口，從中心筒進(jìn)氣易達(dá)到氣體分布均勻的效果。但中心筒進(jìn)氣時(shí)，由于進(jìn)氣口較小，氣流速度快，如果不加設(shè)布?xì)獯胧瑫?dǎo)致進(jìn)氣口附近的觸媒被高速氣流吹走，使靠近中心筒的觸媒層厚度變薄，SO2不能充分轉(zhuǎn)化，觸媒之間的摩擦也被加劇，使得觸媒粉化嚴(yán)重，縮短其壽命，從而使得運(yùn)營成本增加。因此需要對中心筒進(jìn)氣的布?xì)饨Y(jié)構(gòu)做優(yōu)化處理，以達(dá)到良好的布?xì)庑ЧＡ硗?，由于中心筒從下至上貫穿整個(gè)轉(zhuǎn)化器，應(yīng)在中心筒內(nèi)部進(jìn)行隔熱處理，避免轉(zhuǎn)化器各段通過中心筒進(jìn)行熱傳遞，影響轉(zhuǎn)化率。

2 中心筒型轉(zhuǎn)化器中的反應(yīng)及轉(zhuǎn)化過程

轉(zhuǎn)化器最根本的目的是為觸媒提供一個(gè)適合的場所，使SO2轉(zhuǎn)化SO3的過程能夠順利進(jìn)行。現(xiàn)有觸媒主要是釩催化劑，以V2O5為主要活性成分，以硅藻土為基體，以鉀等堿金屬的硫酸鹽為助催化劑。

2.1 SO2的催化反應(yīng)過程

SO2在催化劑催化下的反應(yīng)過程[2]如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

綜上，總反應(yīng)方程式為：

(5)

2.2 SO2在觸媒層上的轉(zhuǎn)化過程

SO2在觸媒層上的轉(zhuǎn)化過程，主要由下列幾個(gè)依次相連的階段構(gòu)成：

1) SO2和O2分子從氣體趨近于催化劑顆粒表面。

2) 反應(yīng)物分子繼續(xù)向催化劑的孔隙內(nèi)擴(kuò)散到達(dá)各個(gè)顆粒的內(nèi)表面上。

3) 在內(nèi)、外表面進(jìn)行反應(yīng)。

4) 反應(yīng)生成物SO3集向顆粒的外表面。

5) 反應(yīng)生成物SO3從外表面轉(zhuǎn)入氣流中[3]。

3 中心筒型轉(zhuǎn)化器的材料選擇

轉(zhuǎn)化器的材料選用不當(dāng)，不但會影響轉(zhuǎn)化器的結(jié)構(gòu)可靠性，而且可能會在生產(chǎn)過程中被高溫氧化，產(chǎn)生氧化鐵，在氣流的沖刷下產(chǎn)生粉塵。而如果粉塵聚集在觸媒表面，會使觸媒顆粒結(jié)成塊狀，妨礙SO2通過觸媒之間的間隙，并堵塞觸媒的毛細(xì)管阻止氣體進(jìn)入內(nèi)表面，這樣會影響反應(yīng)氣體的均勻分布，使觸媒層活性降低，并增大氣體通過的阻力。雖然觸媒過篩時(shí)，能除掉大部分粉塵，但觸媒的活性成分也被除掉，降低了活性，使觸媒的壽命縮短。因此轉(zhuǎn)化器的選材非常重要，會對生產(chǎn)運(yùn)行有很大影響。轉(zhuǎn)化器的材料主要有耐溫鑄鐵、碳鋼和不銹鋼三類。

3.1 耐溫鑄鐵

耐溫鑄鐵一般用于制造格柵板、支撐梁和立柱。部分轉(zhuǎn)化器的一段溫度在600 ℃以上，這種情況可選用耐熱鑄鐵HTRTCr16，根據(jù)某標(biāo)準(zhǔn)[4]，其耐溫可達(dá)900 ℃；而在溫度較低的工況下，可以選用HTRTCr2，其耐溫為600 ℃。

3.2 碳鋼

碳鋼可以用于制造整個(gè)轉(zhuǎn)化器，由于價(jià)格低，碳鋼轉(zhuǎn)化器的費(fèi)用較不銹鋼轉(zhuǎn)化器便宜很多，在業(yè)主要控制建設(shè)成本的情況下可能會傾向這種材質(zhì)。碳鋼在高溫下會被氧化產(chǎn)生氧化鐵皮，堵塞觸媒層，需要通過滲鋁來增強(qiáng)抗氧化腐蝕能力。滲鋁是將金屬(包括低碳鋼、不銹鋼、鑄鐵等)進(jìn)行表面化學(xué)熱處理，使鋼材表面形成0.1～0.3 mm厚的鋁- 鐵合金層，從而使其使用溫度比原母材提高200～300 ℃；對于低碳鋼還可顯著提高其抗氧化耐腐蝕性能，延長使用壽命，在某些場合甚至可代替耐熱鋼或不銹鋼使用。國內(nèi)外的多次實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐均證明，只要滲鋁層表面具有不低于7%的含鋁量，就能保護(hù)金屬基體，減慢甚至阻止氧化和腐蝕[5]。需要注意噴鋁和滲鋁的區(qū)別，表面噴鋁，由于鋁層是噴鍍上去的，沒有形成鋁- 鐵化合物，在高溫下鋁層易融化或脫落，使用效果不好。同時(shí)也要注意碳鋼滲鋁的以下缺點(diǎn)：

1) 鋁層減薄甚至消失。這可能是由于部分鋁蒸發(fā)或是部分鋁向鋼材內(nèi)部擴(kuò)散導(dǎo)致。這兩種因素相結(jié)合，導(dǎo)致鋼件表面鋁層的劣化，使得抗氧化性能下降，降低鋼件的使用壽命。滲鋁層的劣化和鋼件的使用溫度相關(guān)，溫度越高，其劣化速度越快，使用壽命也越短。

2) 滲鋁雖然能抗氧化腐蝕，但該鋼件在高溫下強(qiáng)度仍與碳鋼相同，在420～630 ℃的操作溫度下，機(jī)械性能明顯下降，強(qiáng)度與剛度都很差，在壓力作用下易發(fā)生蠕變，導(dǎo)致殼體變形或者催化劑床層坍塌。

3.3 不銹鋼

轉(zhuǎn)化器不銹鋼材質(zhì)使用較多的是S30408不銹鋼。在420～600 ℃溫度下，S30408不銹鋼仍具有足夠的許用強(qiáng)度[6]，按照某標(biāo)準(zhǔn)[7]提供的數(shù)據(jù)，S30408在650 ℃時(shí)許用應(yīng)力為42 MPa，因此不銹鋼轉(zhuǎn)化器較碳鋼設(shè)備能減少不少的鋼材使用量。同時(shí)，不銹鋼轉(zhuǎn)化器省去了耐火材料襯里、表面噴鋁等施工工序，可避免因不同的線膨脹系數(shù)引起的不同伸縮量，消除熱應(yīng)力，殼體只需采用外保溫即可。

4 結(jié)論

綜上所述，中心筒型轉(zhuǎn)化器的主要優(yōu)點(diǎn)如下：

1) 較樁柱式轉(zhuǎn)化器節(jié)省材料近20%，能顯著減少投資。

2) 氣體分布效果較好。特別是轉(zhuǎn)化效率高的一段、二段，可以從中心筒位置進(jìn)氣，保證了氣體在轉(zhuǎn)化器水平截面上的良好分布，使得氣體能均勻地通過催化劑層，不會造成部分催化劑溫度過高的現(xiàn)象。

3) 不會因?yàn)殇摿⒅脑O(shè)計(jì)、制造或安裝出現(xiàn)問題導(dǎo)致床層坍塌。

4) 制造較為簡單，施工工期較短。

總之，與樁柱式轉(zhuǎn)化器相比，中心筒型轉(zhuǎn)化器在設(shè)計(jì)上有較明顯的優(yōu)勢，避免了樁柱式轉(zhuǎn)化器在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的一些問題，降低了由于操作失誤或工況不穩(wěn)定引起的轉(zhuǎn)化器內(nèi)部溫差過大而造成設(shè)備損壞的幾率，減少了因設(shè)備維修而停車造車的損失。因此，中心筒型轉(zhuǎn)化器有著廣泛的應(yīng)用前景。