MARTEN GRANROTH，MARIE VOGNSEN

（托普索有限公司，丹麥）

提高裝置盈利能力是硫酸生產(chǎn)企業(yè)運(yùn)營(yíng)的重要任務(wù)。目前，硫酸以及大部分下游產(chǎn)品的價(jià)格均處于低位，這使得優(yōu)化裝置性能、保持競(jìng)爭(zhēng)力變得尤為重要。基于少量投資甚至無需投資的裝置優(yōu)化運(yùn)行策略，無論短期還是長(zhǎng)期都是提高裝置盈利能力的重要手段。通過優(yōu)化裝置運(yùn)行策略可以延長(zhǎng)運(yùn)行周期、縮短開車時(shí)間、降低大修成本和減少催化劑損失（包括運(yùn)行過程活性衰減以及篩分損失，特別是在目前機(jī)械篩分越來越成為首選的情況下）等，而催化劑選擇和使用是其中重要的策略之一。首先，采用合適的催化劑配合操作可以縮短開車時(shí)間，降低燃料消耗。其次，通過降低設(shè)備和催化劑的壓降，可以減少電耗，節(jié)約能源。最后，通過提高轉(zhuǎn)化器的轉(zhuǎn)化率，可以降低尾氣洗滌系統(tǒng)中的吸收劑消耗，從而節(jié)約運(yùn)行成本和降低潛在的副產(chǎn)物處理費(fèi)用。

催化劑的選型與使用方式會(huì)從多個(gè)方面影響硫酸裝置的經(jīng)濟(jì)性。如采取合適的篩分補(bǔ)充策略可減少每次大修所需更換的新催化劑的數(shù)量，這將產(chǎn)生直接的收益；裝填高性能的催化劑來提高酸產(chǎn)量、降低尾氣洗滌系統(tǒng)的吸收劑消耗量、裝填防塵催化劑降低床層壓降及延長(zhǎng)運(yùn)行周期等則將帶來間接的收益。總之，催化劑相關(guān)的優(yōu)化措施將對(duì)裝置的長(zhǎng)期盈利能力產(chǎn)生積極影響。

為說明催化劑相關(guān)的不同策略可能對(duì)裝置帶來的不同程度的收益，筆者依據(jù)多個(gè)廠家的運(yùn)行數(shù)據(jù)列舉了3種典型案例進(jìn)行分析。這3個(gè)案例著重分析了與盈利能力相關(guān)的關(guān)鍵問題：壓降、裝置運(yùn)行周期、開車時(shí)間與尾洗吸收劑消耗量。

1 解決壓降快速升高的問題

某800 kt/a硫磺制酸裝置曾出現(xiàn)一段床層壓降快速升高的問題，壓降快速升高后嚴(yán)重縮減裝置的運(yùn)行周期。壓降快速升高，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)風(fēng)量下降，迫使裝置每9個(gè)月就需停車篩分一段床層催化劑。裝置的壓降變化曲線見圖1。該裝置急需應(yīng)對(duì)壓降快速升高的解決方案。

圖1 800 kt/a硫磺制酸裝置一段床層壓降變化

1.1 提高進(jìn)氣濃度，降低風(fēng)量

降低壓降的最直接的方式就是降低系統(tǒng)的通風(fēng)量。如不改變其他條件而僅僅減少風(fēng)量將降低酸產(chǎn)量，這并非理想的方式。另一種解決方案是在減少通風(fēng)量的同時(shí)提高進(jìn)氣SO2濃度，保持酸產(chǎn)量的穩(wěn)定。但如果提高進(jìn)氣中SO2濃度后，需要提高催化劑床層的性能才能保證轉(zhuǎn)化率不下降。

催化劑的活性及最大裝填空間決定了進(jìn)氣SO2濃度和SO2排放水平。通過補(bǔ)充催化劑，可降低床層進(jìn)口溫度、提高進(jìn)氣SO2濃度、降低O2/SO2比率，而維持SO2排放水平不變，實(shí)現(xiàn)一定轉(zhuǎn)化率時(shí)O2/SO2比率與所需催化劑量的關(guān)系見圖2。

圖2 實(shí)現(xiàn)一定轉(zhuǎn)化率時(shí)O2/SO2比率與所需催化劑量的關(guān)系

通過額外補(bǔ)充催化劑來適應(yīng)較低的O2/SO2比率有兩個(gè)弊端：首先是可能沒有足夠的裝填空間；其次是額外補(bǔ)充的催化劑會(huì)在一定程度上與降低的壓降相抵消。采用活性更高的催化劑來降低O2/SO2比率則不用擔(dān)心裝填空間不足和壓降大幅上升。若裝置中裝填的催化劑是舊催化劑、失活催化劑或低性能催化劑，將部分催化劑更換為新的高活性標(biāo)準(zhǔn)催化劑即可提高裝置性能。

如需大幅提高裝置性能，用新的標(biāo)準(zhǔn)催化劑有可能仍難以滿足要求，可以裝填高活性的銫促進(jìn)型催化劑或更加先進(jìn)的LEAP5催化劑。提高SO2濃度可能獲得良好效果，如將“3+1”轉(zhuǎn)二吸裝置的末段床層標(biāo)準(zhǔn)催化劑改為同樣數(shù)量的高活性銫促進(jìn)型催化劑，可使硫磺制酸裝置的進(jìn)氣φ(SO2)從10.0%提升至11.5%，而轉(zhuǎn)化率維持不變。如酸產(chǎn)量不變，進(jìn)氣φ(SO2)從10.0%提高到11.5%，風(fēng)量將降低13%，進(jìn)而系統(tǒng)壓降降低大約20%，這不僅會(huì)延長(zhǎng)案例裝置的運(yùn)行周期，還會(huì)使其每年的電耗減少約 5.5×106kWh。

對(duì)于其他裝置，在不降低風(fēng)量的情況下，如果通過提高進(jìn)氣SO2濃度來實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)將會(huì)顯著提高裝置的盈利能力。如進(jìn)氣φ(SO2)提高15%，則酸產(chǎn)量增長(zhǎng)15%，工廠需將部分標(biāo)準(zhǔn)催化劑更換為銫促進(jìn)型催化劑，催化劑總量也需增加。若催化劑總量不變，將部分標(biāo)準(zhǔn)催化劑更換為銫促進(jìn)型催化劑，在轉(zhuǎn)化率不變時(shí)，進(jìn)氣φ(SO2)最高可提高12.5%，相應(yīng)酸產(chǎn)量提高12.5%。

1.2 采用防塵催化劑降低壓降，延長(zhǎng)運(yùn)行周期

雖然通過提高進(jìn)氣SO2濃度來降低風(fēng)量的方式可以降低系統(tǒng)壓降并輕微提高裝置運(yùn)行周期，但這無法徹底解決因灰塵沉積而導(dǎo)致的壓降問題。通過提高硫磺制酸裝置的液硫質(zhì)量、冶煉煙氣制酸裝置的凈化效果、氣體的過濾效果等措施會(huì)減少進(jìn)入系統(tǒng)的灰塵量，但這往往需要大量投資，在當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)形勢(shì)下，可能很難證明其合理性。一個(gè)能夠有針對(duì)性地解決灰塵問題而又不需要大量投資的做法是：在一段床層頂部裝填一層防塵催化劑。裝填防塵催化劑還有一個(gè)優(yōu)勢(shì)：作業(yè)時(shí)間短、工作量少。因此即便大修時(shí)間很短，也可以采用這種措施。

防塵催化劑并不會(huì)降低進(jìn)入轉(zhuǎn)化器的灰塵量。其原理是：使用較大粒徑的催化劑顆粒來提高灰塵的滲透深度、增高催化劑的容塵量。將催化劑顆粒外徑從12 mm提高至25 mm，滲透深度將會(huì)提高約100%，相應(yīng)粉塵容量及裝置運(yùn)行周期將有所提高。裝填防塵催化劑后，不但可以延長(zhǎng)運(yùn)行周期、節(jié)約大修時(shí)間，也會(huì)增加酸產(chǎn)量、減少大修費(fèi)用，其經(jīng)濟(jì)效益顯著。裝填防塵催化劑前后的運(yùn)行時(shí)間對(duì)比見圖3。

圖3 一段床層使用防塵催化劑對(duì)壓降的影響

從圖3可以看出：理論計(jì)算的裝置運(yùn)行周期大約提高了100%。在10年內(nèi)，延長(zhǎng)的裝置運(yùn)行周期會(huì)將一段床層的催化劑篩分次數(shù)從13次降低為6次，如果每次大修需要10 d，這相當(dāng)于增加了70 d的生產(chǎn)時(shí)間。此外，減少因催化劑篩分導(dǎo)致的大修也會(huì)進(jìn)一步節(jié)省篩分施工費(fèi)用、補(bǔ)充催化劑費(fèi)用、開停車燃料消耗等。

示例裝置在遭受一段床層壓降高的問題時(shí)，可使用容塵量大的防塵催化劑來延長(zhǎng)裝置運(yùn)行周期，但并非所有裝置都能這樣。某些裝置可能存在其他導(dǎo)致無法延長(zhǎng)運(yùn)行周期的瓶頸問題，但這些裝置仍然可以通過裝填防塵催化劑來降低裝置的平均壓降，并從中受益。根據(jù)圖3中的工業(yè)數(shù)據(jù)建立了一個(gè)簡(jiǎn)便的計(jì)算公式，以說明這些裝置如何從采用防塵催化劑中受益。通過降低壓降所節(jié)省的電耗可使用下列公式計(jì)算。

式中：Q——每年節(jié)省的電量，kWh/a；

G——風(fēng)量，m3/h；

Δp——壓降差，mmHg。

在裝置的整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)，壓降差并非恒定。為了能夠計(jì)算出電耗節(jié)約量，首先需要估算出壓降差。假定在無防塵催化劑時(shí)，整個(gè)裝置運(yùn)行周期內(nèi)的床層平均壓降約為10 kPa，如使用防塵催化劑，其平均壓降約為4.5 kPa。因此，在裝置的整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)，平均壓降差為5.5 kPa。使用上述壓降差數(shù)據(jù)并以案例裝置為例，可以計(jì)算出每年的電耗節(jié)約量為4.0×106kWh。如果將相同的趨勢(shì)及數(shù)據(jù)用于常見的運(yùn)行周期為2年的裝置，圖3所示的壓降增速比大部分裝置要高。假設(shè)裝置運(yùn)行周期末期的最大壓降為10 kPa，平均每年電耗降低約1.65×106kWh，節(jié)能效果顯著。裝填防塵催化劑不但會(huì)降低整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)的平均壓降，也會(huì)提高催化劑床層的容塵量。容塵量增大將會(huì)降低裝置因灰塵量高而導(dǎo)致的過早停車大修的風(fēng)險(xiǎn)，這也是一定程度上的降成本。

2 縮短開車時(shí)間

硫酸裝置經(jīng)常面臨的另一個(gè)問題是頻繁短期開停車，這可能是由前述的壓降高導(dǎo)致的，更多時(shí)候是由上下游工藝和設(shè)備問題導(dǎo)致。停車會(huì)導(dǎo)致花費(fèi)大量時(shí)間和燃料再次用于開車，開車程序優(yōu)化可減少開車時(shí)間。

裝置開車時(shí)，在通入SO2煙氣前需使用燃料進(jìn)行裝置升溫，對(duì)于多數(shù)裝置而言，末段床層的升溫通常難度很大，也直接影響通入SO2煙氣所需時(shí)間。而裝填的催化劑型號(hào)會(huì)顯著影響所要求的床層溫度，如果將末段的標(biāo)準(zhǔn)催化劑更換為銫促進(jìn)型催化劑，可以降低末段床層所允許的溫度，進(jìn)而降低開車時(shí)間及升溫時(shí)間。這可從圖4所述裝置的工業(yè)數(shù)據(jù)中看出。

圖4 末段床層采用及未采用VK69的工業(yè)開車數(shù)據(jù)對(duì)比

圖4中的數(shù)據(jù)顯示，將末段床層中的標(biāo)準(zhǔn)催化劑更換為銫促進(jìn)型催化劑VK69，可以使三段和四段床層的進(jìn)氣溫度降低30 ℃，同時(shí)不會(huì)對(duì)開車時(shí)的尾氣排放SO2濃度產(chǎn)生負(fù)面影響。

通過動(dòng)態(tài)模型分析不同床層溫度下的尾氣排放情況，可以看出，開車時(shí)銫促進(jìn)型催化劑VK69的床層溫度比采用標(biāo)準(zhǔn)催化劑時(shí)低50 ℃，而尾氣排放量相同。開車時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)催化劑、四段床層溫度410 ℃與采用銫促進(jìn)型催化劑、四段床層溫度360℃的動(dòng)態(tài)模擬見圖5。

圖5 兩種情況下所產(chǎn)生的尾氣排放

在通入SO2煙氣前，末段床層溫度低50 ℃時(shí)，不同裝置的升溫時(shí)間的縮短程度不盡相同，視開車升溫系統(tǒng)和規(guī)程而定。但是工業(yè)數(shù)據(jù)表明，降低的床層溫度會(huì)使總的升溫時(shí)間縮短約8 h。對(duì)于大多數(shù)裝置而言，縮短升溫時(shí)間不僅縮短了開停車時(shí)間，也節(jié)約了升溫用燃料的消耗。

在末段床層采用銫促進(jìn)型催化劑的另一個(gè)好處是在停車過程中可以延長(zhǎng)裝置的短期停車時(shí)間，而不必使用燃料對(duì)裝置進(jìn)行升溫。末段床層的銫促進(jìn)型催化劑在低溫下活性很高，這將會(huì)彌補(bǔ)各床層中溫度的下降。末段床層使用不同數(shù)量的銫促進(jìn)型催化劑對(duì)短期停車時(shí)間的相對(duì)影響見圖6。

由圖6可見：如末段床層全部更換為銫促進(jìn)型催化劑，短期停車時(shí)間可延長(zhǎng)約25%。

3 降低尾氣洗滌裝置運(yùn)行成本

圖6 部分裝填銫促進(jìn)型催化劑對(duì)延長(zhǎng)短期停車時(shí)間的影響

國(guó)內(nèi)多數(shù)硫酸裝置通過安裝尾氣洗滌系統(tǒng)來解決開停車時(shí)的尾氣排放問題或應(yīng)對(duì)嚴(yán)苛的尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)。尾氣洗滌系統(tǒng)所需的吸收劑會(huì)嚴(yán)重影響裝置的運(yùn)行成本。通常安裝尾氣洗滌系統(tǒng)，能夠解決尾氣排放超標(biāo)的燃眉之急，可能不再追求較高的轉(zhuǎn)化率，但提高催化劑性能在多數(shù)情況下仍然會(huì)帶來收益。

從對(duì)于1套350 kt/a的硫酸裝置，將末段床層的低活性催化劑更換為同等數(shù)量的高性能催化劑，轉(zhuǎn)化率會(huì)從99.7%提升到99.9%，進(jìn)入尾氣洗滌系統(tǒng)的SO2濃度將會(huì)降低65%。采用高性能催化劑解決方案，降低進(jìn)入尾氣洗滌系統(tǒng)的SO2濃度，相當(dāng)于尾氣洗滌系統(tǒng)每年節(jié)約580 t燒堿。按價(jià)格3 000元/t計(jì)算，減少的燒堿消耗量相當(dāng)于每年節(jié)約174萬元。

4 結(jié)語(yǔ)

通過圍繞催化劑采取一系列措施可顯著降低裝置運(yùn)行成本，如采用防塵催化劑可以緩解灰塵問題和提高裝置運(yùn)行周期，使用高性能催化劑可以降低尾洗吸收劑的消耗量等。某些措施的效果雖然不是十分明顯，但如果多種方式組合使用，其效益仍將非?？捎^?？傊侠淼拇呋瘎┎呗允菍?shí)現(xiàn)硫酸裝置降本增效的可行方案。