4第四章硫酸改.docx
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4第四章硫酸改
第四章硫酸
4.1概述
本设计为年产电解金属锰160kt，配套320kt/a硫磺制酸，其中硫酸装置分两期建设，一期建设160kt/a硫酸及余热发电，二期建设160kt/a硫酸及余热发电。
单套制酸装置规模为160kt/a（100%H2SO4），生产98%硫酸163315.47t/a,装置排放尾气量为45238.60m3/h（标），SO2排放浓度为134.88mg/m3（标、干气体）,酸雾18.02mg/m3，符合《硫酸工业污染物排放标准》（GB26132-2010）,通过60m高烟囱排放。
制酸装置主要包括原料及熔硫工段、焚烧及转化工段、风机房、干吸工段、尾吸工段、成品工段。
本设计采用先进、稳妥可靠的工艺及装备，并与当前硫酸生产科技动态相适应；经济合理，投资节省；布置科学、合理。
4.2设计依据
4.2.1设计依据
1、《工程咨询合同书》（2011）长咨字第06号；
2、重庆乌江实业（集团）股份有限公司的委托书；
3、贵州武陵锰业有限公司提供的原料、供电、供水、地质条件、技术经济、建设场地地形图、气象条件、地震烈度等设计资料。
本项目硫酸生产以固体硫磺为原料，硫磺的质量要求应符合国家标准GB/T2449-2006一等品以上。
4.2.2工作制度
工作制度与电解锰生产配套，为300d/a、24h/d。
4.3生产规模及产品方案
4.3.1生产规模
根据电解锰生产硫酸需求量，制酸规模确定为320kt/a，100%硫酸。
分两套装置建设，单套装置规模为160kt/a，100%硫酸。
4.3.2产品方案
根据电解锰生产要求生产98%的浓硫酸。
产品符合GB/T534-2002一等品的指标要求。
4.4工艺技术方案确定
4.4.1原料路线的确定原则及依据
原料路线确定的原则首先是原材料质量要满足拟建装置工艺要求；其次是来源渠道多，能保证长期供应；三是价格便宜；四是贮运方便。
硫酸生产方法有硫铁矿法、硫磺法、冶炼尾气法、石膏法等。
硫酸的生产原料主要有硫磺、硫铁矿、天然石膏、磷石膏以及含SO2的冶炼烟气。
对于新建硫磺装置，必须对原料的来源，经济技术，环境卫生等因素进行综合分析。
硫磺是生产硫酸的理想原料，国外硫酸工业60%以上是以硫磺为原料。
硫磺制酸具有工艺流程简单，占地面积少，投资少，热能利用率高，环境效益好等优点。
相同规模的硫磺制酸装置，其投资约为硫铁矿制酸装置投资的一半。
且动力消耗和公用工程费用低，无废渣、废水的排放。
硫磺制酸建设周期短，操作管理方便。
因此，只要硫磺价格合理，供应渠道稳定，其经济效益是十分显著的。
另外我国大型硫磺制酸装置已不单单是生产硫酸的装置，现已成为企业的主要能源供应装置。
结合本工程的特点及当地的实际情况,选用硫磺为制酸原料。
4.4.2国内外工艺技术概况
目前世界硫酸生产技术基本上都是采用接触法工艺，硫酸工业的技术和装备水平已处在较高水准上。
我国自改革开放以来，随着几套大型硫酸装置的技术引进以及“八五”国家重大技术装备的科技攻关，使得我国的硫酸工业技术和装备水平都有了长足的发展，大型硫酸的国产化水平不断提高，与国际先进水平的差距不断缩小，主要表现在以下几个方面：
1、生产装置向大型化发展
在硫磺制酸方面，多套大型硫磺制酸装置以相继建成且平稳运行，具有较高的国产化率。
苏州精细化工集团有限公司300kt/a硫磺制酸装置已连续稳定运行多年。
随着山东红日化工集团公司年产400kt硫磺制酸装置、山东鲁西化工集团公司、重庆涪陵、湖北楚星化工股份有限公司等几套年产300kt硫磺装置和南化公司磷肥厂等几套200kt硫磺制酸装置的建成投产，标志我国的硫磺制酸已步入一个成熟可靠的大发展阶段。
2、提高总转化率、严格控制尾气中SO2排放
为了减轻尾气对环境污染的影响，国内外普遍采用的两转两吸制酸工艺，已将二氧化硫的转化率提高到99.7%以上，放空尾气中SO2含量降低到600mg/m3以下，采用含铯催化剂甚至还可以使二氧化硫的转化率提高到99.85%以上、放空尾气中的二氧化硫降低到300mg/m3以下。
国内已有多套硫磺制酸装置的总转化率达到99.8%以上的水平，如苏州精细化工集团公司的300kt/a硫磺制酸装置则达到了99.80%以上。
3、余热利用效率提高
随着能源价格的提高，企业越来越重视硫酸装置的热能利用效率，从而提高装置的经济效益。
我国硫磺制酸装置中硫磺焚烧及转化部分的高、中温位余热均已回收利用。
4、技术和装备水平不断提高
硫酸工业作为基础工业，加上它所处理介质的高温、强腐蚀性等特点，被科技界、工业界广泛关注。
国际上硫酸工业的技术和装备水平已处在较高水准上，我国近十年来硫酸工业的设计、技术和装备水平均有较大的提高，与国际水平的差距正在缩小。
就硫磺制酸来说，大型硫酸火管锅炉、大型不锈钢转换器、高效吸收塔相继投入运行，国产大型浓硫酸泵的性能基本达到国际先进水平，管式分酸器、带阳极保护的浓酸冷却器和浓酸管道已在国内广泛使用，自行设计的旋流网板支撑急扩加速流缩放管结构管壳式换热器已在多套大中型装置中使用，均已取得了降低系统压降、提高传热系数的满意效果，并使设备布置更为紧凑。
在催化剂应用方面与国外存在一定差距。
硫酸催化剂是转化率高低的关键因素,从铂系到铁系,最后发展到钒系，除转化率不断提高外，其耐砷、耐氟等抗毒物能力不断增强。
目前国外催化剂的研究比较活跃,不断有新产品推出,除原有型号外，还开发了含铯催化剂,转化率达99.7％～99.85％，排放尾气中二氧化硫含量减少36％～50％。
国内催化剂目前在装填量、总转化率和使用活性方面存在较大差距，两转两吸工艺转化率为99.6％。
4.4.3工艺技术方案的比较和选择
1、工艺技术选择原则
一要充分体现和代表本行业的先进性、可靠性；二要降低工程投资，减少环境污染。
2、工艺方案及选择理由
本硫磺制酸装置工艺技术方案，是在总结国内外大型硫磺制酸的技术基础上，结合国内外近年来的实际运行经验，在稳妥可靠的前提下进行改进和提高，技术装备立足国产化。
在认真研究国内外硫磺制酸装置在设计与运行中成功的经验和教训的基础上，多方面广泛采用新技术新材料，力争使本装置在技术上更稳妥、性能上更可靠、操作上更方便、投资更省。
采用液体硫磺加压机械雾化，空气焚硫，“3+1”两转两吸工艺。
设置废热锅炉，蒸汽过热器，以回收热能，产生450℃，3.82MPa的过热蒸汽，送至余热发电。
选择的工艺方案理由如下：
（1）熔硫与精硫工艺
采用带搅拌的快速熔硫工艺，与常规熔硫池工艺相比，具有效率高，设备体积小。
粗硫过滤采用加压过滤，与自然沉降过滤相比，过滤速度快、设备体积小、排渣操作方便。
液硫雾化器采用机械雾化工艺与空气雾化工艺相比，具有结构简单、喷嘴加工容易、不易堵塞、操作方便、工艺配管简单、动力消耗低。
（2）采用两转两吸转化吸收工艺
与一转一吸相比，不仅提高了硫的利用率，还降低了SO2的排放浓度，减少了环境污染。
3+2转化流程转化率虽易达到99.8%，但增加了一层触媒，工艺流程复杂，投资增加，阻力提高，动力消耗大。
采用“3+1”两次转化工艺与采用“3+2”两次转化工艺相比，转化率仍可达到99.8%以上，并且流程简单，阻力减少，有利于系统操作。
（3）余热回收工艺
在焚硫炉出口设火管锅炉，转化器一段出口设高温过热器，在转化器四段之后设置低温过热器及省煤器，在冷热换热器后加省煤器，用来回收液硫燃烧热和SO2生成SO3的反应热，产生3.82MPa、450℃的中压过热蒸汽，送余热发电，同时产生低压蒸汽供生产、生活使用。
3、引进技术和设备
国内硫酸工业技术水平虽然取得了很大进展，但硫磺制酸技术和主要设备由于起步较晚，较国外先进水平仍有差距，主要设备性能尚落后于国外，节能技术、污染控制技术，新材料、新设备的开发及催化剂的性能方面也与国外先进水平有一定的差距。
为了保证装置操作的稳定性及控制较低的SO2排放量，装置需要引进如下设备和催化剂：
A、精硫泵：
是硫磺制酸的关键设备，国内在设计和制造上还刚刚起步，质量不稳定。
B、钒催化剂：
国内同类产品在活性、强度、使用寿命上均较国外催化剂性能上有差距，为提高SO2转化率，保护环境，需引进。
4.5工艺流程
硫磺制酸装置工艺流程主要包括原料及熔硫工段、焚烧及转化工段、风机房、干吸工段、尾吸工段、成品工段，其工艺流程详见工艺流程图C2187SQ2-YG-01,各工段工艺流程简述如下：
1、原料及熔硫工段
固体硫磺由汽车运至硫磺仓库，采用人工上料方式，通过一大倾角胶带式输送机将硫磺输送至快速熔硫槽加料口处。
来自原料工段的固体散装硫磺由胶带输送机送入快速熔硫槽内熔化，经熔化后的熔融液硫自溢流口自流至助滤槽中，由助滤泵将带助滤剂预涂层的液硫泵至过滤器内过滤后流入液硫中间槽内，再由液硫输送泵输送到液硫储罐内，液硫从液硫储槽自流到精硫槽，经精硫泵送到焚硫转化工段的焚硫炉内燃烧。
快速熔硫槽、助滤槽、中间槽、液硫储槽、精硫槽内均设有蒸汽加热管，用蒸汽间接加热，使硫磺保持熔融状态。
助滤槽内设有助滤泵将助滤剂硅藻土预涂到液硫过滤器上。
2、焚硫及转化工段
液硫由精硫泵加压后经硫磺喷枪机械雾化进入焚硫炉，空气经干燥塔干燥并经空气鼓风机加压后与液硫一起燃烧，出焚硫炉的是含10%SO2、0.3%SO3、1015℃左右的高温炉气，该高温炉气首先进入废热锅炉回收热量，温度降至410℃进入转化器的第一段进行转化。
经反应后，温度升至605℃左右进入高温过热器回收热量，高温过热器冷却后的炉气进入转化器第二段催化剂床层进行催化反应，温度升高至约518℃后，进入热热换热器降温至430℃，进入转化器第三段催化剂层进行氧化反应，温度升高到约450℃后，进入冷热换热器及2#省煤器，温度降至约175℃，送至第一吸收塔吸收塔中气体中的SO3，未被吸收的气体经过塔顶的纤维除雾器除去其中的酸雾后，依次通过冷热换热器、热热换热器分别与转化器三段和二段出口的炉气进行逆流换热，气体被加热至425℃后进入转化器第四段进行氧化反应。
温度升至约439℃进入低温过热器换热，温度降至约350℃进入1#省煤器回收热能,炉气被降温至约155℃进入第二吸收塔，塔内用98%硫酸吸收炉气中SO3后，再经尾气回收装置吸收尾气中残余的SO2后，由尾气烟囱放空。
经过两次转化后，SO2转化率为99.8%。
3、干吸及成品工段
空气经干燥塔用浓度为98%的硫酸干燥后，由空气鼓风机送焚硫及转化工段。
经一次转化后的炉气送至一吸塔用98%硫酸喷淋吸收其中的SO3，吸收后的炉气经二次转化后送至二吸塔用98%硫酸吸收其中的SO3，吸收后的炉气经二吸塔顶部除沫器除去SO3酸雾和酸沫，经尾吸工段吸收其中的SO2及酸雾后由烟囱排放。
干燥塔和一、二吸收塔均设有循环酸系统。
出塔酸经各自的循环槽、酸泵、酸冷却器冷却后返回塔内喷淋。
为维持各循环槽的酸浓和液位，干燥酸（98%酸）与一吸酸（98%酸）相互串酸，二吸酸（98%）向一吸酸（98%酸）串酸，并在一吸、二吸酸循环槽中补加水。
上述过程是靠控制循环酸槽液位和循环酸浓度实现自动串酸、自动加水、自动产酸。
在生产过程中，根据循环酸槽液位分别从一吸或二吸循环酸槽中自动引出浓度为98%的成品酸经成品酸冷器冷却送入地下槽，成品酸经干吸地下槽泵将98%成品酸送电解锰或成品酸酸罐区。
4、尾吸工段
为保护自然环境减少污染，在二吸塔后设置尾气吸收装置，采用氨法吸收尾气中的SO2，确保尾气达标排放。
吸收产生的硫铵溶液回用于电解锰生产工艺。
4.6设计特点及节能环保措施
4.6.1原料及熔硫工段
1、采用带搅拌的快速熔硫工艺，具有效率高，设备体积小。
2、粗硫过滤采用加压过滤，过滤速度快、设备体积小、排渣操作方便。
3、采用机械雾化，具有结构简单、喷嘴加工容易、不易堵塞、操作方便。
4.6.2焚硫及转化工段
1、为确保总的转化率在99.8%，以尽量减少尾吸工段的处理能力，转化触媒选用进口触媒。
2、空气鼓风机是整个硫酸车间的核心设备，选用国内高质量风机，确保系统运行的可靠性，同时其根据具体工况专门设计选型，可达到最佳运行功率，达到节能的目的。
3、各换热器选用新型旋流网板支撑急扩加速流缩放管结构管壳式换热器，其特点是采用双面强化传热的缩放管，对管内外两侧气体均有促进界面湍流，强化对流传热，大大提高了换热器的总传热系数，节省了换热面积；并且流体阻力非常小，比常规换热器阻力降低20～30%以上，可在低阻力条件下获得高的传热效果，降低运行能耗、节约运行成本。
4.6.3干吸工段
干吸工段采用了目前国内先进高效干吸工艺技术，具有如下设计特点：
1、塔的操作气速大幅度提高，塔的填料层高度降低，干吸塔的喷淋密度增大，塔设备直径比传统流程的要小，节省了投资。
2、采用塔槽一体相配，塔底出酸由塔底部进入槽中，可利用塔底储存部分酸，这样可以使泵槽容量减小，同时可以降低设备配置高度。
干吸塔均采用地面配置，不设塔的支撑平台。
3、为减少对转化和后续设备的腐蚀，延长使用寿命以及保护大气环境，干燥塔采用金属丝网除沫器，吸收塔采用高效纤维除雾装置。
4、干吸塔分酸装置采用目前最先进的槽管式分酸器，分酸点高，达到42个/m2以上，分酸均匀，干燥和吸收效果好，使用寿命长。
4.7车间组成及配置
4.7.1车间组成
制酸车间由原料及熔硫工段、焚烧及转化工段、风机房、干吸工段、尾吸工段、成品工段组成。
风机房、干吸设操作室，整个车间设总控制室，各工段的数据经采集后送总控制室。
4.7.2车间配置
车间配置见图C2187SQ2-YG-02。
两套硫磺制酸装置成对称布置，余热发电房布置在两套装置中间，便于接管。
4.8分段工艺技术条件
分工段工艺技术条件见表4-1。
表4-1单套装置分工段工艺技术条件
参数点
烟气量
（Nm3/h）
烟气成分（v/v%）
烟气温度
℃
烟气压力
Pa
酸雾含量
mg/Nm3
SO2
SO3
O2
N2
H2O
CO2
NH3
干燥塔入口
52546.21
0
0
19.78
74.41
5.81
0
0
39
-500
SO2风机出口
49492.12
0
0
21
79
0
0
0
90.0
38000
焚硫炉出口
49417.99
10
0.3
10.582
79.118
0
0
0
1015
36000
一吸塔入口
47045.93
0.420
10.399
6.073
83.108
0
0
0
175.0
18000
尾吸出口
45238.60
0.0044
0.0004
6.108
86.428
7.45
0
0.0098
40.0
500
18.0
4.9主要设备选择
4.9.1设备选型原则
设备选型以可靠先进、节能、满足生产需要为原则，尽量采用新技术并节约投资。
根据本项目的特点,选用稳定性好、操作方便的国产设备为主。
4.9.2主要设备选型
本次设计焚硫炉采用钢制卧式圆筒内衬保温砖和耐火砖结构。
液体硫磺通过喷枪喷入炉内，进炉空气与雾化后的硫磺充分接触燃烧。
为强化硫磺和空气混合均匀，炉内设置多道挡墙。
为防止硫磺燃烧不完全，在挡墙之间设置了二次风，用于补充空气量及调节炉膛温度，促使燃烧完全，不致产生升华硫。
转化器壳体用不锈钢材质，每段壳体装催化剂部位衬硅酸铝纤维砖。
设备自上而下安装若干立柱、隔板和格栅，所有立柱和隔板采用耐热铸铁，格栅和桩柱采用碳钢渗铝。
每层隔板均焊成一个整体，保证各层气体不串流。
隔板上铺硅酸铝纤维砖，保证层间隔热。
塔类设备采用塔槽一体化设备,干吸塔循环槽位于塔的一侧，这样既节省了塔平台投资，又节省了制作安装费用，布置更加紧凑。
空气鼓风机采用离心风机，拟用国内产品。
干吸塔采用槽管式分酸装置，分酸点多，分酸均匀，不易堵塞腐蚀，寿命长。
干吸酸冷却器采用管壳式阳极保护酸冷器。
转化换热器采用新型旋流网板支撑急扩加速流缩放管结构。
4.9.3设备选择及工艺参数
经设计计算，单套装置主要设备选择结果及工艺参数见如下各表：
1、塔系设备计算选择结果及其工艺参数见表4-2；
2、泵类设备计算选择结果及其工艺参数见表4-3；
3、酸冷却器设备计算选择结果及其工艺参数见表4-4；
4、换热器设备计算选择结果及其工艺参数见表4-5；
5、空气鼓风机设备计算选择结果及其工艺参数见表4-6；
6、转化器设备计算选择结果及其工艺参数见表4-7。
表4-2单套装置塔系设备工艺参数表
序
号
工艺操作条件
单位
设备名称
干燥塔
一吸塔
二吸塔
尾吸塔
1
入口烟气量
Nm3/h
52546.21
47045.93
42069.44
41872.21
2
入口烟气温度
℃
39.0
175
155
60
3
出口烟气量
Nm3/h
49492.12
42163.33
41872.21
45238.60
4
出口烟气温度
℃
50.0
80.0
60
40
5
循环酸
98%H2SO4
98%H2SO4
98%H2SO4
循环母液
6
循环酸量
m3/h
276.46
276.46
276.46
226.71
7
循环液进口温度
℃
45.00
59.76
55.00
55.00
35
8
循环液出口温度
℃
96.15
62.86
35
9
操作速度
m/s
1.44
1.28
1.28
1.29
10
喷淋密度/液气比
m3/m2h
22.0
22.0
22.0
20
11
阻力损失
Pa
2500
4500
3500
1500
12
设备规格
m
φ4.00
φ4.00
φ4.00
φ3.80
13
设备主要材质
衬耐酸瓷砖
衬耐酸瓷砖
衬耐酸瓷砖
14
设备数量
台
1
1
1
15
备注
表4-3单套装置泵类设备工艺参数表
序
号
工艺
参数
单
位
设备名称
过滤泵
助滤泵
液硫输送泵
精硫泵
1
型式
立式泵
立式泵
立式泵
立式泵
2
介质成分
液硫
液硫
液硫
液硫
3
介质温度
℃
140
140
140
140
4
流量
m3/h
13.6
13.6
16
5
5
扬程
m
42
42
20
80
6
电机功率
kW
15
15
4
22
7
数量
台
2（1用1备）
2（1用1备）
2（1用1备）
2（1用1备）
序
号
工艺
参数
单
位
设备名称
干燥塔循环泵
一吸塔循环泵
二吸塔循环泵
地下槽泵
尾吸泵
1
型式
立式液下泵
立式液下泵
立式液下泵
立式液下泵
卧式泵
2
介质成分
98%H2SO4
98%H2SO4
98%H2SO4
98%H2SO4
循环母液
3
介质温度
℃
59.76
96.15
62.86
45
40
4
流量
m3/h
360
360
360
80
250
5
扬程
m
30
30
30
30
24
6
电机功率
kW
90
90
90
22
45
7
数量
台
1
1
1
3
2
8
备注
3用1备
2用1备
1用1备
表4-4单套装置酸冷却器设备工艺参数表
序号
工艺参数
设备名称
干燥塔酸冷器
一吸塔酸冷器
二吸塔酸冷器
成品酸冷却器
1
型式
板式
板式
板式
板式
2
介质
壳程（热）
98%H2SO4
98%H2SO4
98%H2SO4
98%H2SO4
管程（冷）
循环水
循环水
循环水
循环水
3
酸侧流量（m3/h）
276.46
276.46
276.46
22.68
4
酸温
进口（℃）
59.76
96.15
62.86
96.15
出口（℃）
45.00
55.00
55.00
45
5
水侧流量（m3/h）
363.4
994.4
184.6
81.6
6
水温
进口（℃）
30.00
30.00
30.00
30.00
出口（℃）
38.00
38.00
38.00
38.00
7
总传热系数（W/m2K）
750
850
750
750
8
总换热面积（m2）
221.62
261.08
84.42
18.89
9
设备主要材质
10
数量（台）
1
1
1
1
11
备注
表4-5单套装置转化换热器设备工艺参数表
序号
工艺参数
设备名称
热热换热器
冷热换热器
1
型式
旋流网板支撑急扩加速流缩放管结构管壳式
2
介质
壳程
含SO2烟气
含SO2烟气
管程
含SO2、SO3烟气
含SO2、SO3烟气
3
壳程流量（Nm3/h）
42163.33
42163.33
4
壳程温度
进口（℃）
321.5
76
出口（℃）
429
322.5
5
管程流量（Nm3/h）
47218.89
47045.93
6
管程温度
进口（℃）
514.6
447.0
出口（℃）
432
259.0
7
总换热量（kJ/h）
6260365.0
13838947.6
8
总传热系数（W/m2K）
29
28
9
换热面积（m2）
614.7
451.9/台
10
数量（台）
1
2
11
设备主要材质
20g
20g
12
备注
表4-6单套装置空气鼓风机工艺参考表
序号
工艺操作条件
单位
参数值
1
进口空气量
m3/h（标）
49492.12
2
进口空气温度
℃
～50
3
出口空气温度
℃
65～100
4
进口空气含水量
g/m3
<0.1
5
进口空气含尘量
g/m3
<0.005
6
进口空气SO2含量
%
0.015
7
吸入压力
Pa
～-6500
8
出口压力
Pa
38000
9
风机选型
Q=1000m3/min,H=42kPa,N=～1000kW,10kV
表4-7单套装置转化器工艺参数表
序号
工艺参数
单位
各段触媒参数
一段
二段
三段
四段
1
规格
mm
Φ6800
2
设计气速
m/s（标）
0.38
3
设计触媒填充系数
L/td
158
4
触媒填充量
m3
86.2
续表4-7单套装置转化器工艺参数表
序号
工艺参数
单位
各段触媒参数
一段
二段
三段
四段
5
入口烟气量
Nm3/h
49417.99
47722.95
47218.89
42163.33
6
烟气入口温度
℃
410.0
460.0
430.0
425.0
7
烟气出口温度
℃
604.9
517.6
450.0
438.9
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