丙烯酸廢氣裝置催化氧化問題及優化方案

馬智超

（中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086）

催化劑以高溫合金鋼金屬蜂窩為載體，在停車檢修過程當中，工作人員發現所使用的廢氣催化劑，在局部位置出現了燒毀問題。催化劑以高溫合金鋼金屬蜂窩為載體，由于局部熱點失去了韌性，在輕輕接觸之后出現斷裂粉碎；在高溫穩定化處理的氧化鋁涂層上，以高度分散的鉑、鈀貴金屬活性組分也出現了涂層嚴重脫落的情況。針對新更換催化劑使用未到12個月出現局部燒毀問題，進行有針對性的分析以及處理，以此避免此類現象重復出現，提升廢氣處理的效率，延長裝置長周期運行。

1 尾氣處理單元

1.1 催化劑反應原理

在現階工業有機廢氣是造成空氣污染最嚴重的一種工業污染源。為此就需要采用催化燃燒的處理方式使有機廢氣轉化成無毒無害氣體，才能避免對周圍的空氣造成嚴重的污染和影響。在本文的研究的催化劑是一種貴金屬蜂窩類型的固定床催化劑，其外觀尺寸在565×590×90mm，橫截面開孔率400目/平方英寸，床層起燃溫度280℃，而在催化劑的運行過程中，其床層的最高溫度不可以超過650℃。由于其丙烯酸裝置當中有著各種各樣的物質成分，通過催化氧化對尾氣當中的有害物質，進行全面的處理，充分的保障排出的尾氣，能夠在合理的范圍當中。

本系統采用貴金屬鉑、鈀催化劑，在200～650℃的條件下使丙烯酸尾氣和廢水中的揮發性有機組分與空氣中的氧氣反應，形成對環境無害的二氧化碳和水。催化反應如下：

1.2 技術特點

在催化氧化過程中，該催化劑有著較大的優勢性。例如，高溫穩定化處理的氧化鋁載體和耐高溫、耐腐蝕合金鋼骨架，確保催化劑不被燒結，保持催化劑穩定的比表面積。

催化劑模塊所采用的高溫不銹鋼包邊，以及合金鋼骨架，相比陶瓷催化劑，可以在使用的過程中，有著較強的機械強度。模塊化設計便于檢修時催化劑順利的進行裝卸、清理催化劑，延長催化器的使用壽命。同時，整體結構上，使用的是高度分散的貴金屬，加大了廢氣催化氧化的接觸面積。催化劑金屬蜂窩狀結構有著較為低的阻力，以此在實際運行中，防止廢氣局部區域停留時間過長，過度氧化導致飛溫的情況發生。并且，蜂窩狀結構可以增加廢氣的湍流程度，使廢氣盡可能的均勻氧化。在一些溫度較高的環境下，蜂窩狀結構也能有著一定程度的形變熱穩定性。

1.3 基本操作

在運行的過程中，首先需要對反應器入口的溫度進行合理的控制，本系統采用丙烯酸裝置的DCS系統和SIS對丙烯酸尾氣催化燃燒處理系統進行控制、監視和聯鎖停車。反應器入口正常操作溫度為280～400℃。正常操作過程中，應保持催化反應器入口溫度在正常操作范圍內，這樣可以使催化反應效率最高。生產過程中一旦低于正常操作溫度，催化劑活性低，無法完全轉化尾氣中有機物；高于正常操作溫度，系統容易飛溫，甚至在嚴重的情況下可能燒毀催化劑。

正常操作工況下，催化反應器的出口溫度控制在550～620℃，催化反應器的出口溫度與反應器的入口溫度、丙烯酸尾氣的組成和循環氣量有關。正常操作過程中，應維持反應器出口溫度在正常范圍內。反應器出口溫度低于正常操作溫度，無法完全轉化尾氣中的有機物，應提高反應器入口溫度或減少循環稀釋氣體流量來提高反應器出口溫度；同時，反應器的出口溫度也不能太高，如果反應器的出口溫度高于最高操作溫度，就會縮短催化劑壽命甚至燒毀催化劑。此時，應降低反應器入口溫度或增大循環稀釋氣體流量來降低反應器出口溫度。反應器 R-5101出口測溫TI-51203A、B、C、D、E、F、G七者中有兩者最大值超過640℃時，廢氣單元聯鎖停車，丙烯酸尾氣放空閥HV-51002A全開，丙烯酸尾氣調節閥HV-51002B全關。

2 廢氣催化氧化催化劑問題及優化

圖1 廢氣處理控制系統

本文分析的丙烯酸及酯裝置急冷塔塔頂排出的尾氣中含有丙烯、丙烷、甲醛、乙醛、丙烯酸和一氧化碳等對環境和人體有害的成分。尾氣催化燃燒處理系統采用先進的催化氧化技術處理這些有機物，該系統擔負著處理丙烯酸及酯裝置排出的丙烯酸廢氣，使排放的尾氣達到規定要求的任務。

在本文主要分析該裝置在2018年大修時新更換的廢氣催化劑，但開工后的第一個生產周期內，該裝置各項工藝生產參數都處于正常的范圍當中，其廢氣催化劑的催化轉換率降低，外排廢氣非甲烷總烴含量不斷的上升，停車檢修發現催化劑出現局部飛溫燒毀情況發生。

對反應器及內部催化劑模塊損壞程度詳細檢查后，對催化劑損壞的區域分布詳細研究并分析其原因，經過針對性的組織和討論后，得出催化劑損壞的主要原因及調整措施：

（1）催化劑暴露在極高高溫下將極大地減少催化劑的壽命，在更換催化劑后的整個周期內，反應器出口溫度都在610～620℃之間，任何時候都未出現催化劑的出口溫度超過640℃（連鎖溫度）。現階段所使用催化劑的載體高溫蜂窩狀合金鋼，其耐高溫的實際情況，并沒有實現設計的實際要求，催化劑載體耐高溫性能需要提升。（2）催化劑模塊分兩層擺放在反應器內，廢氣通過內層催化劑床層起燃溫度280℃左右開始反應升溫，通過外層催化劑反應終結溫度可達610～620℃，反應床層溫度分布并不均勻，外層催化劑床層溫度計較高，導致外層催化劑燒毀較為嚴重。催化劑蜂窩狀流道其表面氧化鋁涂層上具有的高度分散的鉑、鈀貴金屬活性組分采用均勻的方式分布，廢氣穿過催化劑床層催化反應過程中反應熱點集中在外層催化劑。

針對上述的問題進行優化過程中，首先需要有效的提升其催化劑整體的耐高溫性能，不僅催化劑的合金鋼載體，也包括包含貴金屬的氧化鋁涂層，這兩方面有效的提升耐高溫的極限范圍，才能有效防止催化劑涂層脫落，延長催化劑使用壽命。同時，在保障廢氣催化反應轉化率的前提下，貴金屬涂層中高度分散的鉑、鈀含量應進行合理的分布和設計，外層催化劑因反應溫度高，催化劑活性大，應結合廢氣通過內層催化劑后有機組份降低的百分比、溫度、催化劑活性綜合計算鉑、鈀含量及分布，使廢氣催化反應的床層溫度分布更均勻，避免局部熱點和飛溫情況的出現。

從工藝操作角度出發，丙烯酸兩級氧化丙烯醛及丙烯酸反應器的轉化率，決定了廢氣裝置廢氣進料中的有機組份含量，丙烯醛及丙烯酸反應器適當提溫可以提高轉化率，降低廢氣裝置的負載壓力；調整循環鼓風機，增大廢氣外排循環量FI-51002，可以有效降低丙烯酸廢氣中有機物含量。調整空氣鼓風機，增加廢氣中空氣含量，降低廢氣中有機物含量的同時也降低了廢氣反應器入口溫度。在保證廢氣反應器入口溫度滿足催化劑床層起燃溫度的前提下，催化轉化率合格的基礎上，盡可能的降低廢氣中有機組份含量對控制催化劑床層溫度是非常有效的措施。

3 結語

綜上所述，在對丙烯酸廢氣裝置催化劑局部燒毀失效進行探討的過程中，首先需要明確出其設備運行的實際原理，之后對出現的問題，進行有針對性的解決和處理，進而保障催化劑能夠安全平穩長周期運轉，在運行的整個生命周期中轉化率穩定。