年产四万吨硫酸二氧化硫转化工段工艺设计项目可行性研究报告毕业设计Word文档下载推荐.docx
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2.1国内外市场现状
2.1.1国外市场现状
世界约60%的硫酸用于生产化肥，其中磷肥生产又是硫酸的最大用户。
1998年P2O5消费量约为32800kt,预计1998-2003年世界磷肥消费量年增长率为2.8%,相应硫酸产量也将增加18000kt/a。
另外,非肥料用硫酸的年增长率为2.7%。
预计1998-2003年,来自冶炼行业的硫酸产量将达到11000kt/a,而硫铁矿制酸的产量将减少5000kt/a,则硫磺制酸产量将增加22000kt/a。
世界硫酸和磷酸盐的消费和预测见表1。
表1世界硫酸和磷酸盐的消费和预测Mt
1996年
1997年
1998年
1999年
2000年
2001年
2002年
2003年
P2O5消费量
31.1
31.8
328
33.7
34.7
35.6
36.6
37.5
P2O5产量
32.8
33.6
34.3
35.5
36.5
38.5
39.5
肥料用硫酸
89.2
91.0
94.1
97.5
99.8
102.5
105.5
106.1
非肥料用硫酸
61.0
64.3
65.5
67.5
69.2
71.5
73.8
75.3
硫酸消费总量
150.2
155.2
159.6
165.0
169.0
174.0
179.3
182.4
2.1.2国内市场现状
我国硫酸也主要用于生产化肥,1995年化肥生产用硫酸占硫酸总产量的73.3%,1997年则为72.2%。
1996年下半年由于化肥销售形势下降,硫酸库存量超过1000kt,1997年硫酸的产销率为97.9%,1998年、1999年仍处于产大于销的局面。
预计2000年我国对硫酸的需求量为22000~23000kt。
现在我国有关部门已逐渐认识到含硫化肥在粮食生产中的重要作用,并将发展含硫化肥放在了重要地位,因此,预计在将来10年内,我国对含硫化肥的需求将会有较大的增长,从而也将增加我国硫酸的消费潜力,预计2010年我国硫酸产量可达32000kt左右。
2.1.3区内市场现状
以石嘴山市为中心，周边乌海、大武口有较大的市场，附近烧碱生产能力已超过20万吨/年，加上临近地区的精细化工，共市场需求量已超过5万吨/年，加上其它用户，将接近6万吨/年左右，而目前该地区只有3万吨/年的生产能力。
2.2产品价格分析
国内各地域硫酸价钱均呈现分歧法式的降落，此中东北、西北和华北地域降幅较显明，其它地域下滑幅度不大，基础以稳为主。
以98%为例，东北地域主流成交约在1400-1750元/吨，华北地域主流成交约在1150-1600元/吨，华中地域主流成交约在1150-1450元/吨，华南地域主流成交约在1100-1600元/吨，西北地域主流成交约在900-1300元/吨。
据消息，今朝国内硫磺制酸企业受到本钱的影响多都减产破产，而硫铁矿制酸企业近期增添了相当多的装配，是以弥补了硫磺制酸产量的空白。
而受到下流化肥、化工以及电解锰等企业需求欠安的影响，过多的硫铁矿酸呈现了滞销的现象，是以过多的库存积存，使得硫酸的价钱在短期内很难有所回升。
3、工程设计项目
3.1产品的生产方案及生产规模
生产方案：
接触法生产硫酸
生产规模：
年产四万吨硫酸
3.2工艺技术方案
3.2.1制硫酸工艺的发展历程
生产硫酸最古老的方法是用绿矾（FeSO4·
7H2O）为原料，放在蒸馏釜中锻烧而制得硫酸。
在锻烧过程中，绿矾发生分解，放出二氧化硫和三氧化硫，其中三氧化硫与水蒸气同时冷凝，便可得到硫酸。
2（FeSO4·
7H2O）→Fe2O3+SO2+SO3+14H2O
在18世纪40年代以前，这种方法为不少地方所采用。
古代称硫酸为“绿矾油”，就是由于采用了这种制造方法的缘故。
二氧化硫氧化成三氧化硫是制硫酸的关键，但是，这一反应在通常情况下很难进行。
后来人们发现，借助于催化剂的作用，可以使二氧化硫氧化成三氧化硫，然后用水吸收，即制成硫酸。
根据使用催化剂的不同，硫酸的工业制法可分为硝化法和接触法。
硝化法（包括铅室法和塔式法）是借助于氮的氧化物使二氧化硫氧化制成硫酸。
其中铅室法在1746年开始采用，反应是在气相中进行的。
由于这个方法所需设备庞大，用铅很多，检修麻烦，腐蚀设备，反应缓慢，成品且为稀硫酸，所以，这个方法后来逐渐地被淘汰。
在铅室法的基础上发展起来的塔式法，开始于本世纪初期。
1907年在奥地利建成了世界上第一个塔式法制硫酸的工厂，其制造过程同样是使氮的氧化物起氧的传递作用，从而氧化二氧化硫，再用水吸收三氧化硫而制成硫酸，不同的是该过程在液相中进行，生产成本及产品质量都大大优于铅室法。
塔式法制出的硫酸浓度可达76％左右，目前，我国仍有少数工厂用塔式法生产硫酸。
硝化法的反应历程较复杂，但可用简单的化学方程式表示如下：
SO2+NO2+H2O=H2SO4+NO
NO2循环利用
NO+O2=NO2
反应中所需的NO由硝酸供给，氧气来自空气。
接触法是目前广泛采用的方法，它创始于1831年，在本世纪初才广泛用于工业生产。
到20年代后，由于钒触媒的制造技术和催化效能不断提高，已逐步取代价格昂贵和易中毒的铂触媒。
世界上多数的硫酸厂都采用接触法生产。
接触法中二氧化硫在固体触媒表面跟氧反应，结合成三氧化硫，然后用98.3％的硫酸吸收为成品酸。
这种方法优于塔式法的是成品酸浓度高，质量纯（不含氮化物），但炉气的净化和精制比较复杂。
3.2.2接触法制酸的过程简介
先将硫磺或黄铁矿在空气中燃烧或焙烧，以得到二氧化硫气体。
将二氧化硫氧化为三氧化硫是生产硫酸的关键，其反应为：
2SO2+O2→2SO3
这个反应在室温和没有催化剂存在时，实际上不能进行。
根据二氧化硫转化成三氧化硫途径的不同，制造硫酸的方法可分为接触法和硝化法。
接触法是用负载在硅藻土上的含氧化钾或硫酸钾（助催剂）的五氧化二钒V2O5作催化剂，将二氧化硫转化成三氧化硫。
硝化法是用氮的氧化物作氧化剂，把二氧化硫氧化成三氧化硫：
SO2+N2O3+H2O→H2SO4+2NO
根据所采用设备的不同，硝化法又分为铅室法和塔式法，现在铅室法已被淘汰；
塔式法生产的硫酸浓度只有76％；
而接触法可以生产浓度98％以上的硫酸；
采用最多。
接触法生产工艺：
接触法的基本原理是应用固体催化剂，以空气中的氧直接氧化二氧化硫。
其生产过程通常分为二氧化硫的制备、二氧化硫的转化和三氧化硫的吸收三部分。
1、二氧化硫的制备和净化：
以硫铁矿等其他原料制成的原料气，含有矿尘、氧化砷、二氧化硒、氟化氢、氯化氢等杂质，需经过净化，使原料气质量符合转化的要求。
为此，经回收余热的原料气，先通过干式净化设备（旋风除尘器、静电除尘器）除去绝大部分矿尘，然后再由湿法净化系统进行净化。
经过净化的原料气，被水蒸气所饱和，通过喷淋93％硫酸的填料干燥塔，将其中水分含量降至0.1g/m3以下。
2、二氧化硫的转化：
二氧化硫于转化器中，在钒催化剂存在下进行催化氧化：
SO2+O2→SO3ΔH=-99.0kJ
钒催化剂是典型的液相负载型催化剂，它以五氧化二钒为主要活性组分，碱金属氧化物为助催化剂，硅藻土为催化剂载体，有时还加入某些金属或非金属氧化物，以满足强度和活性的特殊需要。
通常制成直径4～6mm、长5～15mm柱状颗粒。
近年来，丹麦、美国和中国相继开发了球状、环状催化剂，以降低催化床阻力，减少能耗。
钒催化剂须在某一温度以上才能有效地发挥催化作用，此温度称为起燃温度，通常略高于400℃。
近年来，研制成功的低温活性型钒催化剂，其起燃温度降低到370℃左右，因而提高了二氧化硫转化率。
转化器进口的原料气温度保持在钒催化剂的起燃温度之上，通常为410～440℃。
由于原料气经过湿法净化系统后降温至40℃左右，所以必须通过换热器，以转化反应后的热气体间接加热至反应所需温度，再进入转化器。
二氧化硫经氧化反应放出的热量，使催化剂层温度升高，二氧化硫平衡转化率随之降低，如温度超过650℃，将使催化剂损坏。
为此，将转化器分成3～5层，层间进行间接或直接冷却，使每一催化剂层保持适宜反应温度，以同时获得较高的转化率和较快的反应速度。
现代硫酸生产用的两次转化工艺，是使经过两层或三层催化剂的气体，先进入中间吸收塔，吸收掉生成的三氧化硫，余气再次加热后，通过后面的催化剂层，进行第二次转化，然后进入最终吸收塔再次吸收。
由于中间吸收移除了反应生成物，提高了第二次转化的转化率，故其总转化率可达99.5％以上，部分老厂仍采用传统的一次转化工艺，即气体一次通过全部催化剂层，其总转化率最高仅为98％左右。
3、三氧化硫的吸收：
转化工序生成的三氧化硫经冷却后在填料吸收塔中被吸收。
吸收反应虽然是三氧化硫与水的结合，即：
SO3+H2O→H2SO4ΔH=-132.5kJ
但不能用水进行吸收，否则将形成大量酸雾。
工业上采用98.3％硫酸作吸收剂，因其液面上水、三氧化硫和硫酸的总蒸气压最低，故吸收效率最高。
出吸收塔的硫酸浓度因吸收三氧化硫而升高，须向98.3％硫酸吸收塔循环槽中加水并在干燥塔与吸收塔间相互串酸，以保持各塔酸浓度恒定。
成品酸由各塔循环系统引出。
吸收塔和干燥塔顶设有金属丝网除沫器或玻璃纤维除雾器，以除去气流中夹带的硫酸雾沫，保护设备，防止环境污染。
两次转化工艺的最终吸收塔出口尾气中的二氧化硫浓度小于500×
10-6，尾气可直接排入大气；
而一次转化工艺 的吸收塔尾气中的二氧化硫浓度高达2000×
10-6～3000×
10-6，故须设置尾气处理工序，以使排气符合环境保护法规。
氨水吸收法是应用最广的尾气处理方法。
3.2.3二氧化硫的转化
1、二氧化硫催化氧化的反应机理
二氧化硫的氧化属气-固相催化氧化反应,当无催化剂时,反应活化能是209kJ/mol,反应不易进行,在钒催化剂上反应时,反应活化能降至92～96kJ/mol。
催化氧化机理由四个步骤构成。
①钒催化剂上存在着活性中心,氧分子吸附在它上面后,〖JG（〗O〖ZJLX,Y〗O〖JG）〗键遭到破坏甚至断裂,使氧分子变为活泼的氧原子（或称原子氧）,它比氧分子更易与SO2反应。
②SO2吸附在钒催化剂的活性中心,SO2中的S原子受活性中心的影响被极化。
因此很容易与原子氧结合在一起,在催化剂表面形成络合状态的中间物种。
③这一络合状态的中间物种,性质相当不稳定,经过内部的电子重排,生成了性质相对稳定的吸附态物种。
催化剂·
ＳＯ２·
Ｏ→催化剂·
ＳＯ３
（络合状态中间物种）（吸附态物种）
④吸附态物种在催化剂表面解吸而进入气相。
经研究,在上述四个步骤中,第一步骤进行得最慢（即氧分子均裂变成氧原子）,整个反应的速度受这个步骤控制,故将它称为SO2氧化为SO3的控制阶段（或称控制步骤）。
2、二氧化硫催化氧化的工艺流程
1）两次转化两次吸收流程
一次转化一次吸收工艺，最佳的最终转化率是97.5%—98%。
如果要得到更高的转化率，转化段数要增加很多，这是很不经济的。
如将尾气直接排入大气，将造成严重污染，采用两次转化两次吸收工艺就能很好的解决上述问题。
两次转化两次吸收流程有反应速度快，最终转化率高；
采用较高体积分数的SO2炉气；
减轻尾气污染；
热量平衡；
因增加中间吸收和换热器，气流阻力增加，鼓风机压力增大，动力消耗也增加。
两次转化有10多种流程，用得较多的是四段转化，分为（2+2）和（3+1）流程。
（2+2）是指炉气经二段转化后进行中间吸收，再经二段转化后第二次吸收。
（2+2）流程的转化率在相同条件下比（3+1）流程的稍高一些，因为SO3较早被吸收掉，有利于反应平衡和加快反应速率。
（3+1）流程则在换热方面较易配置。
2）工艺流程选择
转化系统采用“3+1"
4段转化、ⅢⅠ—ⅣⅡ换热流程。
即第一次转化和第二次转化各用两段催化剂床层，用转化器第二段出口的低温热和第一段出口的热量加热进第一次转化的冷气体，用第四段出口、第三段出口的热量和第二段出口的高温热加热进第二次转化的冷气体。
进入转化器的φ（SO2）为9%，氧硫比为1.11，设计总转化率为99.99%。
采用孟山都公司的催化剂，转化器各段进出口温度见表2。
采用“3+1”两次转化，可以更好地发挥转化器第二段和第三段的作用。
再者，由于降低进转化器的氧硫比，相对减少了进人干吸和转化工段的气量，从而提高转化部分的废热回收率，使得在气体进人第一吸收塔和第二吸收塔之前均设置省煤器来加热进废热锅炉的锅炉给水具有实际意义。
表2转化器各段进出口温度
转化器床层
进口温度/℃
出口温度/℃
一
435
593
二
445
497
三
465
四
425
426
3.3主要设备选择
本装置所选用的设备都是在同类型装置上稳定运行一年以上，并被证明是成熟可靠的设备，多数是由国际、国内知名厂商制造，主要设备规格见表3。
3.3.1转化器
转化器亦由意大利西利沙蒙公司与南化集团设计院共同设计。
以碳钢为主材，顶盖和部分隔板为不锈钢，铸铁立柱和铸铁蓖子板。
段间隔板采用大弧形结构，与壳体为全焊接、解决了热膨胀及段间压差产生的应力影响，确保转化器各层之间完全不串气。
各段气体进口均设计了气体分布装置，既达到气体均匀分布的目的，又防止了气体高速冲刷催化剂层。
转化器内装填的是孟山都催化剂，第一、二段采用LP120型、第三、四段采用LP110型，总装填定额为190L/（t·
dֿ¹
），总装填量为228m³
。
3.3.2废热锅炉
废热锅炉采用德国SHG公司技术。
由SHG与南化集团设计院合作设计，SHG公司与杭州锅炉厂联合制造。
该锅炉由锅炉本体和沸腾炉冷却盘管、矿渣冷却器冷却盘管组成，炉水循环为强制循环。
锅炉本体共有4个蒸发区和3个过热区，炉气横向冲刷锅炉管束，炉管由特殊合金材料制成并在其表面再镀上耐磨面层。
3.3.3主鼓风机
主鼓风机是美国A—C压缩机公司设计和制造的离心风机，型号为D48JR，单级悬臂、开式叶轮。
壳体为碳钢，叶轮为合金钢。
驱动电动机为ABB公司的产品，风机配有完善的启动控制系统。
3.4主要技术经济指标
3.5物料衡算
表3转化器物料平衡表
进一段
v%
SO2
56.13
3592.32
1257.312
9.0
O2
50.517
1616.544
1131.5808
8.1
N2
517.2
14476.56
11581.248
82.9
∑
623.667
19685.424
13970.1408
100
出一段（二段进）
19.6455
1257.312
440.0592
3.25
SO3
36.4845
2918.76
817.2528
6.03
O2
32.27475
1032.792
722.9544
5.33
N2
517.02
85.39
605.42475
19685.424
13561.5144
出二段（三段进）
6.45495
413.1168
144.59088
1.08
SO3
49.67505
3974.004
1112.72112
8.30
25.679475
821.7432
575.22024
4.29
N2
517.02
11581.248
86.33
598.829475
19685.424
13413.78024
100
出三段（四段进）
SO2
3.3678
215.5392
75.43872
0.56
52.7622
4220.976
1181.87328
8.83
O2
24.1359
772.3488
540.64416
4.04
517.02
14476.56
86.57
597.2859
13379.20416
进四段（二次）
3.3678
0.62
24.1359
772.3488
540.64416
4.43
11581.248
94.95
544.5237
15464.448
12197.33088
出四段（二次）
SO2
0.16839
10.77696
3.771936
0.03
3.19941
255.9528
71.666784
0.59
22.536195
721.15824
504.810768
95.23
542.923995
15464.448
12161.49749
3.6热量衡算
1.转化器热量衡算
表4转化器工况
段数
气体进口
反应热量
气体出口
温度
热量
一段
430
8328500.7
3629570.2
600.28
11958070.9
二段
440
8571984.3
1313492.0
501.82
9885476.31
三段
8580770
307570.22
454.49
8888340.23
四段
6975976
318823.47
448.88
7294799.47
2.换热器热量衡算
项目
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
交换热量
/
3307186.5
1265702.81
6161311.106
2877779.12
温差
186.49
61.76
79.145
210.24
计算传热面
470.5
543.7
1348
363.2
采用传热面积
523.05
598.07
1685
454
表5换热器工况
4、厂址选择
4.1建厂条件
1、自然环境
宁东能源化工基地位于XX回族自治区中东部。
在灵武、盐池、同心、红寺堡地区，有一个南北长130公里，东西宽50公里，面积约为3500平方公里的煤炭富集区——宁东能源化工基地，已探明煤炭储量273亿吨，远景储量1394.3亿吨，是一个全国罕见的储量大、煤质好、地质构造简单的整装煤田，被列为国家13个重点开发的亿吨级矿区之一。
宁东能源化工基地分为3个分基地：
宁东煤炭基地，宁东火电基地、宁东煤化工基地。
基地核心区位于银川市灵武境内，重点发展煤、电、煤化工三大核心产业，机械加工、生物制品、建筑材料等相关产业和一大批辐射产业。
宁东能源化工基地规划区总面积约3484平方公里，东以鸳鸯湖、马家滩、萌城矿区的边界为限；
西与白芨滩东界接壤，延伸到积家井、韦州矿区西界；
南至韦州矿区和萌城矿区的最南端延省界的连接线；
北邻内蒙古自治区鄂托克前旗。
东西宽16～41km，南北长127km。
宁东基地属中温带干旱气候区，具有干燥、雨量少而集中、蒸发量大、日照时间长、冬春季风沙多等特点。
年平均气温为6.7～8.8°
C，年平均风速2.5～2.6米/秒，风能、太阳能开发潜力大。
区域内主要有宁东镇、太阳山镇等6个乡镇，总人口约7万人，农业人口约占1/4。
农民人均纯收入2520元，城镇居民可支配收入8130元。
2、生产装置运输量、运输方案和交通条件
①生产装置运输量
年总运输量：
其中，年总运入量
年总运出量
②运输方案
本产品为硫酸，可公路运输，亦可铁路运输。
③交通条件
四通八达的道路交通是基地的一大突出优势，银川-青岛高速公路及307国道横贯基地；
大古铁路连接包兰、宝中铁路与京包、陇海线连通可辐射全国，即将开工建设的银川-太原铁路又形成一条横穿基地的外运大通道；
银川河东机场距基地中心区仅30公里，每日航班达50余次，通往北京、上海、广州、西安、太原、济南、青岛、兰州等重要城市。
4.2公用工程设施情况
4.2.1供水
宁东基地位于黄河东畔，中心区距黄河仅35公里左右，2003年底开工建设的宁东供水工程，预计2005年5月建成通水，总供水量为15970万立方米，能为基地提供充足的水源保障。
4.2.2供电
XX目前无拉闸限电之虞，2004年XX电网统调装机容量达到366万千瓦，而且基地规划建设的八大电厂将形成千万千瓦级的火电基地，这些都将为基地提供充足的电力供应。
4.2.3原料输送
拟将厂址建在宁东能源化工基地，原材料就是用煤化工厂副产的硫磺。
4.3气象条件
4.3.1气象
XX年平均气温为5.3～9.9℃，呈北高南低分布。
兴仁、麻黄山及固原市在7℃以下，其它地区在7℃以上，中宁、大武口分别是9.5℃和9.9℃，为全区年最高。
XX冬季严寒、夏季炎热，各地气温7月最高，平均为16.9～24.7℃，1月最低，平均为-9.3～-6.5℃，气温年较差大，达25.2～31.2℃。
4.3.2降水
XX年平均降水量166.9～647.3毫米，北少南多，差异明显
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