答：预转化工艺是美国孟莫克化工设备成套公司近年开发的一项新技
术，因为近些年来，随着转化技术的发展，进转化器气体已从２０世纪５０
年代的φ（ＳＯ２）７％提高到现在的２０％以上。而且，随着有色冶炼技术的
发展，冶炼烟气中ＳＯ２ 浓度亦越来越高，如采用 “双闪”（闪速炉熔炼闪
速炉吹炼）冶炼工艺的铜冶炼厂除尘后烟气中φ（ＳＯ２）可以达到２０％～
３０％。冶炼烟气ＳＯ２ 浓度的提高可以减少烟气总量，从而有利于减小气
体净化设备尺寸，降低气体净化费用。然而，由于受到钒催化剂和转化器材料耐热温度的限制，常规制酸装置难以处理φ（ＳＯ２）超过１４％的高
浓度ＳＯ２ 烟气，此时必须向干燥塔补充大量的稀释空气，将进转化器气
体φ（ＳＯ２）降到１４％以下。但这样做不仅会增大转化及干吸设备容积、
增加制酸成本，而且会降低转化工艺的热能回收率。近些年来，美国孟
莫克化工成套设备公司一直致力于提高进转化器气体ＳＯ２ 浓度的研究，
并取得了工业化成果。现对该公司开发的高浓度ＳＯ２ 预转化工艺进行
简介［１２］。
（１）预转化工艺原理
众所周知，ＳＯ２ 转化为ＳＯ３ 是放热的可逆反应，对于常规化工艺而
言，进转化器气体φ（ＳＯ２）必须控制在１４％以下，因此，当烟气ＳＯ２ 浓
度过高时就需在干燥塔进口补充大量的稀释空气。以 “双闪”铜冶炼工艺
为例，净化工序电除雾器出口气体φ（ＳＯ２）约在２８％左右。如果按照常
规转化工艺对ＳＯ２ 浓度的要求，则需在干燥塔进口补充至少与该气量等
量的空气。但从一次转化所需要的氧硫比考虑，进转化器气体φ（ＳＯ２）可
以控制在１８％～２０％。φ（ＳＯ２）１８％气体多段反应温度与转化率
目前含铯催化剂的优化进口温度为３９０℃，如果转化器第一段进口
ＳＯ３ 浓度为零 （常规转化工艺），，沿其绝热操作线１与平
衡线的交点，转化器第一段出口温度最高会达到６６０℃，这是钒催化剂不第三章 用冶炼烟气生产硫酸方面的问题 １２１
能长期运行的温度。那么，能否通过调整钒催化剂的装填量来使反应在到
达平衡前的６３５℃时就停止呢？应该说这也是非常困难的，因为在该条件
下的反应速率是相当快的。将绝热操作线１向上平移到与平衡线交点的温
度６３５℃时产生了新的绝热操作线２，在这两根绝热操作线之间，有几种
理论上可行的方法供选择：一是发明一种能在３２０℃下就有反应活性的新
催化剂；二是在催化剂床层内设置移热元件，使操作线由直线变成曲线；
三是使转化器第一段进口气体中１０％以上的ＳＯ２ 在进入转化器前就已转
化成ＳＯ３，从而产生新的绝热操作线。
用空气将气体φ（ＳＯ２）由２８％稀释到１８％的办法是只需要补充按原
气量５０％左右的空气，作为稀释空气，并将该稀释空气加到空气干燥塔
中单独进行干燥，然后与小部分φ（ＳＯ２）２８％气体混合后送入一个小型的
预转化器中进行预转化，该转化后气体再与φ（ＳＯ２）２８％的主气流混合后
进入主转化器第一段反应。这就是孟莫克预转化工艺的技术核心。
（２）预转化工艺流程
孟莫克预转化工艺采用预转化加常规转化器的 “３＋１”流程，２ 干燥塔进
口，而是需要单独设置１台空气风机来提供压头。空气风机出口的干空气
与ＳＯ２ 风机来的一部分ＳＯ２ 气体混合经换热升温后进入预转化器转化，
转化后的气体与大部分φ（ＳＯ２）２８％气体混合经换热升温后进入主转化器
第一段反应 （换热器及其联接管在图３２３中未示出）。
在预转化工艺中，可以设定进预转化器气体的ＳＯ２ 浓度与常规转化
工艺的转化器第一段进口相同，假设为φ（ＳＯ２）１３．５％，此时φ（ＳＯ２）
（３）孟莫克预转化工艺技术特点
孟莫克预转化工艺具有以下技术特点：
① 控制容易、运行可靠 单独设置的空气风机可根据ＳＯ２ 风机出口
ＳＯ２ 浓度和气量很容易地来调节稀释空气量，以控制主转化器一次转化的
氧硫比。由于空气风机和ＳＯ２ 风机出口都是１００℃左右的干气体，并且不
含ＳＯ３，因此设在这里的仪表运行是比较可靠的。第三章 用冶炼烟气生产硫酸方面的问题 １２３
② 操作方便 在孟莫克的预转化工艺设计中，可以将预转化器和主
转化器Ⅰ段出口温度都控制在远离钒催化剂的最高允许温度，让ＳＯ２ 在
预转化器内充分转化，这就缓解了由于气量及气浓波动对转化的影响。进
入预转化器气体的氧硫比是通过空气风机强制送入的干空气量来调节的，
并且同时可以调节进预转化器ＳＯ２ 气体流量。由于实施了双重调节手段，
所以进预转化器气体氧硫比的控制和调节更为容易。
③ＳＯ２ 浓度适应范围广 预转化工艺适应的ＳＯ２ 浓度范围很广，从
需要的高ＳＯ２ 浓度到常规二转二吸制酸的较低ＳＯ２ 浓度都可以进行操
作。在高ＳＯ２ 浓度情况下，可以通过加大稀释空气量以提高气体氧硫比
并通过控制进口温度以提高预转化器内的ＳＯ２ 预转化率。在低ＳＯ２ 浓
度情况下，可以通过控制进口温度以使ＳＯ２ 在预转化器内少转化甚至
不转化，以保证后续的常规转化换热流程的热平衡。当气体ＳＯ２ 浓度
较高或者需要更高的总转化率时，我们甚至可以将预转化器设置为２
段床层，通过较高的预转化率来平衡进主转化器第一段气体中 ＳＯ２
浓度。
④ 降低能耗 预转化工艺增加的空气风机分担的是ＳＯ２ 风机气量，
就相同的氧硫比而言，ＳＯ２ 风机与空气风机的总质量流量是不变的，但总
体积流量是减少的。这是由于ＳＯ２ 气体需要经过气体净化工序，ＳＯ２ 风
机进口气体的负压很大，ＳＯ２ 风机升压高，因此需要的压缩功大。如果将
稀释空气在ＳＯ２ 气体干燥塔进口加入，则该空气同样需要达到与ＳＯ２ 气
体相同的升压和压缩功。现在，将稀释空气送入空气干燥塔内单独干燥，
则空气风机进口的负压仅是该空气干燥塔的阻力，由于升压低且进口负压
又低，因此空气干燥需要的压缩功就小，有利于降低能耗。
⑤ 节省钒催化剂用量 在预转化工艺中，首先是将部分ＳＯ２ 气体
进行预转化，初始的ＳＯ３ 浓度很低，所以该预转化器所需要的钒催化剂
量相对较少。而在后续的主转化器中，进转化器是通常的正常气量，所
以钒催化剂装填量不变。如果是采用循环烟气方式，由于将部分一次转
化器返混到转化器第一段进口，则转化器一次转化各段进气量就是正常
气量加上返混气量，转化器所增加钒催化剂量会远远多于预转化器中钒
催化剂量。
（４）与常规转化工艺技术经济比较
孟莫克预转化工艺与常规转化工艺主要技术参数对比情况见表３３６。１２４ 硫酸生产操作问答
表３３６ 两种转化工艺主要技术参数对比情况
项 目 常规转化工艺 预转化工艺
转化系统 常规“３＋１”流程 预转化加常规“３＋１”流程
装置规模／（ｔ／ｄ） ２４００ ２４００
预转化器进气φ（ＳＯ２）／％ １３．５
主转化器第一段进气φ（ＳＯ２）／％ １３．５ １８．０（折合）
主转化器第一段进气φ（Ｏ２）／φ（ＳＯ２）／％ １．１５ ０．７６
主转化器第一段进口理论相对气量 １ ０．７５（以预转化率为零计）
主转化器第一段进口实际相对气量 １ ０．７０
ＳＯ２ 气体干燥塔相对截面积 １ ０．４１
空气干燥塔（串酸脱吸塔）相对截面积 １ １０
干燥塔相对总截面积 １ ０．７０
一吸塔相对截面积 １ ０．７１
二吸塔相对截面积 １ ０．６９
主转化器相对截面积 １ ０．８１
气体换热器总换热面积／ｍ２ １１５００ ９０００
蒸汽设备总换热面积／ｍ２ ２３００ ２７００
副产３．８ＭＰａ、４５０℃蒸汽量／（ｔ／ｈ） １９．５ ２７．６
转化、干吸工序电耗／（ｋＷ·ｈ／ｔ） ５７ ４４
所谓常规转化工艺，就是将出净化工序的高浓度ＳＯ２ 气体用大量空
气稀释到φ（ＳＯ２）１２％～１４％进转化器Ⅰ段，以使转化器Ⅰ段出口温度不
超过钒催化剂极限使用温度。这就使得整个转化、干吸工序几乎所有设备
的尺寸都增大，从而增加了装置投资及操作维修费用。表３３６以８００ｋｔ／ａ
制酸装置为例对预转化工艺与常规转化工艺进行比较，在使用含铯催化剂
的条件下，将预转化器和常规转化器第一段进口气体φ（ＳＯ２）都设定在
１３．５％。对于预转化工艺，由于进入主转化器Ⅰ段气体中已经含有部分
ＳＯ３，如果将这部分ＳＯ３ 折算成ＳＯ２，则预转化工艺中主转化器一次转化
的φ（ＳＯ２）是１８％。也就是说，在预转化工艺中主转化器一次转化是按
φ（ＳＯ２）１８％时的平衡线操作。在φ（ＳＯ２）为１８％的高浓度ＳＯ２ 转化工艺
中，进行预转化是必需的，所以在整个转化系统中，实际上没有气体中
φ（ＳＯ２）真正是１８％，在这种条件下操作是安全的。也正是由于有了预转
化，进入预转化工艺的主转化器Ⅰ段的气量仅仅是常规转化器Ⅰ段气量
的７０％。第三章 用冶炼烟气生产硫酸方面的问题 １２５
空气单独干燥后，空气干燥塔的直径比常规转化串酸脱吸塔直径大很
多，其截面积之比约为１０∶１，这是由于常规转化串酸脱吸塔直径仅
１．１ｍ左右，而空气干燥塔直径却需要３．６ｍ；不过ＳＯ２ 气体干燥塔直径
则由６．４ｍ减小到４．１ｍ左右。与常规转化一大一小的２台塔相比，预转
化工艺用２台直径４ｍ左右的干燥塔总截面积仍然减少约３０％，同时一吸
塔和二吸塔的截面积亦减少３０％左右，这样就相应地节约了塔的投资
费用。
主转化器直径由常规转化工艺的１１．２ｍ减小到预转化工艺的１０．１ｍ，
其截面积减小约１９％；但预转化工艺增加了一个直径约８ｍ的预转化器。
由于该预转化器只有１段催化剂床层，因此预转化工艺２台转化器与常规
转化工艺１台大转化器的造价基本相当。
与常规转化工艺相比，预转化工艺的气体换热器总换热面积减少了
２５００ｍ２，减少约２１．７％；蒸汽设备的总换热面积增加了４００ｍ２，增加约
１７．４％。同时，每吨酸中压过热蒸汽产量由常规转化工艺的０．１９５ｔ增加
到０．２７６ｔ，产量提高约４１．５％。
就整个转化、干吸工序而言，与常规转化工艺相比，预转化工艺电耗
减少约２２．８％，吨酸节省电能１３ｋＷ·ｈ，每年可节电１．０４×１０７ｋＷ·ｈ，
经济效益显著。
（５）结语
孟莫克预转化工艺是将加入到转化系统的稀释空气单独干燥，与小部
分高浓度ＳＯ２ 气体混合后进入预转化器进行预先转化，然后再与未转化
的主气流混合后送入主转化器第 Ⅰ 段，使进入主转化器第 Ⅰ 段气体
φ（ＳＯ２）达到１８％～２０％ （将预转化生成的ＳＯ３ 折算成ＳＯ２）。该工艺具
有控制容易、操作方便、适应ＳＯ２ 浓度变化范围大、节约能耗及减少钒
催化剂装填量等优点，对于旧装置提浓改造也有更大的灵活性。与常规转
化工艺相比，孟莫克高浓度ＳＯ２ 预转化工艺具有较小的设备尺寸和先进
的工艺指标，因而可以减少装置投资、降低操作和维修成本，并且吨酸中
压过热蒸汽产量提高４１．５％、电耗减少约２２．８％，节能减排效果显著。