CN107381513A - 一种高浓度so2烟气控温转化器及其应用工艺 - Google Patents

一种高浓度so2烟气控温转化器及其应用工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高浓度SO2烟气控温转化器及其应用工艺，控温转化器包括长方体形的壳体及其支座，壳体内分为触媒层和瓷球层，瓷球层位于触媒层的两侧，触媒层埋设有换热管，壳体的侧壁设置有低温气体进、出口和高温气体进、出口，低温气体从换热管束中流过，可通过合理的换热管数量来保证换热面积，高浓度SO2烟气从瓷球区和触媒区流过，低温气体和高温气体交叉流动换热。换热管埋入触媒层中，触媒的充填量大大增加，高温气体进入触媒转化，保证触媒温度在最合适的转化温度下反应。控温转化器的三种应用工艺能满足冶炼烟气浓度和气量的双层波动，可使SO2的总转化率保持在99.75％‑99.95％的高水平状态。三种工艺各有优势，可根据实际情况选用。

Description

一种高浓度SO2烟气控温转化器及其应用工艺
技术领域
本发明涉及一种接触法硫酸转化系统，具体涉及一种高浓度SO2烟气控温转化反应器及其应用工艺。
背景技术
随着有色冶炼行业日渐趋向富氧熔炼、吹炼的不断发展，火法冶炼产生烟气的SO2浓度越来越高，最高达到30％(v％)以上。其配套的烟气制酸工艺也逐步往高浓度SO2制酸的方向发展，并出现了以下较为典型的几种高浓SO2烟气制酸工艺。国外公司采用的技术主要有：1、奥图泰公司的LUREC循环转化工艺；2、孟莫克公司的“预转化工艺”；3、拜耳技术公司的Bayqik高浓度二氧化硫烟气制酸工艺。针对拜耳技术公司的Bayqik工艺，国内有宜兴市化工成套设备有限公司提出了：“一种准等温文丘里热能置换转化器(CN 102910592 B)”和“一种卧式准等温转化器(CN 202880881 U)”。值得注意的是，除了奥图泰的LUREC和孟莫克预转化工艺有过大型化制酸装置的成功运行案例外，拜耳公司的Bayqik工艺尚未在30万吨/年以上的大型硫酸厂有过应用业绩。究其原因，主要是这种转化器在设计放大上尚存在一些问题。一方面，触媒被填充在换热管道内部使得单管触媒装填有限；另一方面，由于全部SO2烟气进入这种转化器放出的大量热需要更大流量的冷气体进行冷却换热才能使触媒不被烧毁。从而导致这种转化器的制作体积巨大，其体积至少是一般高浓转化装置的2～3倍以上，给制造加工带来了较大困难。但尽管如此，就这种工艺本身而言，能够只经过一层触媒反应，就使转化率达到90％左右，可以简化整个转化流程和工艺设备，对于投资和运行来说其实有着不小的吸引力和较大的发展前景。那么该工艺需要克服的两个核心问题就是：1、如何方便地进行这种转化器的大型化制作；2、如何从转化工艺流程上设法减少这种转化器需要通入的烟气量。
发明内容
本发明针对拜耳公司的Bayqik工艺存在的上述两个核心问题，提供一种适合大型化制作，且能保证高浓SO2烟气转化率在90％以上的控温转化器，及通过流程优化使进控温转化器的SO2烟气量尽量小，从而使转化器的体积尽量小。
本发明提供的这种高浓度SO2烟气控温转化器，包括长方体形的壳体及其支座，壳体内分为触媒层和瓷球层，瓷球层位于触媒层的两侧，触媒层埋设有换热管，壳体的侧壁设置有低温气体进、出口和高温气体进、出口，低温气体从换热管束中流过，高浓度SO2烟气从瓷球区和触媒区流过，低温气体和高温气体交叉流动换热。
所述触媒层和瓷球层的四周分别用不锈钢金属筛板框住。
所述换热管沿所述壳体长度方向布置，有沿壳体高度方向的多排，相邻排换热管之间错位排布，换热管的直径在50-300mm之间。
所述壳体采用不锈钢材料制作，或者采用碳钢材料制作后内衬耐火砖砌层。
所述壳体的顶面设置有可开闭的触媒装填口和瓷球装填口，底面设置有可开闭的触媒卸料口和瓷球卸料口。
所述低温气体进、出口和高温气体进、出口均为外端口径小于内端口径的锥形接口。
本控温转化器一方面将低温气体从换热管中流过，可通过合理的换热管数量来保证换热面积；另一方面，在换热管之间充填触媒，也就是说将换热管埋入触媒层中，这样触媒的充填量大大增加，高温气体进入触媒转化，保证触媒温度在最合适的转化温度下反应。经过试验验证，通过这两个方面的配合实现控温转化器的大型化制作，不仅通过一层转化就让SO2转化率在90％以上，还能有效控制转化触媒层的温度在550℃以下，甚至在450℃左右的最适宜转化温度下进行反应。
本发明还提供了三种利用上述控温转化器通入高浓SO2烟气进行两转两吸制酸的工艺流程，分别如下：
第一种转化制酸工艺：
该工艺采用的设备包括SO2鼓风机、余热锅炉、一吸塔、省煤器、1#换热器、2a#换热器、2b#换热器、控温转化器、主转化器、通风机、3#换热器，各换热器均为管壳式换热器，主转化器设置两层转化触媒，具体的工艺流程如下：
(1)从SO2鼓风机送来的SO2烟气分成主线路和支线路，主线路的SO2烟气先后进入1#换热器和2a#换热器的壳程预热后进入控温转化器的触媒层转化升温，然后从控温转化器的烟气出口排出，支线路的SO2烟气烟气直接与控温转化器的出口烟气混合；通风机将冷空气送入控温转化器的管程与经1#换热器和2a#换热器预热的SO2烟气进行换热，加热后的空气进入1#换热器的管程加热主线路未经转化的SO2烟气，然后进入省煤器中冷却后排空或者加热脱硫烟气。
(2)经控温转化器转化后的混合气体和未经转化的SO2烟气混合后与主转化器的第一层触媒进行转化反应，出来后分成两路，其中一路进入2a#换热器的管程加热主线路未经转化的SO2烟气，另一路进入2b#换热器的管程换热降温，然后汇合进入余热锅炉中；
(3)经余热锅炉冷却的烟气进入一吸塔中，在一吸塔中，烟气中的SO3气体被吸收生成硫酸，冷却后的SO2烟气进入3#换热器的管程换热升温，然后进入2b#换热器的壳程被2b#换热器管程中经转化后的烟气加热；
(4)从2b#换热器出来的SO2烟气进入主转化器的第二层触媒中进行转化反应，然后进入3#换热器的壳程加热经一吸塔冷却的SO2烟气后去二吸塔。
本制酸工艺实现高浓转化的触媒层少，只需通过三层触媒转化，所以流程短、阻力小，但是控温转化器除了通入高浓SO2烟气还要通入冷却空气，所以控温转化器的体积较大，制作难度较大。
第二种转化制酸工艺
该工艺采用的设备包括SO2鼓风机、1#控温转化器、2#控温转化器、主转化器、1#换热器、1#余热锅炉、一吸塔、2#换热器、2#余热锅炉，两台换热器均为管壳式换热器，主转化器设置两层转化触媒，具体的工艺流程如下：
(1)鼓风机送来的全部SO2烟气先全部进入1#控温转化器的管程升温后分成两路，分别进入1#控温转化器和2#控温转化器的触媒层进行转化反应，从两台控温转化器出来的转化烟气汇合进入1#换热器的管程换热降温；
(2)经1#换热器冷却的转化烟气进入1#余热锅炉冷却后进入一吸塔，在一吸塔中，SO3气体被吸收生成硫酸，冷却后的SO2烟气排出先后进入2#换热器和1#换热器的壳程换热升温，然后进入2#控温转化器的管程加热后进入主转化器的第二层触媒进行转化反应，再进入2#换热器的管程加热经一吸塔冷却后的SO2烟气；
(3)经2#换热器冷却的转化烟气进入主转化器的第一层触媒进行转化反应，然后进入2#余热锅炉冷却后去二吸塔。
本制酸工艺将高浓SO2烟气通过两个控温转化器来实现高浓SO2烟气的两转两吸过程，不需冷却空气对高浓SO2烟气换热降温，分别以未转化前的SO2低温烟气和一次吸收后的低温烟气吸收高浓SO2转化过程的反应热，实现高浓SO2控温反应的目的。因此，控温转化器的体积适中，制作难度较小。由于两个控温转化器都具有换热功能，因此直接减少了换热器的数量。本工艺流程较短，设备规格和占地面积不大，投资较经济。但是一次转化率不高，只有90％左右，为保证总转化率，从而导致二次转化率较高。
第三种转化制酸工艺
该工艺采用的设备包括SO2鼓风机、控温转化器、1#换热器、2#换热器、主转化器、2#余热锅炉、一吸塔、4#换热器、3#换热器、1#余热锅炉，各换热器均为管壳式换热器，主转化器设置四层转化触媒，具体的工艺流程如下：
(1)鼓风机送来的SO2烟气分成两路，一路直接进入控温转化器的管程被加热，另一路进入1#换热器壳程被加热后再进入控温转化器的触媒层进行转化反应，然后进入1#换热器的管程加热未经转化的SO2烟气，再与控温转化器管程出口被加热的SO2烟气混合进入2#换热器的壳程换热升温；
(2)从2#换热器壳程出来的混合气体进入主转化器的第一层触媒转化升温，出来后进入2#换热器的管程换热降温后进入1#余热锅炉中冷却；
(3)经1#余热锅炉冷却的转化烟气进入主转化器的第二层触媒进行转化反应，然后进入3#换热器的管程换热降温后进入主转化器的第三层触媒进行转化反应，再进入2#余热锅炉冷却后进入一吸塔，一吸塔中SO3气体被吸收生成硫酸，冷却后的SO2烟气先后进入4#换热器和3#换热器的壳程换热升温，再进入主转化器的第四层触媒进行转化反应，最后进入4#换热器的管程换热降温后去二吸塔。
本制酸工艺因为只有部分高浓SO2烟气进入控温转化器的触媒层，实际上只实现了部分SO2烟气的预转化功能。但以另一部分高浓SO2冷烟气进入控温转化器的管程与进入控温转化器触媒层的热烟气进行换热，所以，该控温转化器的体积是三种工艺里最小的。虽然换热设备较多，但是总转化率也较高。
利用本发明提供的新型控温转化器来实现高浓SO2烟气制酸的三种工艺，特别适合SO2浓度在20％体积含量以上的冶炼烟气制酸，能满足冶炼烟气浓度和气量的双层波动，经过验证，可有效控制转化触媒层的温度在550℃以下，甚至在450℃左右的最适宜转化温度下进行反应，仅通过一层转化就让SO2转化率在90％以上，通过上述三种工艺流程优化，可使SO2的总转化率保持在99.75％-99.95％的高水平状态。三种工艺各有优势，可根据实际情况选用。
附图说明
图1为本发明控温转化器的立面结构示意图。
图2为图1的侧视示意图。
图3为图1的俯视示意图。
图4为控温转化器应用的第一种工艺流程图。
图5为控温转化器应用的第二种工艺流程图。
图6为控温转化器应用的第三种工艺流程图。
具体实施方式
如图1至图3所示，本发明公开了一种高浓度SO2烟气控温转化器，包括壳体1、支座2、换热管3、触媒4、瓷球5、金属筛板6、低温气体进口11、低温气体出口12、高温气体进口13、高温气体出口14、触媒装填口15、触媒卸料口16、瓷球装填口17、瓷球卸料口18。
壳体1为长方体形，其底面设置支座2。长方体形状的壳体便于触媒和瓷球的装卸。
壳体内腔的宽度方向通过金属筛板分隔为三个区域，中间区域沿其长度方向连接换热管，换热管沿中间区域的高度方向布置多排，相邻排换热管错位布置。壳体上侧对应中间区域设置有触媒装填口，中间区域填满触媒，换热管被埋入触媒层中。控制转化器的高度，避免因触媒的装填量过高，使转化器底部触媒承受过大的压力出现触媒过早形变并粉化的现象。壳体下侧对应中间区域设置有触媒卸料口。另外两个区域内装填瓷球，壳体上侧和下侧对应这两个区域分别设置瓷球装填口和瓷球卸料口。触媒和瓷球的外围也通过金属筛板框住。金属筛板可以拼接，但应保持足够强度，避免因长期运行发生明显形变。瓷球层的设置用以阻挡长期运行后有触媒粉化的含尘烟气被吹入后续设备，造成设备积灰，同时防止从烟囱排放的尾气中粉尘浓度超标。
壳体的长度方向两端分别连接高温气体进口和出口、宽度方向两端分别设置低温气体进口和出口，进口和出口均为外端口径小于内端口径的锥形接口。使低温气体和高温气体呈十字交叉形式换热。锥形接口使气体能够均匀流动与分布。
壳体可采用不锈钢材料制作。或者采用碳钢制作后内衬耐火砖砌层，防止碳钢壳体发生变形被拉裂。
根据模拟和试验结果，换热管的直径宜在50-300mm之间选取。
控温转化器工作时，触媒装填口和卸料口、瓷球装填口和卸料口均封闭。
下面以三个实施例说明本发明控温转化器的应用，三个实施例的烟气均按照20％浓度SO2和18％浓度的O2进行热平衡分析，本申请所涉及的比例均为体积比。
图4所示的实施例一为三层转化触媒的控温型两转两吸转化工艺流程，控温转化器的触媒层加上主转化器的两层触媒，实现SO2体积浓度为20％烟气的高转化率。
本实施例的设备包括SO2鼓风机、余热锅炉、一吸塔、省煤器、1#换热器、2a#换热器、2b#换热器、控温转化器、主转化器、通风机、3#换热器。四台换热器均为管壳式换热器。
具体的工艺流程如下：
从SO2鼓风机送来90℃的SO2烟气分成两路，占90％左右的大量烟气经过1#换热器和2a#换热器的壳程升温至415℃，然后进入控温转化器的触媒层。控温转化器内以冷空气作为冷介质与转化反应气体进行热交换，415℃的SO2烟气在触媒层内反应达到平衡，出口SO3烟气的温度为445℃。支线路10％左右未换热升温的90℃SO2冷烟气与445℃热烟气混合至415℃进入主转化器一层触媒层转化，并反应升温至590℃。一层触媒出口SO3烟气分成两路，56％左右的烟气去2a#换热器管程降温至470℃；剩余44％左右的烟气去2b#换热器的管程降温至420℃。这两路烟气混合至448℃后进硫酸余热锅炉，并降温至190℃，副产0.8MPa低压蒸汽。190℃烟气进一吸塔吸收烟气中SO3。一吸塔出来的80℃烟气依次经过3#换热器的管程和2b#换热器的壳程，升温至425℃后进主转化器二层触媒反应，二层触媒出口450℃进入3#换热器壳程，降温至180℃后去二吸塔。
外界35℃冷空气经过通风机增压，送入控温转化器的管程，通入冷空气量与SO2烟气量的比值为1.4，冷空气升温至400℃后进入1#换热器的管程，换热降温至218.5℃后进省煤器，再次降温至90℃后可排空或加热脱硫尾气。本工艺合适的冷空气量与SO2烟气量的比值因为1.2～1.5。
图5所示的实施例二为四层转化触媒的控温型两转两吸转化工艺流程，两台控温转化器的触媒层加上主转化器的两层触媒，实现SO2体积浓度20％烟气的高转化率。
鼓风机送来的SO2烟气先进入1#控温转化器的管程升温至400℃左右，并分成两路分别进入1#控温转化器和2#控温转化器的触媒层。2#控温转化器管程通入一次吸收后的SO2烟气进行降温。两个转化器触媒层出来的500℃烟气合并后进热交换器被一次吸收后低温SO2烟气降温至317℃后进1#余热锅炉副产0.8MPa蒸汽，并进一步降温至190℃后去一吸塔。一吸塔出来的80℃烟气依次被主转化的二段触媒出口烟气和控温触媒出口烟气及2#控温转化器预热至425℃后去主转化器的二层触媒反应，经过热交换器降温至390℃后去主转化器三层触媒转化。三层出口烟气经过2#余热锅炉降温至170℃后去二吸塔，2#余热锅炉可副产0.8MPa低压蒸汽。
本流程设计对高浓SO2烟气进行分气转化，以两个控温转化器来实现高浓SO2烟气的两转两吸过程。不需冷却空气对SO2反应降温，分别以未转化前的SO2低温烟气和一次吸收后的低温烟气吸收高浓SO2转化过程的反应热，实现高浓SO2控温反应的目的。因此，控温转化器的体积适中，制作难度较小。由于两个控温转化器都具有换热功能，因此直接减少了换热器的数量。该工艺流程较短，设备规格和占地面积不大，投资较经济。
图6所示的实施例三为五层转化触媒的控温型两转两吸转化工艺流程，一台控温转化器的触媒层加上主转化器的四层触媒，实现SO2体积浓度20％烟气的高转化率。
具体工艺流程如下：鼓风机送来的SO2烟气只有一半左右进控温转化器，并被加热至490℃。另一半烟气经过热交换器壳程升温至425℃左右后去控温转化器的触媒层发生反应。触媒层出口烟气温度控制在550℃左右热交换器管程，并降温至215℃左右，与未转化的490℃烟气混合至349℃去后续3+1正常转化换热流程。
本工艺以控温转化工艺(预转化)配合传统3+1转化流程。因为只有部分SO2烟气进控温转化器，实际上只实现了部分SO2烟气的预转化功能。但该流程完全以部分未进控温转化器的高浓SO2冷烟气与进入控温转化器的热烟气进行换热，所以，该控温转化器的体积是三种流程里最小的。
上述三种实施例各有优势，可根据实际情况选用。

Claims (9)

1.一种高浓SO2烟气控温转化器，其特征在于：它包括长方体形的壳体及其支座，壳体内分为触媒层和瓷球层，瓷球层位于触媒层的两侧，触媒层内埋设有换热管，壳体的侧壁设置有低温气体进、出口和高温气体进、出口，低温气体从换热管束中流过，高浓度SO2烟气从瓷球区和触媒区流过，低温气体和高温气体交叉流动换热。
2.如权利要求1所述的高浓SO2烟气控温转化器，其特征在于：所述触媒层和瓷球层的四周分别用不锈钢金属筛板框住。
3.如权利要求1所述的高浓SO2烟气控温转化器，其特征在于：所述换热管沿所述壳体长度方向布置，有沿壳体高度方向的多排，相邻排换热管之间错位排布，换热管的直径在50-300mm之间。
4.如权利要求1所述的高浓SO2烟气控温转化器，其特征在于：所述壳体采用不锈钢材料制作，或者采用碳钢衬材料制作后内衬耐火砖砌层。
5.如权利要求4所述的高浓SO2烟气控温转化器，其特征在于：所述壳体的顶面设置有可开闭的触媒装填口和瓷球装填口，底面设置有可开闭的触媒卸料口和瓷球卸料口。
6.如权利要求1所述的高浓SO2烟气控温转化器，其特征在于：所述低温气体进、出口和高温气体进、出口均为外端口径小于内端口径的锥形接口。
7.一种高浓SO2烟气制酸工艺，其特征在于：该工艺采用的设备包括SO2鼓风机、余热锅炉、一吸塔、省煤器、1#换热器、2a#换热器、2b#换热器、控温转化器、主转化器、通风机、3#换热器，其中控温转化器采用权利要求1所述的转化器，各换热器均为管壳式换热器，主转化器设置两层转化触媒，具体的工艺流程如下：
(1)从SO2鼓风机送来的SO2烟气分成主线路和支线路，主线路的SO2烟气先后进入1#换热器和2a#换热器的壳程预热后进入控温转化器的触媒层转化升温，然后从控温转化器的烟气出口排出，支线路的SO2烟气烟气直接与控温转化器的出口烟气混合；通风机将冷空气送入控温转化器的管程与经1#换热器和2a#换热器预热的SO2烟气进行换热，加热后的空气进入1#换热器的管程加热主线路未经转化的SO2烟气，然后进入省煤器中冷却后排空或者加热脱硫烟气。
(2)经控温转化器转化后的混合气体和未经转化的SO2烟气混合后与主转化器的第一层触媒进行转化反应，出来后分成两路，其中一路进入2a#换热器的管程加热主线路未经转化的SO2烟气，另一路进入2b#换热器的管程换热降温，然后汇合进入余热锅炉中；
(3)经余热锅炉冷却的烟气进入一吸塔中，在一吸塔中，烟气中的SO3气体被吸收生成硫酸，冷却后的SO2烟气进入3#换热器的管程换热升温，然后进入2b#换热器的壳程被2b#换热器管程中经转化后的烟气加热；
(4)从2b#换热器出来的SO2烟气进入主转化器的第二层触媒中进行转化反应，然后进入3#换热器的壳程加热经一吸塔冷却的SO2烟气后去二吸塔。
8.一种高浓度SO2烟气制酸工艺，其特征在于：该工艺采用的设备包括SO2鼓风机、1#控温转化器、2#控温转化器、主转化器、1#换热器、1#余热锅炉、一吸塔、2#换热器、2#余热锅炉，其中1#控温转化器和2#控温转化器采用权利要求1所述的转化器，两台换热器均为管壳式换热器，主转化器设置两层转化触媒，具体的工艺流程如下：
(1)鼓风机送来的全部SO2烟气先全部进入1#控温转化器的管程升温后分成两路，分别进入1#控温转化器和2#控温转化器的触媒层进行转化反应，从两台控温转化器出来的转化烟气汇合进入1#换热器的管程换热降温；
(2)经1#换热器冷却的转化烟气进入1#余热锅炉冷却后进入一吸塔，在一吸塔中，SO3气体被吸收生成硫酸，冷却后的SO2烟气排出先后进入2#换热器和1#换热器的壳程换热升温，然后进入2#控温转化器的管程加热后进入主转化器的第二层触媒进行转化反应，再进入2#换热器的管程加热经一吸塔冷却后的SO2烟气；
(3)经2#换热器冷却的转化烟气进入主转化器的第一层触媒进行转化反应，然后进入2#余热锅炉冷却后去二吸塔。
9.一种高浓度SO2烟气制酸工艺，其特征在于：该工艺采用的设备包括SO2鼓风机、控温转化器、1#换热器、2#换热器、主转化器、2#余热锅炉、一吸塔、4#换热器、3#换热器、1#余热锅炉，各换热器均为管壳式换热器，主转化器设置四层转化触媒，具体的工艺流程如下：
(1)鼓风机送来的SO2烟气分成两路，一路直接进入控温转化器的管程被加热，另一路进入1#换热器壳程被加热后再进入控温转化器的触媒层进行转化反应，然后进入1#换热器的管程加热未经转化的SO2烟气，再与控温转化器管程出口被加热的SO2烟气混合进入2#换热器的壳程换热升温；
(2)从2#换热器壳程出来的混合气体进入主转化器的第一层触媒转化升温，出来后进入2#换热器的管程换热降温后进入1#余热锅炉中冷却；
(3)经1#余热锅炉冷却的转化烟气进入主转化器的第二层触媒进行转化反应，然后进入3#换热器的管程换热降温后进入主转化器的第三层触媒进行转化反应，再进入2#余热锅炉冷却后进入一吸塔，一吸塔中SO3气体被吸收生成硫酸，冷却后的SO2烟气先后进入4#换热器和3#换热器的壳程换热升温，再进入主转化器的第四层触媒进行转化反应，最后进入4#换热器的管程换热降温后去二吸塔。
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