催化劑焙燒爐余熱利用裝置改造實踐

周文杰，王曉勉，羅 沖，田 坤

(1.貴州威頓催化技術有限公司，貴州 銅仁 554300；2.貴州威頓催化技術有限公司技術中心，貴州 銅仁 554300；3.貴州威頓催化技術有限公司釩系催化劑工業設計中心，貴州 銅仁 554300)

硫酸是我國工業化進程中非常重要的物質，廣泛用于金屬冶煉、石油化工、現代能源等領域[1-2]。接觸法生產硫酸的關鍵是將SO2催化轉化為SO3，因而釩催化劑是這一過程高效進行的重要材料[3]。在其生產制備過程中，高溫焙燒是較為關鍵的環節，不僅要使催化劑半成品基體中的輔助物質及殘留物燒蝕掉，同時還需對堿金屬釩硫酸鹽進行活化，以保證催化劑的物化性能處于較佳狀態[4]。通常情況下，經干燥處理的催化劑半成品，將進入焙燒爐中在500～600 ℃ 溫度條件下進行富氧焙燒處理約30～50 min[5]。采用網帶回轉式焙燒爐對催化劑進行高溫富氧焙燒處理時，為滿足出爐產品質量技術要求，在焙燒爐后面的第6段、第7段需對其進行降溫處理，因而降溫階段和廢氣排風過程將會帶走很大一部分的熱量，從而增加了生產的能耗和成本。

1 余熱回收結構及功能

焙燒爐為單層框架組裝式結構，由外部鋼架結構、爐內膽、爐體保溫材料結構等組成。窯爐主體長度為 17500 mm，由7個長度為 2500 mm 的鋼架框架模塊單元(箱體)組成(如圖1所示)。爐體沿長度方向劃分為干燥升溫段、恒溫段和降溫冷卻段三個區段。三個區段長度分別為：升溫段 5000 mm(2個單元)，恒溫段 7500 mm(3個單元)，降溫段 5000 mm(2個單元：第6和第7段)。傳動系統、電加熱系統有機組合安裝于爐窯設備本體結構上，并在網帶爐窯加料斗至窯入口前端區域采取封堵措施。

焙燒爐示意圖

1.1 電加熱循環系統

電加熱循環系統包括加熱系統、循環風機及導風勻風系統三個部分。循環風機設置在各個單元部位，采用耐高溫C式傳動多葉片的離心風機(耐溫 700 ℃)。循環風機風量為5000～8000 m3/h，風壓為1800～3000 Pa。加熱系統采用整體上風道電阻加熱器直接加熱，安裝在箱體側部循環風道內，總裝機功率約 500 kW。加熱器的配置為升溫段單元(1、2段)、恒溫單元(3、4、5段)、降溫段單元(6、7段)不布置電加熱。導風勻風系統是設置在循環風機出口處設置導風系統，實現熱風初步均勻分配在網帶物料上方加裝均風裝置，對熱風進行二次充分均勻分配。

1.2 冷卻及排風系統

根據焙燒需要，焙燒爐最后2個單元(第6和第7段)不設置加熱器，為產品冷卻部位，且在尾吸風機的作用下進入第一個冷卻單元(第七段)，并在此單元內自循環后由隔板平衡孔進入第二個冷卻單元進行自循環，隨后由尾氣風機抽送至干燥爐利用。中間隔板(網帶下部)中部位置開熱風平衡孔，第二個冷卻單元箱體末端頂部開換熱置換風出口，經一個調節蝶閥進入尾氣風機。在干燥爐中，為使剛成型輸入的催化劑基體中水分快速蒸發和排走，干燥區需要增大引風量。升溫區、恒溫區、冷卻區共一臺尾氣風機，將焙燒爐余熱送往干燥爐干燥利用。

2 焙燒爐余熱利用存在的問題

網帶式富氧焙燒爐是催化劑生產中應用較為常見的設備，功能是將催化劑基體中的部分物質在高溫條件下燒蝕掉，同時對基體中的堿金屬釩硫酸鹽做活化處理。其主要涉及催化劑樣品干燥和高溫焙燒兩個步驟，在此過程中會產生大量水蒸氣和含硫氧化物(SO2和SO3)混合氣體，這對焙燒爐基體和余熱的循環利用帶來了較大的挑戰。

現有網帶式焙燒爐在催化劑焙燒處理時，降溫段末端出料口呈現正壓狀態，大量的煙氣和熱量外泄于環境中，使得爐體及相關設備長期處在高溫、高腐蝕極限環境中，對設備造成了較大的影響。同時，因焙燒爐降溫段的熱量未得到有效循環，使得催化劑在出爐時的溫度過高，沒有達到生產工藝要求的降溫效果，從而導致催化產品的色澤和質量受到一定程度的影響。此外，由于焙燒爐長期暴露在具有腐蝕性煙氣環境，使得爐體內、外損壞嚴重，從而導致設備保溫效果下降，熱量的利用率降低、能耗生產成本大幅增加。如圖2所示。

圖2 網帶式焙燒爐煙氣及設備腐蝕情況

3 技術改造

為滿足硫酸催化劑的生產要求，穩定產品的質量性能，降低生產能耗和成本，在現有焙燒爐主體結構及工藝管道的基礎上，拆除爐體壁面保溫層，并在降溫單元的第6段和第7段腔室分別開設一個200×200的方孔，作為降溫段余熱再利用的吸入口。通過與原有尾氣吸入口協作，使降溫段腔室內的高溫氣流快速循環并轉移出去，從而使催化劑出口處于常負壓狀態。這樣既能實現熱量的循環利用，同時能滿足催化劑產品降溫的技術要求，具體如圖3所示。

圖3 降溫段余熱吸入口的設置圖

同時，在網帶式富氧焙燒爐的進料口，即升溫單元的第1段和第2段人口左側靠下層區域分別開設一個200×200 mm 的方孔，用方管延伸至網帶下層中間位置，外部與第6段和第7段的余熱風管連接，風管緊貼焙燒爐外壁，便于節省空間和保溫處理。這樣不僅美觀，還節省材料，并在風機的作用下實現降溫單元熱量的循環利用。余熱循環管道的設計見圖4所示。

圖4 降溫單元與升溫單元余熱循環管道的設計(紅色)

此外，在焙燒爐、干燥爐上下各掛一個壓力計，主要是觀察負壓情況。只有在爐體內部處于微負壓的狀態，干燥、焙燒過后的水蒸氣才能被排除，干燥、焙燒過程中排除的氣體才能得到有效的控制，如圖5(a)所示。同時，在進料口上層內側，距離輸送帶8～10 cm 處增加一個1890×20 mm 吸風口，用管道連接到現有的尾氣管道上，作為第1段尾氣吸收和負壓控制通道，如圖5(b)所示。

圖5 壓力表及升溫段尾氣吸收控制通道設計圖

4 效果

通過本次改造后，焙燒爐六、七爐膛溫度從以前的220～220 ℃ 的范圍降到了120～150 ℃ 范圍，因沒有設立區域獨立的電耗計量，所以無法定義每小時能耗的節省情況，但從改造后六七區的溫度及產量能耗能看出余熱得到了有效利用。同時車間環境也得到了提升，產品的出爐溫度也有所降低。具體的應用效果如表1所示。

表1 催化劑焙燒爐余熱技改前后能效情況

5 結語

通過技術改造，經過長時間的實踐驗證及對催化劑產品性能的跟蹤研究，余熱器技術改造后應用效果顯著，設備運行性能穩定。具體成效有以下幾個方面：一是余熱器技術改造后爐窯出口催化劑產品溫度更低、成色均勻穩定；二是降溫段的熱量被快速轉移至加熱器實現了熱量的循環使用，促使爐窯熱量利用率提升約10%；三是余熱器和爐窯的檢修相對于技改之前來說更加便捷化；四是余熱循環利用后焙燒爐每噸能耗降低 50 kW·h，按照產能設計 3000 t 計算，每年節約能耗 15000 kW·h。