80万吨硫磺制酸工艺方案设计书邓小东.docx
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80万吨硫磺制酸工艺方案设计书邓小东
封面
作者：
PanHongliang
仅供个人学习
800Kt/a硫磺制酸装置
工艺设计
设计者：
邓小东
学号：
007
班级：
黔化本041
指导老师：
刘珍贤
2009年5月16日
毕业设计（论文）任务书
设计（论文）题目：
800KT/a硫磺制酸装置工艺设计
函授站：
北京化工大学专业：
化学工程与工艺
班级：
黔化本041班学生姓名：
邓小东
指导教师（含职称）：
刘珍贤
1．设计（论文）的主要任务及目标
设计的主要任务：
根据毕业设计课题要求，结合设计条件，主要完成800KT/a硫磺制酸装置设计说明书、气体流量及组成计算、液体流量及组成计算、气体热量计算、循环酸温计算、主要设备尺寸核算、主要管道尺寸核算。
设计目标：
采用先进成熟的工艺设备，节能措施和环保措施，达到高效、节能、环保的要求，取得好的经济效益。
2．设计（论文）的基本要求和内容
硫磺制酸装置的物料衡算和热量衡算，及主要设备的尺寸计算、定型型号的选择，原辅材料的消耗计算，和带工艺控制点的工艺流程图和设备装备图的绘制，设计说明书的编制。
3．主要参考文献
（1）南京化学工业（集团）公司设计院编写、化工部硫酸工业信息站出版
的《硫酸工艺设计手册之工艺计算篇》；
（2）南京化学工业（集团）公司设计院编写、化工部硫酸工业信息站出版的《硫酸工艺设计手册之物化数据篇》；
（3）南化公司设计院一室供稿、南化公司研究院《硫酸工业》编辑部编印的《接触法硫酸工艺设计常用参考资料选编之试用稿第三分册》；
（4）汤桂华主编，《化肥工学丛书、硫酸》，化学工业出版社出版发行。
4．进度安排
设计（论文）各阶段名称
起止日期
1
设计安排查询资料和参观考察
2009年1-2月份
2
设计实施阶段
2009年3月1日-25日
3
设计中期检查
209年3月28日
4
设计完善阶段
2009年4月1日-5月15日
5
设计毕业答辩
2009年5月16日
设计诚信声明
本人郑重声明：
所呈交的设计是本人独立完成，设计中有关资料和数据是实事求是的。
尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外，本设计不包含其他人已经发表或撰写的成果。
若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。
作者签名：
邓小东日期：
2009年5月16日
800Kt/a硫磺制酸装置工艺设计
摘要
硫酸是一种重要的基本化工原料。
在我国，硫酸产品有20%、75%、93%和98%等不同规格。
硫酸主要用于生产磷肥，其消费量占硫酸的总消耗量的60%以上。
硫酸还用于生产还广泛的用于冶金、印染、医药等行业。
本设计主要介绍了年产80万吨硫磺制酸的工艺计算（主要原物料的物料衡算和热量衡算）、主要设备的尺寸计算及选型、工艺流程的配置、安全生产、环境保护等。
熔硫工段采用了液硫过滤器和液硫储罐；转化工段采用了硫酸工业中技术成熟的“两转两吸”3+2五段转化工艺，并采用了开车间接升温系统、全不锈钢转化器及国产优质钒触媒催化剂，确保一转转化率达到93%、二转转化率达到98%，使之总转化率达到99.7%；吸收工段采用大开孔球拱和新型填料、蝶形底、带阳极保护的不锈钢酸冷器和管槽式分酸器、一二吸采用国产纤维除雾器，并增设尾气碱液吸收装置（用于开停车和事故性排放），确保吸收率达到99.99%；锅炉工段采用热管省煤器、火管锅炉、反渗透脱盐水、热力除氧、蒸汽透平风机，确保余热的充分合理的利用。
在技术经济方面确保技术先进成熟，节省建设投资，为投产后获得好的经济指标打下基础，环境指标上则达到国家最新的污染物排放标准。
由此证明本设计在工艺计算、工艺流程的配置、设备的选用上是合理的成功的。
关键词：
硫磺；硫酸；工艺；设备；设计
13、设计条件……………………………………………………………48
14、气体流量及组成计算………………………………………………49
15、液体流量及组成计算………………………………………………52
16、气体热量计算………………………………………………………54
17、循环酸温计算………………………………………………………58
18、主要设备尺寸核算…………………………………………………60
19、主要管道尺寸核算…………………………………………………65
附件：
1、相关图纸
1、总论
1.1概述
1.1.1工程名称
（1）工程名称：
800Kt/a硫磺制酸工程
1.1.2设计简况
（1）大力加强工艺流程与设备配套开发的工作，在充分吸取国内外科技成果的基础上，通过设计方案的比较和选择，提高装置的技术水平，完全实现设备国产化，以节约工程建设投资。
确保装置技术先进、工程投资省、运行费用低，装置运行可靠性高。
做出高水平、高质量、高效益的“三高”设计。
（2）在做好主装置设计的同时，要注重节能、环保、安全、消防、抗震、劳动安全及工业卫生的配套设计。
“三废”排放必须符合国家的有关标准和本工程环评报告的要求。
生产操作的环境条件必须符合国家劳动安全及工业卫生的要求。
贯彻执行国家有关环境保护和职业安全卫生的政策和法规。
（3）认真贯彻“五化”的设计原则，尽量提高“工厂布置一体化、生产装置露天化、（建）构筑物轻型化、公用工程社会化、引进技术国产化”的程度。
贯彻“安全生产，预防为主”的方针，确保本工程投产后符合职业安全卫生的要求，保证职工的安全和健康。
（4）在确保工程质量的前提下，尽量降低工程造价，使工程综合技术经济指标达到先进水平。
1.1.3工程提出的背景、投资的必要性和经济意义（略）
1.2可研的简要综合结论
（1）本工程所产硫酸，作为下游磷化工产品的原料，符合企业产业链的需要，装置建成后具有较好的经济效益。
（2）本工程采用生产技术先进、成熟、可靠，设备全部实现国产化，既降低了工程投资，又为装置长周期稳定运行提供了保障。
（3）本工程“三废”治理措施有效，工程建设满足环保要求。
（4）本工程财务评价结果良好：
工程总投资预计12000万元。
综上所述，本工程是可行的，投资是必要的。
附：
主要技术经济指标
序号
指标名称
单位
数量
备注
一
生产规模及产品方案
1
硫酸98%
kt/a
816.3
折100%为800kt/a
2
蒸汽3.82MPa
kt/a
960
1.2吨蒸汽/吨酸
二
年操作日
天
333
8000小时
1
日产量
吨
2400
2
小时产量
吨
100
三
主要原材料、燃料用量
1
硫磺
kt/a
265.6
800000×332÷1000
2
钒触媒
吨
新工厂一次添加468吨，之后每年消耗56吨.
720×0.65t/M3
3
柴油
t/a
176
开车升温用
五
公用工程消耗量
1
供水（补充新鲜水）
m3/h
500
100×5吨水/吨酸
2
用电负荷
380V（总装机容量）
KW
3825
85度/吨×100吨×45%
10KV（总装机容量）
KW
4675
85度/吨×100吨×55%
年用电量（上透平风机）
万kw.h
1840
80万吨×23度/吨
3
供汽
低压蒸汽（≤0.6MPa）
t/h
120
100吨×1.2
六
“三废”排放量
1
废气
Nm3/h
185356
2
废渣
t/a
5016
七
运输量
kt/a
272
产品硫酸自产自用，
不外卖。
1
运入量：
kt/a
266.8
2
运出量：
kt/a
5.2
八
全厂定员
人
50
1
其中：
生产工人
人
44
2
非生产人员
人
6
九
厂内占地面积
亩
60
十
全厂建筑面积
m2
11988
60亩×666×30%
十一
工程工程总投资（估计）
万元
12000
2、市场需求预测
2.1国内外近期、远期需求量预测
国际上硫酸生产主要以硫磺为原料，上个世纪九十年代,由于国际硫磺市场持续低迷、国内冶炼技术的不断发展，我国硫酸生产的原料结构发生了深刻变化，硫磺制酸与冶炼气制酸得到了飞速发展，改变了过去依赖硫铁矿的单一格局。
2004年中央紧抓三农问题，出台一系列对化肥企业的利好政策，促进了磷复肥特别是高浓度磷复肥生产，磷复肥每月以同比20%以上的速度增长；二是国民经济的快速增长，增加对硫酸的需求。
2005-2007年全国硫酸产量（单位：
万吨）
制酸品种
2005年
产量
占总产量比例%
2006年
产量
占总产量比例%
2007年产量
占总产量比例%
全国产量（万吨）
4625
100
5044
100
5700
100
其中：
硫磺制酸
1974
43
2233
44
2655
47
其中：
冶炼烟气制酸
981
21
1163
23
1315
23
其中：
硫铁矿制酸
1621
35
1593
32
1678
29
其中：
其他原料制酸
58
1
55
1
52
1
2.2产品的销售预测、竞争能力和进入国际市场的前景
本工程所产硫酸全部公司自用，不需外售。
3、产品方案及生产规模
3.1产品方案的选择
3.1.1产品方案的选择的依据
随着企业的下游磷化工产品投产后，硫酸总需求量将达到800kt/a，为了节省造价，降低成本及规避风险，本工程硫酸产量确定为800kt/a,副产蒸汽可供浓缩磷酸、自身熔硫及生活取暖使用。
3.1.2产品方案的确定
本工程最终产品为：
98%硫酸
副产品：
0.6MPa饱和蒸汽。
3.2生产规模
98%硫酸硫酸：
816.3kt/a。
0.6MPa饱和蒸汽：
120t/h
3.3产品、中间产品和副产品的品种、规格及质量指标
3.3.1产品和副产品的品种和数量
本工程建成后，其产品和副产品品种见下表：
序号
产品
新增产量
备注
1
硫酸98%
816.3kt/a
2
饱和蒸汽0.6MPa
120t/h
小时产量×1.2
3.3.2产品、中间产品和副产品的品种、规格及质量指标
（1）硫酸：
产品执行国家标准GB/T534-2002表中浓硫酸一等品标准
项目
指标（一等品）
硫酸（H2SO4），%≥
98.0
灰分的质量分数,%≤
0.03
铁（Fe），%≤
0.01
砷（As），%≤
0.005
汞（Hg），%≤
0.01
铅（Pb），%≤
0.02
透明度，mm≤
50
色度，≤
2.0
（2）、工业硫磺：
产品执行国家标准GB/2449-81表中二级品标准H2SO4算
指标名称
一级
二级
三级
测定方法
硫%≥
99.90
99.50
98.50
GB2451-81
灰分%≤
0.04
0.20
0.40
GB2453-81
酸度（以H2SO4计）%≤
0.005
0.01
0.03
GB2454-81
砷（As）%≤
0.001
0.02
0.05
GB2456-81
铁（Fe）%≤
0.003
0.005
不规定
GB2457-81
有机物%≤
0.05
0.30
0.80
GB2455-81
水分%≤
0.10
0.50
1.00
GB2452-81
100目筛（孔径0.149mm）
筛余物%≤
无
无
不规定
GB2458-81
200目筛（孔径0.074mm）
筛余物%≤
0.5
1.0
不规定
机械杂质（木、砂、纸）
不允许
（3） 饱和蒸汽：
执行企业标准
P（a）=0.6Mpa
3.4催化剂的选用
SO2的转化反应是一个放热、可逆、体积缩小的氧化反应，是硫酸生产的重点工段，SO2的转化完全与否，关系到原料硫磺的利用率、环境保护和经济效益等，所以对SO2氧化用催化剂的选择提出了更高要求。
SO2氧化反应所用催化剂要求满足以下条件：
①有较高的转化率，目的是提高硫的利用率和减少二氧化硫排放量。
②有较低的起燃温度、较高的耐热性能，以降低能耗，缩短开车预热时间，并适应气浓、气量的变化。
③使用寿命长，以保证系统的长期开工率。
现在硫酸生产中的二氧化硫氧化主要用的是钒催化剂。
钒催化剂是以五氧化二钒（V2O5）为主要活性成分，其组成为V2O55~9%、SO310~20%、SiO250~70%，并含有少量Fe2O3、CaO、MgO及水份等。
以碱金属盐类（硫酸盐）作助催化剂，以硅胶、硅藻土、硅酸盐作为载体。
而引起钒催化剂中毒的主要物质是砷、氟、酸雾以及矿尘等。
除了矿尘覆盖催化剂表面降低催化剂活性外，其它3种有毒物质是以化学中毒形式来使催化剂中毒失去活性的。
现在国内广泛采用的是S101-2H型、S107-1H型和S108-H型三种催化剂，这三种催化剂为环状催化剂。
比较先进的有S101-2H（Y）型和S107-1H（Y）型，它们是菊花环钒催化剂，床层阻力降比前者小，抗堵能力比前者强：
堆密度小、强度高这两个指标已达到国际先进水平。
S107-1H型和S107-1H（Y）型，起燃温度为360℃～370℃，正常使用温度为420℃～580℃；S101-2H型和S101-2H（Y）型的起燃温度为380℃～390℃，正常的使用温度为420℃～630℃，因此比较可得S107型催化剂要优于S101型催化。
S107型催化剂和S101型催化反应速度常数见表2.2和表2.3。
表2.2S101型钒催化剂反应速度常数：
温度，℃
K1
温度，℃
K1
K1*
秒-1大气压-1
秒-1大气压-1
秒-1大气压-1
600
10.7
490
1.79
——
590
9.65
480
1.58
——
580
8.66
470
1.35
1.35
570
7.74
460
1.10
0.80
560
6.60
450
0.85
0.47
550
5.60
440
0.71
0.31
540
4.75
430
0.56
0.19
530
4.05
420
0.44
0.11
520
3.26
410
0.36
——
510
2.65
400
0.28
——
500
2.10
——
——
——
说明：
在转化率小于60%，温度小于470℃时用K1*值。
S107型催化剂的主要物理和化学性质：
含V2O55.5~6.5%，颗粒尺寸Φ5×（10～15）mm圆柱形；堆积密度0.50～0.60kg/L；孔隙率0.50%～0.60%；机械强度﹥15kgf/cm2；
表2.3S107型或S105型钒催化剂反应速度常数
温度，℃
温度，℃
秒-1大气压-1
秒-1大气压-1
秒-1大气压-1
600
8.15
480
1.58
——
590
7.25
470
1.36
——
580
6.40
460
1.20
1.20
570
6.05
450
1.02
0.81
560
5.05
440
0.85
0.55
550
4.60
430
0.70
0.37
540
4.05
420
0.58
0.25
530
3.50
410
0.49
0.16
520
2.92
400
0.41
0.11
510
2.45
390
0.32
0.072
500
2.13
380
0.26
0.046
490
1.86
—
——
——
说明：
在转化率小于60%，温度低于460℃是用K1*值。
所以综合考虑，选择国产S107型钒催化剂作为SO2氧化用催化剂。
4、工艺技术方案
4.1工艺技术方案的选择
4.1.1国内外工艺技术简况
（1）国外工艺技术简况
（a）国外硫酸生产的原料主要是硫磺，其生产规模正向大型化发展，最大单系列能力为美国MEC公司在澳大利亚Murrin承建的4400吨/日，带低温余热回收（HRS）系统的硫酸装置。
一般新建装置规模≥3000吨/日，由于装置大型化，对节约投资，提高劳动生产率，降低生产成本等方面效果显著。
（b）随着环保法日趋严格，生产技术趋向采用“3+1”或“3+2”两转两吸流程，总转化率在99.7～99.9％，尾气SO2含量低于300PPM，酸雾含量低于45mg/m3。
（c）采用先进技术，强化设备能力，不断采用结构先进、效率高、节能耐用的机泵设备，从而使硫酸装置的生产稳定，开工率高，安全可靠，先进硫酸厂年开工率达到99％以上。
（d）注重硫酸生产中的热能回收和转换，最大限度回收高、中、低位热能。
（2）国内工艺技术状况
近几年我国硫磺制酸工业有较快的发展，生产技术水平不断提高，其液体硫磺精制大多采用沉降法，转化工艺为“3+1”和“3+2”两转两吸工艺，转化触媒多采用国产触媒，转化率在99.5～99.7％，干吸塔、换热器、转化器等都采用一些新设备、新材料。
热力系统一般只回收利用高、中位热能，副产中、低压蒸汽自用或副产中压蒸汽用于发电或驱动透平主风机。
与国外相比存在单系列能力小、设计余量偏大、热利用水平偏低等缺点。
4.1.2工艺技术方案的选择
本工程选择工艺技术方案为：
固体硫磺皮带输送，快速熔硫、液硫过滤器过滤精制液硫，机械雾化焚硫，“3+2”两转两吸流程，其主要特点：
（1）结合中国国情，采用引进技术消化吸收的国內领先的硫磺制酸转化、干吸技术，进行工程设计。
具有技术先进，操作稳妥可靠，投资合理，综合经济效益好的特点。
（2）采用“3+2”两转两吸流程，采用国产大颗粒环型触媒，提高转化器气速，减少压降，延长触媒使用寿命，总转化率保证达到99.7％以上，采用全不锈钢转化器，确保其安全运行。
（3）转化工段的换热器选用列管换热器，进气扩散管，使气体均匀分布，设备直径小，占地面积小。
（4）干吸塔采用大开孔球拱和新型填料，蝶形底，采用带阳极保护的不锈钢管槽式分酸器，加大淋洒密度，降低填料高度，提高干吸塔生产强度，一二采用国产纤维除雾器，提高除雾效率，保护后续设备及环境。
（5）采用火管锅炉、蒸汽过热器、省煤器合理组成热力系统，回收高中位热能，产生450℃、3.82MPa蒸汽，用于推动透平风机，乏汽供熔硫、浓缩磷酸及生活取暖，热利用率高。
（6）采用高低温交叉配酸吸收技术和干吸塔低位配置，减少酸冷却器换热面积，降低设备投资。
（7）干吸塔上、下酸管采用阳极保护304L不锈钢管，安装维修方便，使用寿命长,减少酸的跑冒滴漏。
（8）采用新型不锈钢转化器，高温下（≤620℃）不会发生蠕变，使用寿命长，维修量小。
触媒层设置从上至下依次为3、4、5、2、1，便于更换触媒，减少烟气管长度，消除热应力。
（9）为了保证转化率，保护转化触媒，配置有间接升温系统。
4.1.3本工艺技术可达到的工艺指标为：
SO2浓度10.5％
硫酸产量:
100吨/时（100％H2SO4）
SO2转化率:
≥99.7％
SO3吸收率:
99.99％
尾气排放SO2≤960mg/Nm3
4.2工艺流程简述、余热回收系统方案的选择和消耗定额
4.2.1工艺流程简述
A、熔硫工段：
固体硫磺经汽车直接运入硫磺仓库后，采用人工上料，固体硫磺经过下料斗，再经过大倾角皮带运输机送入快熔槽，快熔槽设蒸汽盘管间接加热到135℃—145℃，并设有搅拌桨搅拌加快硫磺熔化，液体硫磺溢流进入粗硫槽，加入石灰中和液体硫磺中的酸度，粗硫经粗硫泵打到液硫过滤器过滤，过滤后的液硫流入精硫槽，再由精硫泵打入液硫大罐贮存待用。
另设有硅藻土预涂层槽及泵，用于液硫过滤器预涂过滤层用。
B、焚硫工段：
开车前将储存在液硫大罐中的液体硫磺用屏蔽泵打到焚硫炉前槽，液硫再经过硫磺泵加压后送入液硫喷枪，经过液硫喷枪雾化后进入焚硫炉，与从干燥塔来的干燥空气在800℃以上的温度下混合燃烧，借助焚硫炉前设置的旋风导流装置和炉尾的二次风让液体硫磺沫迅速的汽化、燃烧和扩散，生成我们想要的二氧化硫气体，温度高达1050℃送去余热锅炉降温。
之前采用柴油经过油泵和喷枪对焚硫炉进行升温到800℃以上。
C、转化工段：
从焚硫炉来经过余热锅炉降温到420℃的二氧化硫气体，送到转化器的一段，二氧化硫气体在转化器五段催化剂床层间经过五氧化二钒的催化氧化下生成三氧化硫气体，经过每段转化床层后其温度上升，二氧化硫气体量减少而三氧化硫气体的量在增加，转化一段出口气体温度达600℃，经过高温过热器降温到442℃后进入转化二段，转化二段出来的气体温度达506℃，再经过从一吸塔来的330℃的低温气体在热热换热器内降温到430℃进入转化三段，转化二段出来的气体温度达459℃，再经过从一吸塔来的70℃低温气体在冷热换热器内降温到240℃后，进入空气预热器进一步的降温到170℃后去一吸塔，从一吸塔回来的70℃的低温气体依次经过2台冷热和1台热热换热器加温到425℃后去转化四段，从转化四段出来的气体温度达440℃，再经过2#省煤器降温到430℃后进入转化五段，从转化五段出来的气体温度达432℃，最后经过低温过热器和1#省煤器降温到160℃后进入二吸塔。
为了在升温过程中保护触媒不受柴油燃烧产生的水汽损害，本系统还设置了转化工段间接升温系统，干燥空气经升温炉加热后直接送入转化器一段、四段对转化器升温。
D、干吸工段：
空气经过空气鼓风机加压后进入干燥塔干燥，再经过塔顶的金属丝网除雾器除沫后进入焚硫炉。
从转化三、五段段来的含大量三氧化硫的气体分别在第一和第二吸收塔内，借助异鞍瓷质填料，利用98%硫酸中的水吸收三氧化硫气体，生产我们想要的硫酸，硫酸浓度升高后不利于吸收进行完全，因此通过串酸或加工艺水来调整到98%的浓度恒定不变，吸收是放热反应，酸温升高后经过阳极保护管壳式换热器中的水间接冷却到60℃合适的硫酸温度，第一和第二吸收塔顶都设置了纤维除雾器，带液的气体经过纤维除雾器有效的除去酸雾以后分别去转化四段或经过高烟囱排放，开车或事故性的排放难免会造成尾气二氧化硫和酸雾超标，为此，在高烟囱前设置了尾气处理装置，利用纯碱液吸收，一般正常情况下尾气装置不用。
干燥、一吸循环酸共用一格循环酸槽，二吸单独用一格循环酸槽，干燥、一吸、二吸所需的98％循环酸分别由干燥、一吸、二吸循环酸泵打入干燥、一吸、二吸酸冷却器与循环冷却水进行换热冷却后，送入塔内槽管式分酸器喷淋与气体进行传质、传热后，流回循环酸槽。
98％成品硫酸由成品酸泵经成品酸冷却器冷却到40℃后进入硫酸计量槽，最后输送到成品酸贮槽贮存。
4.2.2余热回收系统方案的选择
（a）余热回收系统设计原则
（1）采用先进、可靠的余热回收技术，确保硫酸装置长期连续稳定运行；
（2）立足热力系统国产化，精心设计，合理选材，用最少的投资，获取尽可能大的热回收效果；
（3）积极采用先进成熟的技术成果，如焚硫炉后设置火管锅炉，转化一段、五段设置高低温过热器产3.82MPa过热蒸汽推动透平主鼓风机，乏汽供熔硫、磷酸、生活等使用。
（b）余热回收系统选择
（1）蒸汽系统参数
按我国蒸汽锅炉和汽轮发电机组系列，选用蒸汽参数如下：
锅炉汽包操作压力：
3.82MPa（饱和温度为245℃）
中压过热蒸汽：
3.82MPa450℃
（2）余热回收系统组成
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