CN104084094A - 一种转化so2浓度的装置及so2转化系统及转化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种转化SO2浓度的装置及包括该装置的SO2转化系统及转化方法，其在包含SO2的气体进入转换器之前，先经过一个转化SO2浓度的装置进行预处理。这个预处理设备包括进气口，设备壳体，短段的催化剂层，换热器，出气口。从而解决高浓度SO2进入转换器后因放热量过大损害催化剂而无法进行反应的难题，可以在提高转化率的同时达到国家规定的SO2含量排放标准。同时，本发明还能够应用于冶金、制备H2SO4等在生产程中需要通过高浓度SO2氧化生成SO3的转化反应，也可应用于其他反应物在反应过程中浓度较高放热较强烈，且热量太大会损害催化剂活性的情况。
Description
技术领域
本发明涉及烟气处理领域，尤指一种转化SO2浓度的装置及包括该装置的SO2转化系统及转化方法。
背景技术
SO2氧化生成SO3的反应在实际化工生产中应用非常广泛，通常用于制备硫酸等工业生产环节中，而SO2的来源可以是有色金属冶炼，石油化工尾气，煤燃烧尾气等。
国家规定的SO2的转化率标准在99.6％以上，要求排放到大气中的SO2含量必须极低。所以SO2在转化器中发生氧化反应生成SO2，其转化率必须达标，并且在低成本下正常运行。
SO2氧化成SO3通常采用的方法为，将SO2通入转化器中，在钒催化剂存在下进行催化氧化：
SO2+(1/2)O2＝SO3ΔH＝-99.0kJ
钒催化剂是典型的液相负载型催化剂，它以五氧化二钒为主要活性组分，碱金属氧化物为助催化剂，硅藻土为催化剂载体，有时还加入某些金属或非金属氧化物，以满足强度和活性的特殊需要。
钒催化剂须在某一温度以上才能有效地发挥催化作用，此温度称为起燃温度，通常略高于400℃。近年来，研制成功的低温活性型钒催化剂，其起燃温度降低到370℃左右，因而提高了二氧化硫转化率。转化器进口的原料气温度保持在钒催化剂的起燃温度之上，通常为410～440℃。
二氧化硫经氧化反应放出的热量，会使催化剂层温度升高，同时二氧化硫的平衡转化率也会随之降低，当温度超过650℃时，将使催化剂损坏。为此，将转化器分成3～5层，层间进行间接或直接冷却，使每一催化剂层保持适宜反应温度，以同时获得较高的转化率和较快的反应速度。
一般进入转换器的SO2浓度是转化操作中的最重要的条件之一，它的波动，引起转化温度、反应转化率的变化。当经过第一段钒催化剂的SO2浓度过高时，反应最强烈释放的热量也会最大，可能出现钒催化剂过热并失去活性的情况，甚至烧坏。具体地，一般钒催化剂的温域在410～620℃，烟气中SO2的进气浓度只能在4％—8％之间，而当进气浓度为13％或以上时，其通过转化器的第一段催化剂床程时放热量最强烈，床程出口温度就会达到700℃以上，这个温度远远的超过了催化剂的温域，会对催化剂造成严重的损害，使其失去活性。为了能够使转化反应正常进行，只有通过稀释SO2的方法进行反应，但是这样一来不仅增加了生产成本，增大了生产的繁琐性，而且加大了转换器的处理量，降低了对SO2的转换速度，SO2的转换器的工作效率非常低。同时如果稀释不均的话还会降低SO2的转化率，超出国家排放标准。
目前国内采用的转换器大部分为五段转化流程，即转换器的第一、二段床层之间用冷激气，其余的床层之间采用间壁换热式，虽然这样可以节省催化剂用量，但是如果在高浓度进气条件下，转化反应释放的热量仍非常大，而由于其冷激气都没有穿过第一、二层催化剂床层，整体催化剂床层所处的热域仍温度较高，所以SO2的转化率就会降低，一般会低至97％以下，不能达到国家规定的SO2排放标准。
发明内容
本发明的目的是提供一种转化SO2浓度的装置及SO2转化系统及转化方法，能够降低SO2进入转化器的浓度，使SO2进入转化器后，在保证高转化率及催化剂活性的前提下可以直接转化，并有效保证达到国家规定的SO2排放标准。
本发明提供的技术方案如下：
一种转化SO2浓度的装置，包括：
壳体、第一进气口、第一出气口、第一催化剂层、换热器；
其中，所述第一催化剂层设置在所述壳体内部并靠近于所述第一进气口，所述换热器设置在所述壳体内部并靠近于所述第一出气口，以使气体依次流过所述第一进气口、所述第一催化剂层、所述换热器、所述第一出气口；
其中，所述第一催化剂层的长度尺寸为600-3200mm。
进一步优选地，所述第一催化剂层的长度尺寸为900-1800mm。
进一步优选地，所述壳体为筒状壳体；
和/或；
所述第一进气口设置于所述壳体的顶部，所述第一出气口设置于所述壳体的底部，所述第一催化剂层设置于所述换热器的上方。
进一步优选地，所述第一催化剂层处的催化剂通过栅板进行支撑；
进一步优选地，所述换热器为管板式换热器，包括换热列管、上管板、下管板；
进一步优选地，所述第一进气口处设置入口分布器；
进一步优选地，所述第一出气口处设置出口气体收集器。
本发明还提供了一种SO2转化系统，包括如前述的转化SO2浓度的装置，还包括转化器；
所述转化器包括第二进气口，第二出气口，多个第二催化剂层，其中所述第二进气口与所述第一出气口相连通。
进一步优选地，多个所述第二催化剂层沿竖直方向叠加设置；
所述转化SO2浓度的装置置于顶层的所述第二催化剂层的上方。
进一步优选地，所述第一催化剂层及多个所述第二催化剂层处的催化剂为钒催化剂或铯催化剂。
本发明还提供了一种如前述的SO2转化系统所使用的转化方法，包括：
将SO2在所述转化SO2浓度的装置中进行预转化处理；
再将未转化的SO2在所述转化器中进行转化处理，得到要求的SO2含量。
进一步优选地，气体以空速2000-3500/h流过所述第一进气口；
和/或；
气体以空速3000-5000/h流过所述第一催化剂层；
和/或；
气体以空速1500-2000/h流过所述第二进气口。
进一步优选地，气体以第一温度流过所述第一进气口，在所述转化SO2浓度的装置中经过预转化处理后，以第二温度从所述第一出气口流出；
所述第二温度与所述第一温度的差值为-10℃～10℃。
进一步优选地，所述第一温度为408℃～412℃，所述第二温度为405℃～413℃。
通过本发明提供的转化SO2浓度的装置及转化系统及转化方法，能够带来以下至少一种有益效果：
1.能够降低SO2进入转化器的浓度，使SO2进入转化器后，在保证高转化率及催化剂活性的前提下可以直接转化。转化SO2浓度的装置为一预处理装置，其内部的催化剂层长度尺寸较短，当SO2以较高速度通入时，可只转化部分的SO2，因而可对包含SO2的气体进行预转化处理，使其中的部分SO2被转化。由于SO2在转化反应后会使气体温度升高，可通过换热器对气体进行换热降温，使从预处理装置中排出的气体温度范围与进入预处理装置中的气体温度范围大致相同，在降低SO2浓度的基础上同时还可有效保护催化剂的活性。本发明提供的转化SO2浓度的装置可以与转化器组合使用，组成一SO2转化系统，在预处理装置中转化了一部分SO2的气体，由于其SO2的浓度已有较大幅度的降低，之后再进入转化器进行反应，则可以有效保证转化器内部的催化剂活性，同时还可保证SO2的较高转化率，使其达到国家规定的SO2的排放标准。本发明的转化SO2浓度的装置(预反应器)如果直接通入高浓度的SO2(10—15％mol)，则通过催化剂床层时将发生剧烈反应，快速放热，导致反应温度超过催化剂床层耐受的最高温度而破坏催化剂，导致催化剂永久性失活。而将预反应器内部设置为内冷式结构则可有效解决该问题，可在预反应器内部流通冷却介质(通过换热器实现)，并通过冷却介质移出高浓度SO2反应释放的热量，可有效保证催化剂床层的反应温度小于580℃，保护催化剂活性，延长使用寿命。
2.能够应用于冶金、制备H2SO4等在生产程中需要通过高浓度SO2氧化生成SO3的转化反应，可对SO2进行两步转化，在保证高转化率及催化剂活性的前提下达到所需的SO2含量要求。
3.能够应用于其他反应物在反应过程中浓度较高放热较强烈，且热量太大会损害催化剂活性的情况，可对反应物进行两步转化，在保证高转化率及催化剂活性的前提下达到所需的反应物含量要求。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
图1是本发明的转化SO2浓度的装置的一种实施例的结构示意图；
图2是本发明的SO2转化系统的一种实施例的结构示意图。
附图标号说明：
1-第一进气口；2-第一催化剂层；3-冷却剂出口；4-换热器；5-第一出气口；6-冷却剂入口；7-壳体；8-第二进气口；9-第二出气口；10-第二催化剂层。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
在本发明的一个实施例中，参照图1，转化SO2浓度的装置包括壳体7，第一进气口1，第一出气口5，第一催化剂层2，换热器4；其中，第一催化剂层2设置在壳体7内部并靠近于第一进气口1，换热器4设置在壳体7内部并靠近于第一出气口5，以使气体依次流过第一进气口1、第一催化剂层2、换热器4、第一出气口5，例如当第一催化剂层2与换热器4沿竖直方向设置时，参照图1，第一催化剂层2设于换热器4的上方；其中，第一催化剂层2的长度尺寸较短。转化SO2浓度的装置为一预处理装置，其内部的催化剂层长度尺寸较短，为600-3200mm，当SO2以较高速度通入时，只转化部分的SO2，因催化剂层长度较短和SO2通入的速度较高，其他的SO2未来得及转化，因而可部分降低SO2的浓度；同时由于只转化部分的SO2，转化反应释放的热量在合理的范围内，不会破坏催化剂的活性。但是流经催化剂层的气体温度仍有所升高，为了进入下一步的转化器时仍能保持较高转化率并保持催化剂活性，可通过换热器对气体进行换热降温，使从预处理装置中排出的气体温度范围与进入预处理装置中的气体温度范围大致相同，这样就可在通入后续的转化器时，气体仍以低温进入转化器，在降低SO2浓度的基础上同时还可有效保护催化剂的活性。优选地，在壳体7上设有换热器的冷却剂入口6和冷却剂出口3，冷却剂的流动与气体形成逆流或错流等，换热效率较高。其中，冷却剂可采用未转化的低温气体，降低成本，同时也便于使用。
在本发明的实施例中，第一催化剂层的长度尺寸(当催化剂层沿竖直方向设置时，催化剂层的长度尺寸也可以理解为高度尺寸)为600-3200mm，优选地，第一催化剂层的长度尺寸为900-1800mm。这一长度尺寸例如为600mm、800mm、900mm、1000mm、1200mm、1500mm、1800mm、2000mm、2500mm、3000mm、3200mm，以及600-3200mm这一范围内的任一点值，都属于本发明的保护范围。
优选地，壳体为筒状壳体，参照图1、图2，壳体7为筒状，便于制造，同时也利于与内部其他结构匹配。
优选地，参照图1、图2，第一进气口1设置于壳体7的顶部，第一出气口5设置于壳体7的底部，第一催化剂层2设置于换热器4的上方。这样的结构设置可使气体依次流过第一进气口、第一催化剂层、换热器、第一出气口，且结构简单，气体的流程较短。
优选地，第一催化剂层处的催化剂通过栅板进行支撑，可使气体在流过第一催化剂层时与催化剂充分接触。
进一步优选地，所述换热器为管板式换热器，包括换热列管、上管板、下管板。管板式换热器的两端管板采用焊接方法与壳体连接固定，换热列管可为光管或低翅管。其结构简单，没有壳侧密封连接，相同的壳体内径排管最多，在有折流板的流动中旁路最小，管程可以分成任何管程数，因两个管板由管子互相支撑，故在各种管壳式换热器中它的管板最薄，造价最低，因而得到广泛应用。这种换热器适用于两种介质温差不大，或温差较大但壳程压力不高，及壳程介质清洁，不易结垢的场合。
进一步优选地，所述第一进气口处设置入口分布器，可以使烟气均布流入转化装置中。
进一步优选地，所述第一出气口处设置出口气体收集器，可收集气体后再均匀导入后续结构中。
本发明提供的转化SO2浓度的装置可以作为一个预反应器，与其他主反应器结合使用，组成一个转化系统。
本发明还提出了一SO2转化系统，参照图2，其包括上述转化SO2浓度的装置(图2中的左侧结构)，其还进一步包括转化器(图2中的右侧结构)，该转化器包括第二进气口8，第二出气口9，多个第二催化剂层10，其中，第二进气口8与第一出气口5相连通。本发明提供的转化SO2浓度的装置可以与转化器组合使用，组成一SO2转化系统，在预处理装置中转化了一部分SO2的气体，由于其SO2的浓度已有较大幅度的降低，之后再进入转化器进行反应，则可以有效保证转化器内部的催化剂活性，同时还可保证SO2的较高转化率，使其达到国家规定的SO2的排放标准。
优选地，多个所述第二催化剂层沿竖直方向叠加设置，这样可以简化转化器内部的结构，并缩短气体的流程。更优选地，将转化SO2浓度的装置置于转化器中顶层第二催化剂层的上方，这样可使转化SO2浓度的装置与转化器集成为一体，并进一步缩短气体的流程。。
优选地，第一催化剂层及多个第二催化剂层处的催化剂为钒催化剂或铯催化剂。经试验，钒催化剂或铯催化剂的催化效果较好。
本发明还提供了上述SO2转化系统所使用的转化方法，包括：
步骤一，将SO2在所述转化SO2浓度的装置中进行预转化处理；
步骤二，再将未转化的SO2在所述转化器中进行转化处理，得到要求的SO2含量。
在上述转化方法中，步骤一中的预转化处理包括转化部分SO2，并对转化后的气体通过换热器进行降温，这样就可以有效避免SO2在现有技术的一次转化中放热过多，降低转化效率同时又破坏了催化剂的活性。同时，在通入后续的转化器时，气体仍以低温进入转化器，在降低SO2浓度的基础上同时还可有效保护催化器中的催化剂活性。步骤二可通过转化器对步骤一所得的气体进行转化处理，使SO2含量达到要求值，例如达到国家规定的排放标准或SO2的其他反应中。由于步骤一已预先转化部分SO2，步骤二中通入的气体中SO2浓度已大幅度降低，其在步骤二中的转化放热也在合理范围内，保证了催化剂的活性；同时步骤二的转化器中催化剂层数量为多个，可使SO2浓度最终达到要求标准。
优选地，气体以空速2000-3500/h(m3/h)流过所述第一进气口，这样可有效保证烟气高速流入预反应器，且有效保证在预反应器中不被完全转化。烟气可以以2000-3500/h范围内的任一值流入，例如2000、2500、3000、3500等，应认为2000-3500/h这一范围内的任一点值，都属于本发明的保护范围。
优选地，气体以空速3000-5000/h流过所述第一催化剂层，这样可有效保证烟气闪速流过第一催化剂层，有效保证SO2在预反应器中不被完全转化。烟气可以以3000-5000/h范围内的任一值流过，例如3000、3500、4000、4500、5000等，应认为3000-5000/h这一范围内的任一点值，都属于本发明的保护范围。
优选地，气体以空速1500-2000/h流过所述第二进气口，可有效保证烟气以低速流入转化器中，进一步有效保证SO2在转化器中被充分转化。烟气可以以1500-2000/h范围内的任一值流过，例如1500、1600、1700、1800、1900、2000等，应认为1500-2000/h这一范围内的任一点值，都属于本发明的保护范围。
优选地，气体以第一温度流过所述第一进气口，在所述转化SO2浓度的装置中经过预转化处理后，以第二温度从所述第一出气口流出；所述第二温度与所述第一温度的差值为-10℃～10℃。可以理解为，气体在通入第一进气口时的温域与流出第一出气口时的温域接近，这一目的可通过设置换热器实现，可有效保证在通入后续的转化器时，气体仍以低温进入转化器，在降低SO2浓度的基础上同时还可有效保护催化器中的催化剂活性。优选地，第二温度与第一温度的差值为-10℃～10℃。
优选地，由于原料气体温度保持在钒催化剂的起燃温度之上，通常为410～440℃，更优选地为410℃左右。例如，第一温度为408℃～412℃，所述第二温度为405℃～413℃。这样可有效保证第一温度和第二温度更为接近。
在本发明的一个完整实施例中，如图2所示，SO2浓度为13％的烟气，其以空速3000/h进入左侧的转化SO2浓度的装置，并从第一进气口1流入，烟气温度保持在410℃左右，然后以空速4000/h通过第一催化剂层2，由于烟气与催化剂接触的时间短且是部分SO2与催化剂接触，所以它的放热量不是太大，烟气在第一催化剂层2出口的温度会达到610℃，在催化剂允许的温域之内。并且SO2的浓度会降至4％—5％左右。烟气通过第一催化剂层2后进入换热器4，SO2的浓度为4％—5％，温度610℃，通过换热器进行换热，其冷却剂可采用低温的未转化烟气，可以根据烟气量进行计算换热器的换热面积。烟气通过换热段4后SO2的浓度为4％—5％，温度为410℃左右。烟气通过第一出气口5以空速1600/h进入右侧的转化器。转化器可以采用五段(层)式的，第一、二段床层之间用冷激气，其余的床层之间采用间壁换热式，此时SO2的浓度为4％—5％，温度410℃，就能够正常的转化，由于进入转化器时的浓度低仅为4％—5％，且温底低，并且能够充分与多个催化剂层反应，所以转化器的转化率能够达到99.8％以上，符合国家规定排放标准规定。
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种转化SO2浓度的装置，其特征在于，包括：
壳体、第一进气口、第一出气口、第一催化剂层、换热器；
其中，所述第一催化剂层设置在所述壳体内部并靠近于所述第一进气口，所述换热器设置在所述壳体内部并靠近于所述第一出气口，以使气体依次流过所述第一进气口、所述第一催化剂层、所述换热器、所述第一出气口；
其中，所述第一催化剂层的长度尺寸为600-3200mm。
2.根据权利要求1所述的转化SO2浓度的装置，其特征在于：
所述第一催化剂层的长度尺寸为900-1800mm。
3.根据权利要求1所述的转化SO2浓度的装置，其特征在于：
所述壳体为筒状壳体；
和/或；
所述第一进气口设置于所述壳体的顶部，所述第一出气口设置于所述壳体的底部，所述第一催化剂层设置于所述换热器的上方；
和/或；
所述第一催化剂层处的催化剂通过栅板进行支撑；
和/或；
所述换热器为管板式换热器，包括换热列管、上管板、下管板；
和/或；
所述第一进气口处设置入口分布器；
和/或；
所述第一出气口处设置出口气体收集器。
4.一种SO2转化系统，其特征在于：
包括权利要求1-3任一项所述的转化SO2浓度的装置，还包括转化器；
所述转化器包括第二进气口，第二出气口，多个第二催化剂层，其中所述第二进气口与所述第一出气口相连通。
5.根据权利要求4所述的SO2转化系统，其特征在于：
多个所述第二催化剂层沿竖直方向叠加设置；
所述转化SO2浓度的装置置于顶层的所述第二催化剂层的上方。
6.根据权利要求4所述的SO2转化系统，其特征在于：
所述第一催化剂层及多个所述第二催化剂层处的催化剂为钒催化剂或铯催化剂。
7.根据权利要求4-6任一项所述的SO2转化系统所使用的转化方法，其特征在于，包括：
将SO2在所述转化SO2浓度的装置中进行预转化处理；
再将未转化的SO2在所述转化器中进行转化处理，得到要求的SO2含量。
8.根据权利要求7所述的转化方法，其特征在于：
气体以空速2000-3500/h流过所述第一进气口；
和/或；
气体以空速3000-5000/h流过所述第一催化剂层；
和/或；
气体以空速1500-2000/h流过所述第二进气口。
9.根据权利要求7所述的转化方法，其特征在于：
气体以第一温度流过所述第一进气口，在所述转化SO2浓度的装置中经过预转化处理后，以第二温度从所述第一出气口流出；
所述第二温度与所述第一温度的差值为-10℃～10℃。
10.根据权利要求9所述的转化方法，其特征在于：
所述第一温度为408℃～412℃，所述第二温度为405℃～413℃。
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