李 盈

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

0 前言

硫酸是一种重要的化工原料，用途十分广泛，是现代工业的基础。从19世纪发明接触法制硫酸后，人类才能大规模、低成本地制造工业所需的硫酸。而转化器是接触法制硫酸的核心设备，接触法制硫酸经历了铂系催化剂和钒系催化剂时代，转化器一直在硫酸生产中发挥重要作用。其主要作用是使二氧化硫和氧气在催化剂的作用下转化成三氧化硫，供吸收塔吸收成硫酸。

转化器在构造上大致可以分为内部换热式和外部换热式两种。内部换热式转化器即反应热在转化器内与冷SO2气体进行交换，优点是能够形成接近最佳操作的温度分布，但这种转化器阻力大，设备费用高，维修困难，现运行得较少。外部换热式转化器即气体换热过程交由专门的换热器来实现，结构较为简单，而且由于把易出现泄漏的换热器与转化器分离，使得设备维修快，因维修而停工的时间短，现较为常见的是中心筒型转化器和桩柱式转化器两种。本文通过对比的方式对中心筒型转化器进行了研究。

1 中心筒型转化器的结构

典型中心筒型转化器主要由两个竖立的同心圆筒、触媒支撑加上弧形隔板以及顶盖和底板组成，如图1所示。

图1 中心筒型转化器的典型结构

1.1 弧形隔板

弧形隔板是中心筒型转化器和桩柱式转化器的一个主要区别。

1)中心筒型转化器的弧形隔板。是由薄钢板直接弯曲制成，主要利用整个隔板的弧形结构来吸收本身的热膨胀，具有结构简单、造价低等特点。弧形隔板的强度计算一般是基于隔板结构具有轴对称的特点，将隔板简化成两端固定的曲梁对隔板的强度与刚度进行分析。这种简化方法在对特殊结构的隔板进行计算时不易使用，由于仿真技术的发展，现可以通过FEA软件对隔板进行计算，达到最优的设计效果。

2)桩柱式转化器的隔板。隔板采用整块平板结构确保不同转化段间不窜气，在隔板上焊接型钢加固，避免隔板本身受热变形，采用吸胀弧板来吸收整个隔板产生的热膨胀。这种隔板形式可靠性好，但结构复杂，造价高。桩柱式转化器的隔板如图2所示。

图2 桩柱式转化器隔板结构

1.2 触媒支撑

触媒支撑主要有两种形式：

1)横梁上铺设大开孔的格栅板结构。这种结构与桩柱式转化器相同，只是横梁被安装在外壳和中心筒之间。

2)采用带网眼的弧形栅板结构，同弧形隔板一样，用薄钢板弯曲成弧形，然后在薄板上开尽可能多的直径较小的孔，最后焊接在转化器外壳和中心筒之间。这种结构的优点是制作简单、节省材料，但是其整体阻力较桩柱式大很多。造成阻力大的主要原因是采用弧形结构来解决热膨胀问题，导致栅板的厚度就不能过大；其次，弧形栅板是触媒的支撑，需在转化温度下有支撑触媒所需的强度，因而限制了弧形栅板上开孔的数量，导致开孔率偏低，设备阻力偏高。弧形栅板的开孔率大约为25%～30%，而普通桩柱式转化器栅板的开孔率可接近90%，即使扣除支撑梁的影响，整个设备的开孔率也在75%左右[1]。

1.3 中心筒

中心筒是中心筒型转化器最显著的特征，它代替了桩柱，对转化器的触媒层和隔板起到了支撑作用；同时，它也是一个进气口。由于中心筒处于转化器的中心轴位置，因此相比于壳体上的进气口，从中心筒进气易达到气体分布均匀的效果。但中心筒进气时，由于进气口较小，气流速度快，如果不加设布气措施，会导致进气口附近的触媒被高速气流吹走，使靠近中心筒的触媒层厚度变薄，SO2不能充分转化，触媒之间的摩擦也被加剧，使得触媒粉化严重，缩短其寿命，从而使得运营成本增加。因此需要对中心筒进气的布气结构做优化处理，以达到良好的布气效果。另外，由于中心筒从下至上贯穿整个转化器，应在中心筒内部进行隔热处理，避免转化器各段通过中心筒进行热传递，影响转化率。

2 中心筒型转化器中的反应及转化过程

转化器最根本的目的是为触媒提供一个适合的场所，使SO2转化SO3的过程能够顺利进行。现有触媒主要是钒催化剂，以V2O5为主要活性成分，以硅藻土为基体，以钾等碱金属的硫酸盐为助催化剂。

2.1 SO2的催化反应过程

SO2在催化剂催化下的反应过程[2]如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

综上，总反应方程式为：

(5)

2.2 SO2在触媒层上的转化过程

SO2在触媒层上的转化过程，主要由下列几个依次相连的阶段构成：

1) SO2和O2分子从气体趋近于催化剂颗粒表面。

2) 反应物分子继续向催化剂的孔隙内扩散到达各个颗粒的内表面上。

3) 在内、外表面进行反应。

4) 反应生成物SO3集向颗粒的外表面。

5) 反应生成物SO3从外表面转入气流中[3]。

3 中心筒型转化器的材料选择

转化器的材料选用不当，不但会影响转化器的结构可靠性，而且可能会在生产过程中被高温氧化，产生氧化铁，在气流的冲刷下产生粉尘。而如果粉尘聚集在触媒表面，会使触媒颗粒结成块状，妨碍SO2通过触媒之间的间隙，并堵塞触媒的毛细管阻止气体进入内表面，这样会影响反应气体的均匀分布，使触媒层活性降低，并增大气体通过的阻力。虽然触媒过筛时，能除掉大部分粉尘，但触媒的活性成分也被除掉，降低了活性，使触媒的寿命缩短。因此转化器的选材非常重要，会对生产运行有很大影响。转化器的材料主要有耐温铸铁、碳钢和不锈钢三类。

3.1 耐温铸铁

耐温铸铁一般用于制造格栅板、支撑梁和立柱。部分转化器的一段温度在600 ℃以上，这种情况可选用耐热铸铁HTRTCr16，根据某标准[4]，其耐温可达900 ℃；而在温度较低的工况下，可以选用HTRTCr2，其耐温为600 ℃。

3.2 碳钢

碳钢可以用于制造整个转化器，由于价格低，碳钢转化器的费用较不锈钢转化器便宜很多，在业主要控制建设成本的情况下可能会倾向这种材质。碳钢在高温下会被氧化产生氧化铁皮，堵塞触媒层，需要通过渗铝来增强抗氧化腐蚀能力。渗铝是将金属(包括低碳钢、不锈钢、铸铁等)进行表面化学热处理，使钢材表面形成0.1～0.3 mm厚的铝- 铁合金层，从而使其使用温度比原母材提高200～300 ℃；对于低碳钢还可显著提高其抗氧化耐腐蚀性能，延长使用寿命，在某些场合甚至可代替耐热钢或不锈钢使用。国内外的多次实验及实践均证明，只要渗铝层表面具有不低于7%的含铝量，就能保护金属基体，减慢甚至阻止氧化和腐蚀[5]。需要注意喷铝和渗铝的区别，表面喷铝，由于铝层是喷镀上去的，没有形成铝- 铁化合物，在高温下铝层易融化或脱落，使用效果不好。同时也要注意碳钢渗铝的以下缺点：

1) 铝层减薄甚至消失。这可能是由于部分铝蒸发或是部分铝向钢材内部扩散导致。这两种因素相结合，导致钢件表面铝层的劣化，使得抗氧化性能下降，降低钢件的使用寿命。渗铝层的劣化和钢件的使用温度相关，温度越高，其劣化速度越快，使用寿命也越短。

2) 渗铝虽然能抗氧化腐蚀，但该钢件在高温下强度仍与碳钢相同，在420～630 ℃的操作温度下，机械性能明显下降，强度与刚度都很差，在压力作用下易发生蠕变，导致壳体变形或者催化剂床层坍塌。

3.3 不锈钢

转化器不锈钢材质使用较多的是S30408不锈钢。在420～600 ℃温度下，S30408不锈钢仍具有足够的许用强度[6]，按照某标准[7]提供的数据，S30408在650 ℃时许用应力为42 MPa，因此不锈钢转化器较碳钢设备能减少不少的钢材使用量。同时，不锈钢转化器省去了耐火材料衬里、表面喷铝等施工工序，可避免因不同的线膨胀系数引起的不同伸缩量，消除热应力，壳体只需采用外保温即可。

4 结论

综上所述，中心筒型转化器的主要优点如下：

1) 较桩柱式转化器节省材料近20%，能显著减少投资。

2) 气体分布效果较好。特别是转化效率高的一段、二段，可以从中心筒位置进气，保证了气体在转化器水平截面上的良好分布，使得气体能均匀地通过催化剂层，不会造成部分催化剂温度过高的现象。

3) 不会因为钢立柱的设计、制造或安装出现问题导致床层坍塌。

4) 制造较为简单，施工工期较短。

总之，与桩柱式转化器相比，中心筒型转化器在设计上有较明显的优势，避免了桩柱式转化器在生产过程中出现的一些问题，降低了由于操作失误或工况不稳定引起的转化器内部温差过大而造成设备损坏的几率，减少了因设备维修而停车造车的损失。因此，中心筒型转化器有着广泛的应用前景。