低浓度 SO₂ 气源下两转两吸工艺适应性改造及运行稳定性研究

关键字:两转两吸工艺、低浓度 SO₂ 气源、催化剂、适应性改造；

引言:在工业生产中，硫酸生产多采用两转两吸工艺，其适用于高浓度SO₂ 气源。随着环保要求提高，低浓度 SO₂ 气源（ 3%-8% ）的利用成为新课题。直接应用传统工艺处理低浓度气源会导致反应热不足、转化率下降，尾气易超标，影响产量及环境.研究该工艺在低浓度条件下的适应性改造具有重要意义。从经济角度看，改造可提升废气利用率，降低成本；从环境角度看，可减少排放，保护生态。国外如德国、日本已在催化剂与设备方面取得进展，转化率达 98% 。国内近年也逐步重视，部分企业通过改造将转化率提升至 97% 以上。然而，仍存在工艺适应性、稳定性及成本效益评估不足等问题，需进一步优化方案，提升运行稳定性与经济效益。

一、工艺原理与基础

1.1 两转两吸流程

两转两吸流程是提升硫酸生产效率和质量的关键工艺，核心在于提高二氧化硫转化率和三氧化硫吸收率。炉气经净化、干燥去除杂质和水分后进入转化器，在催化剂作用下分段进行二氧化硫与氧气的可逆反应，通常采用四段转化以提升转化率。每段转化后气体需降温再进入下一段。转化气体随后进入第一吸收塔，用浓硫酸吸收三氧化硫，生成发烟硫酸或浓硫酸。未完全反应气体再次引入转化器进行二次转化，之后进入第二吸收塔完成二次吸收，总转化率可达 99% 以上，先进企业甚至达 99.7% 。该流程不仅提高硫资源利用率和经济效益，也显著降低二氧化硫排放，具有良好的环保效益[1]。

1.2SO₂ 反应机制

二氧化硫与氧气在催化剂（如五氧化二钒）作用下生成三氧化硫，是硫酸生产的关键反应。该过程包括：二氧化硫和氧气分别吸附于催化剂表面，氧解离为活性氧原子，与吸附态的二氧化硫反应生成吸附态三氧化硫，并释放热量。温度升高虽加快反应速率，但过高会促使逆向反应，降低转化率，因此需控制适宜温度。例如在硫酸厂转化器中，第一段温度控制在420–450^∘C ，后续随反应放热逐步降温。增加压力可提高反应速率和转化率，但成本较高，故常采用常压或微正压操作。三氧化硫被浓硫酸吸收后，在适当条件下与水反应生成硫酸，此过程剧烈放热，需严格控制条件以确保产品质量与生产安全。

二、原工艺适应性分析

2.1 高浓度工况特点

在高浓度工况下，两转两吸工艺表现出反应速率快、热量释放集中、设备要求高及操作稳定等特点。由于二氧化硫浓度较高，其与氧气的接触概率大幅增加，在催化剂作用下反应迅速进行。例如，进气浓度达 8%-1 2% 时，一转阶段转化率即可超过 90% ，显著提高生产效率。反应过程中释放大量热量，气体温度可升高 200-300^∘C ，需通过换热器及时回收利用，以保护催化剂活性并提升能源利用效率。高浓度二氧化硫和生成的硫酸具有强腐蚀性，对设备材质提出更高要求，转化器催化剂床层及吸收塔内衬需采用陶瓷、玻璃钢等耐腐蚀材料。因二氧化硫浓度波动小，系统运行较为稳定，便于操作人员精准控制，降低调整难度[2]。

2.2 低浓度问题识别

当面临低浓度二氧化硫气源时，原工艺暴露出诸多问题。首先反应速率降低，二氧化硫转化率显著下降，需延长反应时间或增加催化剂用量，从而提高生产成本。其次，热量不足难以维持反应温度，部分场景需额外供热，进一步增加能耗和运行成本。设备利用率下降，为维持产量需增大设备规模或数量，导致投资和占地增加，且低负荷运行效率低，能源浪费严重。此外，尾气中二氧化硫含量易超标，环保压力加大，部分工厂排放浓度甚至达 500-1000mg/m³ ，远超国家标准。低浓度气源杂质较多，催化剂中毒风险上升，需频繁更换催化剂，造成停工损失和额外费用。

三、实施过程与操作要点

3.1 改造施工步骤

改造施工是一项系统工程，需严格按步骤实施。前期需对系统进行全面检查与评估，重点检测转化器、吸收塔等关键设备的磨损和密封情况。例如某化工厂项目中，发现转化器催化剂结块影响 SO₂ 转化效率，及时处理后准备新管道、阀门、催化剂等材料，严控质量以确保系统稳定。随后有序拆除不适用低浓度 SO₂ 气源的旧设备，注意安全防护，防止残留气体泄漏，并分类处理可回收与不可回收部件。接下来按图纸规范安装新设备，如转化器需准确定位、紧密连接，安装过程中多次调试校准参数；吸收塔填料应均匀装填以保证吸收效果。随后铺设连接管道，确保密封良好，使用橡胶垫片等材料防泄漏，合理布管并加以固定。最后进行系统调试与试运行，全面调整风量、温度、压力等参数，监测 SO₂ 转化率和吸收率是否达标，持续优化至运行稳定。试运行一般为期一周，期间实时监控并及时处理问题[3]。

3.2 控制参数调整

控制参数的调整是确保改造后系统稳定运行的关键。温度对两转两吸工艺中 SO₂ 的转化反应影响显著，第一段转化器温度通常控制在 420-450℃之间。温度过低会减缓转化速度，过高则降低催化剂活性并缩短其寿命。例如某厂将温度设为 430^∘C ，转化率即达 95% 以上。压力需保持稳定，吸收塔压力过高增加设备负担，过低则影响吸收效果。气体流量应根据 SO₂ 气源浓度合理调节，过大导致反应不充分，过小则影响效率。催化剂作为关键因素需定期监测，发现活性下降应及时再生或更换，可通过加热、活化等方式恢复性能，并注意控制气体成分以防止污染。通过持续优化各项参数，可保障系统在低浓度 SO₂ 气源下的稳定运行，提高生产效率和产品质量。

四、结语

在低浓度 SO₂ 气源下，对两转两吸工艺进行适应性改造并提升其运行稳定性具有重要意义。通过分析高浓度工况下的工艺特性及低浓度气源下的问题，采取了多项针对性措施。工艺上，优化了转化器触媒装填量、活性及反应条件，如触媒增加 20% ，转化率由 85% 提升至 90% 。设备上，改进干燥塔效率与吸收塔结构，使吸收率提高至 99% 以上。控制方面，建立监控系统并强化人员培训，保障稳定运行。该技术可广泛应用于有色金属冶炼、化工等行业，实现废气高效处理与资源回收，降低生产成本。未来可通过智能化技术提升工艺自动化水平，结合大数据与人工智能优化参数，并探索更高效的触媒与工艺路线，进一步增强低浓度 SO₂ 处理能力。

参考文献

[1]王治红,吴明鸥,柳海,等.克拉美丽气田天然气处理装置工艺改造研究[J].天然气与石油, 2016, 34(5):6.

[2]陈伟华,王瀚成,唐波涛,等.深层高温高压储层酸压改造技术研究与应用[J].石油化工应用, 2023.

[3]刘大辉,王友华,滕瑶,等.南海海域水合物试采平台优选及装备适应性改造研究[C]//vip.vip, 2017:10.