800 kt/a硫黃制硫酸裝置干燥塔技術(shù)改造

楊家紅，金 斌，姜 威

（云南磷化集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650600）

云南磷化集團(tuán)有限公司800 kt/a 硫黃制硫酸裝置于2011 年開工建設(shè)，2014 年6 月投料開車成功，前期運(yùn)行比較平穩(wěn)，運(yùn)行2 ～3 年后干燥塔阻力降增加，裝置經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效率明顯下降。分析干燥塔阻力降增加的原因后，2019年6月對干燥塔填料進(jìn)行更換優(yōu)化，系統(tǒng)阻力降明顯降低，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行負(fù)荷明顯提升，經(jīng)過近9個月的運(yùn)行，干燥塔出口空氣水分和酸霧含量完全滿足工藝控制要求，各項經(jīng)濟(jì)運(yùn)行指標(biāo)達(dá)到預(yù)期效果。

1 技術(shù)改造前裝置運(yùn)行情況

1.1 干燥塔、填料裝填、分酸器設(shè)計基本情況

干燥塔為碳鋼制作成卷板再焊接而成，塔總高度為17 600 mm，內(nèi)徑為7 200 mm，內(nèi)襯耐酸磚，填料層高度為5 000 mm；采用階梯瓷環(huán)填料，其中3"階梯瓷環(huán)裝填量約180 m3，裝填高度為4 500 mm，1.5"階梯瓷環(huán)裝填量約20 m3，裝填高度500 mm；分酸器為管槽式，在分酸槽底部至下液管與3"階梯瓷環(huán)分層處以上裝填1.5"階梯瓷環(huán)。

1.2 運(yùn)行情況

800 kt/a 硫黃制硫酸裝置投料開車以來，前期下游生產(chǎn)裝置產(chǎn)能未充分發(fā)揮，硫酸裝置運(yùn)行負(fù)荷基本維持在60% ～70%，干燥塔阻力降增加的問題沒有顯現(xiàn)。隨著下游生產(chǎn)裝置負(fù)荷逐漸提高，裝置運(yùn)行負(fù)荷升至85% ～100%，干燥塔阻力降增加的問題也凸顯出來。運(yùn)行過程中，干燥塔出口空氣水含量分析數(shù)據(jù)均達(dá)標(biāo)，從分酸器層觀察孔視鏡檢查，塔內(nèi)出現(xiàn)填料被吹翻和液泛現(xiàn)象，塔內(nèi)分酸槽部分出現(xiàn)漫槽情況，除霧器除沫負(fù)荷增加，導(dǎo)致塔出口至焚硫爐之間管道冷凝酸積累較多，影響了裝置的安全運(yùn)行，為避免干燥空氣帶液，裝置負(fù)荷控制在93%左右運(yùn)行。

1.3 干燥塔阻力降情況

干燥塔阻力降情況詳見表1。

表1 干燥塔阻力降情況

2 干燥塔阻力降增加原因分析

2.1 環(huán)境因素

800 kt/a 硫酸裝置地處云南昆明晉寧區(qū)二街工業(yè)園區(qū)，園區(qū)內(nèi)主要有磷礦采選、精細(xì)化工等產(chǎn)業(yè)。硫酸裝置與公司的磷礦采選廠相鄰，在原礦堆場，原礦生產(chǎn)裝卸、破碎工序，汽車運(yùn)輸環(huán)節(jié)容易產(chǎn)生揚(yáng)塵，硫酸裝置布置在下風(fēng)側(cè)，導(dǎo)致灰塵擴(kuò)散至裝置區(qū)域內(nèi)，揚(yáng)塵在透平機(jī)組風(fēng)機(jī)抽力的作用下，隨空氣經(jīng)機(jī)組之后，進(jìn)入到干燥塔內(nèi)，與吸收硫酸接觸后進(jìn)入干燥循環(huán)酸槽，由循環(huán)酸泵送入塔內(nèi)，酸液下降過程中，灰塵就滯留在吸收通道中，隨著時間推移，通道截面積越來越小，局部被堵塞，造成干燥塔進(jìn)出口壓差增大。

2.2 人和管理因素

填料裝填環(huán)節(jié)施工方存在監(jiān)管不到位，裝填人員多、技術(shù)參差不齊，裝填過程中對瓷環(huán)保護(hù)不到位，導(dǎo)致瓷環(huán)粉碎，致使流通截面積有所減小，甚至出現(xiàn)堵塞，造成干燥塔進(jìn)出口壓差增大。

2.3 頻繁調(diào)整負(fù)荷因素

為滿足上下游裝置生產(chǎn)物料供需平衡，需要頻繁調(diào)整裝置負(fù)荷，過程中系統(tǒng)工藝參數(shù)控制不穩(wěn)定，初期干燥塔進(jìn)口空氣流量、氣速和吸收酸溫度等發(fā)生較大波動，致使干燥塔吸收平衡被破壞，產(chǎn)生大量酸霧，導(dǎo)致除霧器負(fù)荷增加，大量酸霧與氣流帶入轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。在負(fù)荷升降過程中，由于觸媒層反應(yīng)溫度控制不穩(wěn)定，酸霧進(jìn)入觸媒層后，部分不冷凝酸霧以游離狀態(tài)隨二氧化硫氣體進(jìn)入觸媒接觸反應(yīng)表面，與觸媒中的硅藻土接觸后，造成觸媒機(jī)械強(qiáng)度衰減和反應(yīng)活性下降，觸媒反應(yīng)接觸表面積減少，經(jīng)過長期運(yùn)行，部分出現(xiàn)粉化，導(dǎo)致系統(tǒng)整體阻力增加，造成干燥塔進(jìn)出口壓差增大。

3 干燥塔技改方案

經(jīng)過前期資料收集、技術(shù)分析、借鑒類似裝置的經(jīng)驗和交流學(xué)習(xí)，編制了技改方案。2019年6月利用裝置大修實施技改，在透平機(jī)組進(jìn)口前將被動式空氣過濾器更換為自潔式空氣過濾器，并對干燥塔填料進(jìn)行全部更換。

3.1 更換空氣過濾器

為了防止空氣過濾器濾芯堵塞，將原來的被動式空氣過濾器更換為自潔式空氣過濾器，定時用壓縮空氣對空氣濾芯進(jìn)行吹掃，吹掃時間間隔設(shè)定與電磁閥進(jìn)行聯(lián)鎖控制，解決了人工定期拆換空氣過濾器濾布過程中粉塵進(jìn)入干燥塔的問題。

3.2 填料選用

在工業(yè)硫酸生產(chǎn)中，干燥塔大多采用耐酸堿性能好的陶瓷填料，由于應(yīng)用習(xí)慣和設(shè)計方便原因，多數(shù)新建裝置仍采用效率低下的散堆填料，如矩鞍環(huán)、階梯環(huán)等，運(yùn)行效果較差，運(yùn)行過程中系統(tǒng)阻力降增大，干燥空氣水分不穩(wěn)定甚至超標(biāo)，酸泥容易堆積在填料吸收通道間，需要定期清洗和篩揀，且過程中容易造成填料損壞，運(yùn)行工況較差，后期維護(hù)成本較高。施工單位結(jié)合本裝置干燥塔運(yùn)行工況參數(shù)與其他類似裝置填料使用情況反饋，推薦使用S 流線型波紋規(guī)整填料A 型、B 型、ZP100 型3種，S流線型波紋規(guī)整填料的優(yōu)點是阻力降只有傳統(tǒng)規(guī)整填料的1/2，具有抗堵塞性，在同類裝置中擁有成功運(yùn)行案例，理論和技術(shù)比較成熟，應(yīng)用廣泛。

3.3 裝填量及裝填方案

裝填量: S 流線型波紋規(guī)整填料B 型裝填高度為1 500 mm，A型+ZP100型裝填高度為3 000 mm；其上部再鋪設(shè)高度約200 mm 的3"階梯瓷環(huán)，與鑄鐵管式分酸器分酸支管齊平。

裝填方案：S 流線型波紋規(guī)整填料分3 層安裝（見圖1），從下到上依次為氣態(tài)分布層、氣液交換層、液態(tài)分布層。氣態(tài)分布層，利用ZP100型填料大容積、多孔特性，使得氣體在氣態(tài)分布層形成氣室，保證干燥塔氣體流速均勻分布；氣液交換層，S 流線型波紋規(guī)整填料A 型比表面積大，阻力低，填料層與層之間呈180°垂直過渡，使酸泥等流體雜質(zhì)順吸收通道進(jìn)入塔底部，不會造成堵塞，均勻分布的氣、液在氣液交換層充分混合交換傳質(zhì)，傳質(zhì)效率大幅度提升；液態(tài)分布層，S流線型波紋規(guī)整填料B型比表面積大，通道大，具有強(qiáng)制液相均勻分布的特點，保證分酸均勻，有效避免股流。安裝時S流線型規(guī)整填料層與層間按照特殊角度旋轉(zhuǎn)安裝，使得氣液在塔內(nèi)呈螺旋狀路徑流走，在氣速、噴淋量不變的情況下，延長了氣液行走路程，增加了氣液交換時間，有效提升了干燥效率。

圖1 填料裝填示意

4 技術(shù)改造后裝置經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析

截至2020年2月，透平機(jī)組和干燥塔運(yùn)行工況數(shù)據(jù)顯示，目前運(yùn)行正常，各項參數(shù)優(yōu)于更換前，干燥塔阻力降高、吸收通道堵塞、填料局部被吹起、液泛現(xiàn)象等全部消除，填料層沒有出現(xiàn)分酸不均勻或股流的現(xiàn)象。透平機(jī)組汽輪機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速由4 650 r/min 下降至4 450 r/min，風(fēng)機(jī)出口風(fēng)壓達(dá)到48.5 kPa，可滿足裝置100%負(fù)荷運(yùn)行，裝置運(yùn)行各項經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)較好，達(dá)到預(yù)計效果。填料更換前后裝置運(yùn)行情況對比詳見表2。

表2 填料更換前后干燥塔及裝置經(jīng)濟(jì)運(yùn)行情況對比

4.1 風(fēng)壓變化

透平機(jī)組汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速為4 450 r/min，出口風(fēng)壓為48.5 kPa，干燥塔出口風(fēng)壓為46.0 kPa，滿足裝置負(fù)荷100%運(yùn)行，塔進(jìn)出口阻力降為2.5 kPa，下降了63%，解決了干燥塔阻力降大和生產(chǎn)負(fù)荷提升難的問題。

4.2 生產(chǎn)能力

填料更換后，在同等汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速下，裝置生產(chǎn)能力提高了11.8%，主要原因是干燥塔阻力降為2.5 kPa，干燥塔出口風(fēng)壓提高了17.3%，進(jìn)入焚硫爐風(fēng)量增加，壓力上升，成品硫酸產(chǎn)量達(dá)到或高于設(shè)計值，使裝置潛能得到充分發(fā)揮。

4.3 中壓蒸汽變化

在透平機(jī)組進(jìn)口前將被動式空氣過濾器更換為自潔式空氣過濾器并更換干燥塔填料后，汽輪機(jī)中壓蒸汽消耗較之前減少，出口風(fēng)壓增加，發(fā)電機(jī)組中壓蒸汽消耗增加。

4.4 粉塵含量變化

運(yùn)行一個月左右，對進(jìn)入自潔式空氣過濾器前后的空氣質(zhì)量進(jìn)行3次取樣分析，分析時間及結(jié)果如下：2019-07-23空氣中ρ（粉塵）過濾前為6.00 mg/m3，過濾后為0.33 mg/m3；2019-07-24 空氣中ρ（粉塵）過濾前為7.60 mg/m3，過濾后為0.25 mg/m3；2019-07-25空氣ρ（粉塵）過濾前為6.40 mg/m3，過濾后為0.28 mg/m3。粉塵過濾量分別為94.5%、96.7%、95.6%，空氣質(zhì)量顯著提高。

4.5 效益分析

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速均在4 450 r/min運(yùn)行時進(jìn)行比較，技改前硫酸產(chǎn)量約為90.2 t/h，技改后產(chǎn)量約為100.8 t/h，硫酸產(chǎn)量增加了10.6 t/h，按每年裝置滿負(fù)荷運(yùn)行330 d計算，每年硫酸產(chǎn)量增加83 952 t，硫酸生產(chǎn)成本按400元/t 計算，增加產(chǎn)值約3 358萬元/a；技改前噸酸中壓蒸汽發(fā)電量約為40 kW·h，技改后約為48 kW·h，增加了8 kW·h，每年增加發(fā)電量671 616 kW·h，按0.35元/（kW·h）計算，增加直接經(jīng)濟(jì)效益約23.5萬元/a，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

5 結(jié)束語

干燥塔填料更換為S 流線型波紋規(guī)整填料后，裝置一直滿負(fù)荷運(yùn)行，運(yùn)行工況完全滿足生產(chǎn)需要，干燥塔和自潔式空氣過濾器運(yùn)行正常。從質(zhì)檢分析數(shù)據(jù)看，空氣質(zhì)量（粉塵）、空氣水分、干燥塔出口酸霧3 項指標(biāo)均低于技改前。裝置滿負(fù)荷運(yùn)行工況數(shù)據(jù)顯示，透平機(jī)組汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速為4 450 r/min，出口風(fēng)壓為48.5 kPa，干燥塔出口風(fēng)壓為46.0 kPa，塔進(jìn)出口阻力降為2.5 kPa，下降了63%，解決了制約生產(chǎn)的瓶頸，達(dá)到技改要求，提高了裝置的生產(chǎn)能力，實現(xiàn)了裝置穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。按每年裝置滿負(fù)荷運(yùn)行330 d計算，增加硫酸產(chǎn)量83 952 t/a，增加產(chǎn)值約3 358萬元/a；增加發(fā)電量671 616 kW·h/a，增加直接經(jīng)濟(jì)效益約23.5 萬元/a，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。