二氧化硫转化器的制作方法

本发明属于化工、冶金设备技术领域，特别是涉及一种二氧化硫转化器。

背景技术：

二氧化硫转化器是工业硫酸生产的重要设备之一，其作用是通过触媒层的催化作用使进气中的二氧化硫组分和氧气组分反应生成三氧化硫。随着硫酸行业的发展，硫酸设备逐步趋向大型化，特别是一些铜冶炼行业大处理量二氧化硫转化器设备直径达到了15米以上，因此采取有效措施保障气体在触媒层内均匀分布对于提高触媒利用率、保证转化效率、防止触媒层局部超温的意义显得尤为重要。

传统硫酸预转化器或主转化器最上层转化段触媒层上部多采用顶部进气或侧部进气的方式。

采用顶进气，由于顶部进气口相对转化器截面相对较小，触媒层的横截面积可以达到进气管横截面积的25倍以上，因此有必要采取合理的措施使进气管流入的烟气在触媒层横截面均匀分布，这也是保证二氧化硫转化率、提高触媒利用率及寿命的关键。目前传统的硫酸转化器通常在顶部进气口的正下方设置一个直径略大于进气口且开有若干筛孔的圆形挡板，这种挡气板的弊端一是进口处没有针对触媒层横截面外环区的布气结构，进气的动力大部分损失在与挡板的撞击过程当中，导致分散到触媒层横截面外环区的气体动能不足、气量偏少。二是这种结构属于单级布气结构，圆形挡板外圈下部的环形区域的气量全靠上方筛孔流入的气体提供，其获得的气量会明显少于外围周边没有挡板的区域，导致该区域内产生漩涡而使流入触媒层横截面对应环形区域内的气量偏少。

采用侧进气，由于侧部进气口相对转化器截面相对较小，触媒层的横截面积可以达到侧面进气管横截面积的25倍以上，因此有必要采取合理的措施使进气口流入的烟气在触媒层横截面均匀分布，这也是保证二氧化硫转化率及硫酸尾气达标排放的关键。传统的硫酸转化器侧面进气口多为长方形，进气口内部设置有若干类似于家用空调出风口状的沿左右及斜向上的导流叶片。这种布气方式及结构存在的弊端是：进气口宽度远小于转化器直径，同时左右方向和斜向上的导流叶片尺寸较小起到的导流作用有限，使得烟气离开进气口后在触媒层上方的分布非常不均，即距离侧面进气口较近区域的触媒层获得的烟气量较多，远离侧面进气口区域的触媒层获得的烟气量较少，这样就造成了气流的短路、影响了二氧化硫气体的转化效率。

另一方面，传统硫酸生产中对于解决气体在触媒层内均匀分布的思路大多数停留在解决气体进入触媒层前的分布问题，往往忽视了气体完成转化离开触媒层后在出气室中通过出气管离开转化器这一过程中气体均匀分布的重要性。

传统结构转化器出气室内未采取任何布气措施仅在侧壁上开设一常规出气口，这样带来的弊端是触媒层下方离出气口距离近的区域的气体由于流动距离阻力损失小而能够快速通过气体出口管离开转化器，进而导致触媒层内对应区域内的气体停留时间不够转化率偏低；反之距离进气口距离远的区域对应的触媒层内就会出现流动距离阻力损失大、转化率过高、局部触媒存在高温失效风险。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种烟气在触媒层前后均能均匀分布的二氧化硫转化器。

本发明提供的这种二氧化硫转化器，包括外壳，外壳内设触媒层，外壳上设进气口和出气口，它还包括多级布气装置和阻力补偿板；多级布气装置设置于进气口处，将烟气多级均匀输送至触媒层；阻力补偿板包括多阶补偿凸台，各阶补偿凸台沿周向密封连接于转化器外壳内壁、触媒层下，补偿凸台与出气口之间间距越大、补偿凸台的宽度越小。

所述阻力补偿板包括一阶补偿凸台、二阶补偿凸台和三阶补偿凸台，各阶补偿凸台沿周向依次密封连接于转化器外壳内壁、触媒层下，一阶补偿凸台、二阶补偿凸台、三阶补偿凸台的宽度递增，三阶补偿凸台的底端面位于出气口的上端面下。

所述一阶补偿凸台的圆心角范围为40°-120°，所述二阶补偿凸台的圆心角范围为80°-140°，所述三阶补偿凸台的圆心角范围为40°-120°。

所述多阶补偿凸台的外壁向内倾斜20°-80°。

所述外壳上设两类进气口，一类为顶进气口，另一类为侧进气口；所述多级布气装置有两类，一类为顶进式多级布气装置，安装于顶进气口处，另一类为侧进式多级布气装置，安装于侧进气口处。

所述顶进式多级布气装置包括若干级分布锥和若干级分布盘，各级分布锥自进气口向触媒层依次设置，各级分布盘自分布锥向触媒层依次设置。

所述分布锥包括同轴布置的一级分布锥和二级分布锥，一级分布锥包括分气锥和连接筋板，分气锥为上小下大的锥台，分气锥的底边外翘形成向上导向段，各连接筋板均布于向上导向段上、顶端与导向锥相连，二级分布锥上设若干通气孔，二级分布锥以其大径段连接于向上导向段下。

所述分布盘包括盘主体和连接筋，盘主体上设若干布气孔，连接筋的上端连接于所述二级分布锥的内壁、下端与盘主体相连。

所述侧进式多级布气装置包括口径递增的预分布腔、扩流腔和导流分气腔；预分布腔装配于外壳外壁、内端伸至进气口内；扩流腔设置在外壳内壁进气口处，外端与预分布腔连通、内端与导流分气腔相连；导流分气腔向上倾斜。

所述预分布腔内设若干竖向分流板；所述扩流腔底部设有若干一次通气孔；所述导流分气腔底壁设有二次通气孔，其内设多块沿内壁平行布置的导流板。

本发明通过在二氧化硫转化器进气口处设置多级布气装置，避免烟气动能大量损失，也能使各烟气均匀进入各分区，解决了传统转化器中部分区域获得气量偏少的问题；同时在触媒层下出气口前增设阻力补偿板，使出气室各分区内总阻力损失得到平衡，实现烟气经过触媒层转化后在出气室内均匀分布，保证烟气停留时间、触媒利用率和转化率。

附图说明

图1为本发明一个优选实施例的主视示意图。

图2为本优选实施例中顶进气口与触媒层之间区域分区示意图。

图3为本优选实施例中侧进气口与触媒层之间区域分区示意图。

图4为本优选实施例中触媒层与出气口之间区域分区示意图。

图5为本优选实施例中顶进式多级布气装置在外壳内的装配放大示意图。

图6为本优选实施例中一级分布锥的俯视放大示意图。

图7为本优选实施例中二级分布锥的俯视放大示意图。

图8为本优选实施例中分布盘的俯视放大示意图。

图9为本优选实施例中侧进式多级布气装置在外壳内的装配放大示意图。

图10为图9的俯视示意图。

图11为图9中x向放大示意图。

图12为本优选实施例中阻力补偿板在外壳的装配放大示意图。

图13为本优选实施例中阻力补偿板的俯视放大示意图。

图示序号：

1—外壳，11—进气管，12—导向锥，13—触媒层，14—出气管；

2—顶进式多级布气装置，

21—一级分布锥、211—分气锥、212—连接筋板，

22—二级分布锥，

23—分布盘、231—盘主体、232—连接筋；

3—侧进式多级布气装置，31—预分布腔，32—扩流腔，33—导流分气腔，34—竖向分流板，35—导流板；

4—阻力补偿板，41—一阶凸台，42—二阶凸台，43—三阶凸台；

a—中心圆区，b—内环区，c—中环区，d—外环区；

aa—一次布气区，bb—二次布气区，cc—三次布气ι区，dd—三次布气ⅱ区；

a—中轴区，b—出口近区，c—出口中区，d—出口远区。

具体实施方式

如图1所示，本实施例公开的这种二氧化硫转化器，包括外壳1、顶进式多级布气装置2、侧进式多级布气装置3和阻力补偿板4。外壳1上设顶进气口、侧进气口和出气口，并在顶进气口处设有进气管11，进气管的末端为外扩的导向锥12，外壳内设触媒层13，触媒层13横截面积为进气管横截面积的25-40倍，出气口处设出气管14。

在具体设计顶进式多级布气装置2、侧进式多级布气装置3和阻力补偿板4前先对外壳1内无任何布气装置情况下的烟气流动进行建模分析。

模拟知：顶进气口与触媒层之间区域，可按烟气流量进行分区。如图2所示，该部分空间分为以下四个区域：中心圆区a、内环区b、中环区c和外环区d，各区同心自内向外依次设置，单位面积内烟气流量递减；中心圆区与外壳截面积之比为1比10至1比20，内环区与触媒层截面积之比为1比4至1比5，中环区与触媒层截面积之比为1比3.5至1比4，外环区与触媒层截面积之比为1比3至1比3.5。

侧进气口与与触媒层之间区域可按烟气流量进行分区。如图3所示，该部分空间分为一次布气区aa、二次布气区bb、三次布气ι区cc、三次布气ⅱ区dd，单位面积内烟气流量递减。一次布气区截面积约为触媒层截面积的3％-10％,二次布气区截面积约为触媒层截面积的10％-20％,三次布气ι区截面积约为触媒层截面积的50％-75％,三次布气ⅱ区截面积约为触媒层截面积的15％-25％。

在触媒层下出气口前区域，按烟气流动距离分区。如图4所示，该部分空间分为中轴区a、出口近区b、出口中区c、出口远区d和出口中区c，出气口位于出口近区中心，中轴区位于外壳中心，出口近区b、出口中区c、出口远区d和出口中区c围成与中轴区同轴的周环区。动力损失从小到大依次为出口近区、中轴区、出口中区、出口远区。各区域面积占比为中轴区的直径为外壳内径的0.2-0.7倍，出口近区的圆心角为40°-120°，出口中区的圆心角为80°-140°，出口远区的圆心角为40°-120°。

基于此，设计特定的顶进式多级布气装置2、侧进式多级布气装置3和阻力补偿板4。

如图5所示，顶进式多级布气装置2包括一级分布锥21、二级分布锥22和分布盘23。如图6所示，一级分布锥21包括分气锥211和连接筋板212，分气锥为上小下大的锥台，分气锥的底边外翘形成向上导向段，各连接筋板均布于向上导向段上、顶端与导向锥的内壁相连。如图7所示，二级分布锥22上设若干通气孔，二级分布锥以其大径段连接于向上导向段下。如图8所示，分布盘23包括盘主体231和连接筋232，盘主体上设若干布气孔，连接筋的上端连接于二级分布锥、下端与盘主体相连。装配时，顶进式多级布气装置2通过一级分布锥上的连接筋板连接于进气管下的导向锥内，连接筋板之间的间隙形成一级布气通道。二级分布锥22连接于分气锥211下，二级分布锥22侧壁上的通气孔形成二级布气通道。分布盘23通过连接筋与二级分布锥22相连，连接筋之间间隙形成三级布气通道。而盘主体上布气孔为四级布气通道。

如图9—11所示，侧进式多级布气装置3包括预分布腔31、扩流腔32和导流分气腔33。预分布腔31内设若干竖向分流板34，预分布腔密闭连接于外壳侧进气口外、内端伸至外壳内。扩流腔32底部设有若干一次通气孔，扩流腔设置在外壳内壁，外端与预分布腔连通、内端与导流分气腔相连。导流分气腔33底壁设有二次通气孔，其内设多块沿内壁平行布置的导流板35，导流分气腔33连接于扩流腔内、向上倾斜。

含二氧化硫烟气从侧进气口输入时，在预分布腔内竖向分流板的作用下烟气沿水平方向均匀扩散进入扩流腔；在扩流腔内烟气的流通面积扩大，扩流后的烟气中的一小部分通过扩流腔下部的一次通气孔进入转化器内部的一次布气区。大部分烟气进入到导流分气腔，导流分气腔斜向上布置，内部设有多块斜向上布置的平行导流板，进入导流分气腔的少部分烟气通过导流分气腔下部的二次通气孔后进入转化器内部的二次布气区，大部分烟气在导流板的作用下获得斜向上的速度矢量离开导流分气腔均匀进入转化器内部的三次布气ι区和三次布气ⅱ区。通过控制上述三段气流分配结构的尺寸及相对位置，合理利用气体动能可实现气流在转化器横截面各区域内均匀分布。

如图12、图13所示，阻力补偿板4包括一阶补偿凸台41、二阶补偿凸台42和三阶补偿凸台43。各阶补偿凸台沿周向依次设置于触媒层下方，一阶补偿凸台设置于出口远区区域；二阶补偿凸台与出口中区等长；三阶补偿凸台宽度大于二阶补偿凸台的宽度，与出口近区等长。一阶补偿凸台、二阶补偿凸台、三阶补偿凸台的高度递增，三阶补偿凸台的底端面位于出气口的上端面下。各阶补偿凸台的外壁向内倾斜20°-80°。一阶补偿凸台的圆心角范围为40°-120°，二阶补偿凸台的圆心角范围为80°-140°，三阶补偿凸台的圆心角范围为40°-120°。使得经触媒层后各区域烟气流动到出气口所增加的局部阻力损失为出口近区>中轴区>出口中区>出口远区。

装配时，阻力补偿板4密封连接于转化器外壳1内壁、触媒层下，三阶补偿凸台的底端面位于出气口的上端面下。当烟气经过触媒层后经阻力补偿板4导流进入出气室。由于阻力补偿板4为倒锥型，且设置多阶补偿凸台，使得经触媒层后各区域烟气流动到出气口所增加的局部阻力损失为出口近区>中轴区>出口中区>出口远区，使各区域内的烟气流动到出气口总阻力损失得到平衡。即总阻力损失＝流动距离阻力损失+局部阻力损失。进而实现烟气经过触媒层转化后在出气室内均匀分布。

本实施例在投入使用后，顶部进气时，烟气自进气管输入时后经过三次分流布气后到达触媒层。

第一次分流布气为：一部分自一级布气通道用于向外环区d布气，另一部分沿一级分布锥下行至二级分布锥。

第二次分流布气为：一部分自二级布气通道用于向中环区c布气，另一部分沿二级分布锥下行。

第三次分流布气为：一部分自三级布气通道用于向内环区b布气，另一部分下行经四级布气通道后向中心圆区a布气。

合理利用烟气动能分配实现烟气在转化器横截面各区域内均匀分布。

并且本实施例中，多级布气装置的级数不限于三级，可根据转化器直径变化而调整，可以为四级，五级或更多。

与现有技术相比，具有如下特点：

1、采用多级布气结构，合理的将进气的动能分配到各级布气区域，解决了传统结构带来的烟气动能被大量消耗在单级布气板的问题。

2、通过进气口设置的向下导向锥和一级分布锥的导流作用，针对性的将气流导向距离进气口最远的触媒层横截面外环区，解决了传统转化器结构中该区域获得气量偏少的问题，

3、通过控制分气装置的尺寸和组件的相对位置，可以做到各级流动区域的互补，消除了传统单级布气结构易形成气量偏少的漩涡区域对于触媒层横截面气体分布的不利因素。

4、分气装置与顶部的进气管形成一体化结构，可以通过上装式或下装式两种安装方式，相对于传统结构的分气板只能采取下装式，安装更加便利。

侧部进气时，烟气自预分布腔输入，在预分布腔内分流板的作用下烟气沿水平方向均匀扩散进入扩流腔；在扩流腔内烟气的流通面积扩大，扩流后的烟气中的一小部分通过扩流腔下部的一次通气孔进入转化器内部的一次布气区。大部分烟气进入到导流分气腔，导流分气腔斜向上布置，内部设有多块斜向上布置的平行导流板，进入导流分气腔的少部分烟气通过导流分气腔下部的二次通气孔后进入转化器内部的二次布气区，大部分烟气在导流板的作用下获得斜向上的速度矢量离开导流分气腔均匀进入转化器内部的三次布气ⅰ区和ⅱ区。通过控制上述三段气流分配结构的尺寸及相对位置，合理利用气体动能可实现气流在转化器横截面各区域内均匀分布。

具有如下特点：

1.通过气流预分布、气体扩流、气体导流及三次气流分布过程，优化了气体的流通面积及流动方向，合理的将烟气的动能分配到对应的布气区域，解决了侧面进入的烟气在触媒上表面均匀分布的问题。

2.布气装置结构紧凑、不与转化器已有的其他结构位置重叠，因此该结构既适用于新建的转化器装置也适用于老转化器装置的改造升级。

出气时，设置阻力补偿板，使得经触媒层后各区域烟气流动到出气口所增加的局部阻力损失为出口近区>中轴区>出口中区>出口远区，使各区域内的烟气流动到出气口总阻力损失得到平衡。即总阻力损失＝流动距离阻力损失+局部阻力损失。进而实现烟气经过触媒层转化后在出气室内均匀分布。

与现有技术相比，增设阻力补偿板具有如下优势：

1、根据阻力补偿大小需要的不同对触媒层横截面进行科学分区，在出气口上方针对上述分区采用高度变化的倒锥型气流分布挡板使各区域内的烟气流动到出气口总阻力损失得到平衡，进而实现烟气经过触媒层转化后在出气室内均匀分布。

2、倒锥型气流分布挡板与触媒层一样按轴对称进行布置，结构上不会因为形状突变带来新的气流分布不均问题。

3、整个布气装置利用转化器出气室周边空余位置进行布置，不会与转化器原有立柱、支撑梁等结构发生重叠，因而装置对于新建转化器或现有转化器改造均适用。

本发明通过在二氧化硫转化器进气口处设置多级布气装置，避免烟气动能大量损失，也能使各烟气均匀进入各分区，解决了传统转化器中部分区域获得气量偏少的问题；同时在触媒层下出气口前增设阻力补偿板，使出气室各分区内总阻力损失得到平衡，实现烟气经过触媒层转化后在出气室内均匀分布，保证烟气停留时间、触媒利用率和转化率。