新疆广汇新能源公司环保项目采用丹麦托普索公司湿法硫酸 (WSA) 工艺, 将来自低温甲醇洗的酸气, 酚回收装置来的酸性气体以及煤气水分离来的稀释气进行处理, 最终用以生成成品浓硫酸。湿法硫酸采用催化剂的主要成分为五氧化二钒, 生产工艺为接触法, 即二氧化硫催化氧化成三氧化硫, 三氧化硫水合反应生成浓硫酸的工艺, 该工艺操作弹性大, 可以适应硫化物浓度的大范围波动。工艺布局简单紧凑、操作成本低、排放符合国家环保标准要求、没有二次污染、热效高回收大量的工艺热、能耗低、转化率高, 唯一的产品即商业级硫酸, 不产生废物或废水。自从开车至今, 最初装填的催化剂仍然在使用, 从运行效率看, 其活性仍然较高, 但存在的弊端问题也不少, 结合实际针对诸多的问题特对WSA中五氧化二钒催化剂的使用进行分析。
1 V2O5催化剂的性质
1.1物理性质
五氧化二钒别名钒酐, 摩尔质量181.88g/mol, 状态为固体, 黄绿色的小球, 分子式为V2O5, 无味。熔点:690℃;溶解性:溶于水、浓酸、碱;不易燃, 不爆炸, 相对密度:3.35;有毒, 溶液呈微黄。催化剂的反应中含有钒在四价和五价之间的过渡状态, V5+/V4+比率取决于气体成分的温度和局部压力, 用过的催化剂呈现的颜色会发生变化, 取决于其暴露的环境情况, 未经硫化的钒为白色, V5+在硫酸盐处理后呈黄色, 略带浅棕或淡红色, V4+为绿色, 浅灰色或蓝色。VK催化剂经过了硫化处理, 但送货时未与SO3达到100%饱和反应, 对潮湿水分不太敏感。
1.2化学性质
五氧化二钒是两性氧化物, 但主要是以酸性为主, 是一种中等强度的氧化剂, 可被还原成各种低价态的氧化物。五氧化二钒对SO2和SO3在330℃时进行氧化催化, 当与水接触时, 可溶盐可能从催化剂中溶解, 且材料同样可以分解。暴露在水里的催化剂将出现酸性反应。
2 V2O5催化剂的组成
2.1活性组分
催化剂的主要成分五氧化二钒
2.2载体
催化剂的载体为惰性陶瓷支架
2.3助催化剂
加到催化剂中的少量物质, 是催化剂的辅助成分, 本身没有活性或者活性很小, 但可以提高催化剂的活性、选择性、稳定性和寿命。
在催化剂使用寿命期间, 定期对催化剂性能进行评估, 进行化学分析和活性测试, 为了延长有效检测时间, 确保催化剂样品不会暴露在潮湿的环境下。如果一个床层有不同类型的催化剂, 每种催化剂都要取样。催化剂的取样方法, 以第一床层为例:
(1) 采集位置距离转化器壁大约1~2米处最佳, 准备一根足够长的PVC管, 将其插入催化剂床层, 用真空吸尘器吸取少量的催化剂。
(2) 位置不变, 加深采样点, 用真空吸尘器吸取出适量样品, 装入催化剂样品瓶并做好标记, 将01中提取的催化剂倒回床层中。
(3) 按照上述方法, 分别从东、南、西、北四个方向取样。每个方向再分上、中、下三个深度提取, 标记好每个样品的方向和深度。
(4) 将四个方向同一深度的四个样品均匀混合, 分别装入250ml的塑料容器内, 最终获得三个样品。每个样品需注明催化剂的型号, 床层数和取样位置。
(5) 将样品同一邮寄到托普索贸易 (北京) 有限公司
3 V2O5催化剂的作用
含有H2S的三股酸性气体在燃烧炉中控制炉温在1175℃进行燃烧, 生成含有SO2的工艺气体, 在废热锅炉和蒸汽过热器中被冷却到410℃, 进入SO2转化器, 同时富产3.8MPa、400℃的过热蒸汽, 在SO2转化器中, 工艺气中的SO2通过转化器中三层装有托普索硫酸催化剂的反应床转化为SO3, 此反应为放热反应, 其主要化学反应方程式为:2SO2+ O2 ≒2SO3+Q, 此反应为一个可逆反应, 增加反应物的浓度, 降低反应的温度都有利于反应向生成物的方向进行。含有SO3的工艺气在被冷却的时候部分SO3与工艺气中的水蒸气发生水合反应, 其主要化学反应方程式为:SO3 (气体) + H2O (气体) ≒H2SO4 (气体) +Q。
催化作用是通过加入催化剂, 实现低活化能的化学反应途径, 从而加速化学反应, 有以下优点: (1) 减少二氧化硫排放; (2) 提高产量 (;3) 优化装置性能
4 结语
本文给出了V2O5催化剂在WSA中的的应用, V2O5是最重要的钒氧化物, 在工业上用量最大, 是WSA生产用的催化剂, 它不仅价廉、活性大, 且不易中毒。自开车至今, 排气筒在线分析不稳定时常超出排放标准, 洁净气至排气筒管线夹带催化剂粉末, 排气筒底部导淋时常排出含催化剂粉末废液, 特别是转化器出口收集器积存大量催化剂粉末, 最初装填的催化剂仍然在使用, 从运行效率看, 其活性仍然较高, 最主要的弊端就是催化剂粉化严重, 结合实际考虑有两方面的因素: (1) 燃烧炉出口废热锅炉多次出现内漏, 大量锅炉水进入系统; (2) 为控制硫酸产量, 系统导入大量燃料气, 燃料气燃烧产生较多的水分。
摘要：本文概述了五氧化二钒 (V2O5) 催化剂的用途, 着重介绍了五氧化二钒催化剂在WSA装置中的应用, 在WSA工艺中所用的SO2转化催化剂是托普索的VK系列催化剂, 托普索湿法硫酸采用催化剂的主要成分为五氧化二钒, 生产工艺为接触法, 即二氧化硫催化氧化成三氧化硫、三氧化硫水合反应生成浓硫酸的工艺。
关键词：催化剂,工艺,使用