一、 概述
我國(guó)硫鐵礦資源較豐富，國(guó)內(nèi)的硫酸企業(yè)50%以上采用礦石制酸工藝。但隨著社會(huì)對(duì)環(huán)境質(zhì)量要求的不斷提高，人們的環(huán)保意識(shí)越來越強(qiáng)，礦石制酸工藝存在的對(duì)環(huán)境污染大的問題越來越突出，對(duì)硫磺制酸和礦石制酸兩種硫酸生產(chǎn)工藝進(jìn)行分析研究，應(yīng)選擇更為清潔的生產(chǎn)工藝——硫磺制酸，為順應(yīng)時(shí)代要求，行業(yè)重點(diǎn)研究與設(shè)計(jì)了硫磺制酸的工藝流程，其包括原料的預(yù)處理，二氧化硫的催化氧化，三氧化硫的吸收及尾氣與熱量的回收與利用。以下裝置控制為例。
裝置范圍：硫酸裝置界區(qū)包括，熔硫工序、焚硫轉(zhuǎn)化工序、干吸工序、余熱鍋爐工序，此外還包括配電室、循環(huán)水站和化驗(yàn)室等配套的輔助設(shè)施。
產(chǎn)品方案、裝置設(shè)計(jì)能力：杭州優(yōu)穩(wěn)UW500集散控制系統(tǒng)在自動(dòng)化領(lǐng)域已有廣泛應(yīng)用，利用UW500集散控制系統(tǒng)對(duì)硫磺制酸進(jìn)行監(jiān)控，能大幅度提高控制精度。
二、 工藝介紹
經(jīng)汽車運(yùn)來的固體硫磺通過人工卸車，貯存至硫磺袋堆庫(kù)；固磺再通過人工轉(zhuǎn)運(yùn)、拆袋由皮帶輸送機(jī)送至快速熔硫槽內(nèi)，采用蒸汽間接加熱熔化成液硫，經(jīng)液硫過濾機(jī)除去雜質(zhì)后，送至焚硫爐燃燒，制取SO2氣體或通過精硫泵直接送至精硫貯槽內(nèi)備用。
液硫通過精硫泵加壓，分別經(jīng)兩支磺槍機(jī)械霧化后噴入焚硫爐內(nèi)，與干燥空氣混合燃燒生成SO2煙氣。高溫?zé)煔膺M(jìn)入余熱鍋爐降溫后，進(jìn)入轉(zhuǎn)化器第一段觸媒層進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)，之后進(jìn)入高溫過熱器進(jìn)行降溫，降溫后的反應(yīng)氣體進(jìn)入轉(zhuǎn)化器第二段觸媒層進(jìn)行再次轉(zhuǎn)化反應(yīng)，溫度升高后進(jìn)入熱熱換熱器進(jìn)行降溫，再進(jìn)入到轉(zhuǎn)化器第三段觸媒層繼續(xù)進(jìn)行氧化反應(yīng)。反應(yīng)后依次進(jìn)入冷熱換熱器A/B和三段省煤器進(jìn)行降溫，降溫后的一次氣進(jìn)入第一吸收塔吸收SO3，未被吸收的SO2氣體經(jīng)冷熱換熱器B/A、熱換熱器換熱后進(jìn)入轉(zhuǎn)化器第四段觸媒層進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)，再進(jìn)五段反應(yīng)后的二次轉(zhuǎn)化氣進(jìn)入低溫過熱器和五段省煤器降溫后進(jìn)入第二吸收塔吸收SO3。余氣通過復(fù)擋除沫器進(jìn)入煙囪放空。
干吸循環(huán)酸槽內(nèi)的開車母酸由干吸酸循環(huán)泵經(jīng)干燥酸冷卻器冷卻后從干燥塔塔頂分酸器進(jìn)塔噴淋，與空氣風(fēng)機(jī)送來的濕空氣在塔內(nèi)進(jìn)行逆流洗滌，干燥后的空氣經(jīng)塔頂除霧器除去酸霧后送入焚硫轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，循環(huán)酸從塔底進(jìn)入干吸循環(huán)酸槽。
轉(zhuǎn)化器三段出來的一次氣體經(jīng)換熱器冷卻后進(jìn)入一吸塔與干吸循環(huán)酸槽內(nèi)一吸泵打入一吸酸冷卻器冷卻后的酸從塔頂分酸器噴啉逆向吸收SO3 氣體，未被吸收的 SO2 及少量 SO3 經(jīng)塔頂除霧器除去酸霧后進(jìn)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)進(jìn)行二次轉(zhuǎn)化。
轉(zhuǎn)化器五段出來的二次轉(zhuǎn)化氣經(jīng)低溫過熱器和五段省煤器降溫后進(jìn)入二吸塔與干吸循環(huán)酸槽內(nèi)二吸循環(huán)酸泵打入塔內(nèi)的濃酸從塔頂分酸器噴淋逆向吸收SO 3 ，尾氣經(jīng)塔頂除霧器除去酸霧后，由煙囪放空。循環(huán)酸從塔底進(jìn)入干吸循環(huán)酸槽，槽內(nèi)靠加入工藝水調(diào)節(jié)酸濃，各塔回酸在干吸循環(huán)酸槽內(nèi)自動(dòng)混酸。成品酸由干吸酸循環(huán)泵打入成品酸冷卻器降溫至 40 ℃以下時(shí)流至卸酸地槽，再通過卸酸泵送往貯罐。
從化水站來的脫鹽水，本裝置熔硫工序、凝結(jié)水，分別由離心加壓水泵、凝結(jié)水泵送入除氧器，經(jīng)蒸汽加熱除氧后，由鍋爐給水泵依次將除氧水送至五段省煤器、三段省煤器吸收一、二次轉(zhuǎn)化氣的中溫余熱后進(jìn)入余熱鍋爐。爐水與焚硫爐出口高溫爐氣換熱后產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入低溫過熱器與四段出來的轉(zhuǎn)化氣換熱，然后進(jìn)入高溫過熱器與一段出來的轉(zhuǎn)化氣再次換熱。達(dá)到指標(biāo)要求的過熱蒸汽送至汽輪發(fā)電機(jī)機(jī)，多余部分送車間利用。
●原料工段
固體硫磺由火車運(yùn)至硫磺倉(cāng)庫(kù)，采用人工上料方式，通過一大傾角膠帶式輸送機(jī)將硫磺輸送至快速熔硫槽加料口處。
●熔硫工段
來自原料工段的固體散裝硫磺由膠帶輸送機(jī)送入快速熔硫槽內(nèi)熔化，經(jīng)熔化后的熔融液硫自溢流口自流至過濾槽中，由過濾泵送入帶助濾劑預(yù)涂層的液硫過濾器內(nèi)過濾后流入液硫中間槽內(nèi)，再由液硫輸送泵輸送到液硫貯罐內(nèi)，液硫由液硫貯罐經(jīng)精硫泵（屏蔽泵）送到焚硫轉(zhuǎn)化工段的焚硫爐內(nèi)燃燒。快速熔硫槽、助濾槽、液硫貯罐、精硫槽等內(nèi)均設(shè)有蒸汽加熱管，用0.5～0.6MPa蒸汽間接加熱，使硫磺保持熔融狀態(tài)。助濾槽內(nèi)設(shè)有助濾泵將助濾劑硅藻土預(yù)涂到液硫過濾器上。
●焚硫及轉(zhuǎn)化工段
液硫由精硫泵加壓經(jīng)磺槍機(jī)械霧化而噴入焚硫爐焚燒，硫磺燃燒所需的空氣經(jīng)空氣過濾器過濾后，再經(jīng)空氣鼓風(fēng)機(jī)加壓、干燥塔干燥后送入焚硫爐。
●干吸及成品工段
空氣鼓風(fēng)機(jī)設(shè)在干燥塔上游，即硫磺焚燒及轉(zhuǎn)化所需空氣經(jīng)過濾器過濾、鼓風(fēng)機(jī)加壓后進(jìn)入干燥塔塔底，用98％硫酸吸收掉空氣中的水分使出塔干燥空氣中水分0.1g/Nm3，經(jīng)塔頂除霧器除去酸霧后的干燥空氣進(jìn)入焚硫爐。從干燥塔出來的濃度約97.8%的硫酸流入干吸塔循環(huán)槽中，與來自第一吸收塔的吸收酸混合后，經(jīng)干燥塔酸循環(huán)泵加壓后送入干燥塔酸冷卻器中，經(jīng)冷卻至約70℃后送到塔頂進(jìn)行噴淋。
由轉(zhuǎn)化器第三段出口的氣體經(jīng)冷熱換熱器和省煤器II回收熱量、溫度降為172℃后一部分進(jìn)入第一吸收塔塔底，塔頂用來溫度75℃、濃度為98.0％的硫酸噴淋，吸收氣體中SO3 后的酸自塔底流出進(jìn)入干吸塔循環(huán)槽中，與來自干燥塔的干燥酸進(jìn)行混合并用工藝水調(diào)節(jié)循環(huán)酸濃度至98％后，再由一吸塔酸循環(huán)泵依次送入一吸塔酸冷卻器冷卻后，送至一吸塔塔頂進(jìn)行噴淋。另一部分一次轉(zhuǎn)化氣進(jìn)入煙酸塔。塔內(nèi)用104.5％發(fā)煙硫酸進(jìn)行噴淋，吸收轉(zhuǎn)化器中的SO3后，由塔底流入發(fā)煙酸循環(huán)槽，通過來自一吸塔酸冷卻器出口的98%硫酸調(diào)節(jié)濃度為104.5％，然后經(jīng)煙酸塔循環(huán)泵送入煙酸塔酸冷卻器，冷卻后的發(fā)煙酸一部分作為產(chǎn)品送至成品工段，另一部分送入煙酸塔塔頂進(jìn)行噴淋。吸收后的爐氣與另一部分氣體混合后再進(jìn)入第一吸收塔。
由轉(zhuǎn)化器四段出來的二次轉(zhuǎn)化氣經(jīng)低溫過熱器/省煤器換熱降溫后進(jìn)入第二吸收塔塔底。該塔用溫度為75℃，濃度為98％的硫酸噴淋，吸收SO3后的硫酸自塔底流入吸收塔循環(huán)槽。而后經(jīng)二吸塔酸循環(huán)泵加壓，并經(jīng)二吸塔酸冷卻器冷卻后進(jìn)入第二吸收塔噴淋。
98%成品硫酸由干燥酸循環(huán)泵出口引出，再經(jīng)成品酸冷卻器冷卻至40℃后進(jìn)入成品酸貯罐。
三、 控制策略
隨著硫磺制酸工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，其生產(chǎn)設(shè)備和規(guī)模不斷擴(kuò)大，生產(chǎn)過程的強(qiáng)化，對(duì)自動(dòng)控制技術(shù)的要求越來越迫切，對(duì)生化過程實(shí)行優(yōu)化控制，可穩(wěn)定生產(chǎn)，提高得率，降低消耗，增加效益。
● 空氣風(fēng)機(jī)的升壓
盡管硫酸裝置的產(chǎn)品是液體，但在工藝過程中主要處理的是氣體，且其中80%左右為不參與反應(yīng)的氮?dú)?。增大空氣風(fēng)機(jī)的升壓，即增加系統(tǒng)的氣體阻力，就可以提高氣體操作速度，從而提高設(shè)備的生產(chǎn)強(qiáng)度、增大氣體換熱設(shè)備的傳熱系數(shù)，結(jié)果是使裝置設(shè)備管道規(guī)格減少，裝置投資下降。
系統(tǒng)壓降最優(yōu)化問題，在國(guó)外一直是相關(guān)裝置投資效益的主要因素之一。隨著裝置規(guī)模的增大，選取的風(fēng)機(jī)升壓也越來越高。對(duì)同一規(guī)模的裝置，選取的風(fēng)機(jī)升壓也在不斷提高。特別對(duì)用蒸汽透平驅(qū)動(dòng)空氣風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)升壓的汽耗在系統(tǒng)中又將壓力損失轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w升溫，這其中多數(shù)又經(jīng)換熱器、省煤器回收后變?yōu)檎羝?，基本?shí)現(xiàn)了蒸汽循環(huán)。
● 轉(zhuǎn)化流程
轉(zhuǎn)化流程的選擇，主要根據(jù)所采用的催化劑、進(jìn)轉(zhuǎn)化器的SO2濃度及所要求的總轉(zhuǎn)化率。根據(jù)國(guó)家新的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)及發(fā)展要求，新建硫酸裝置的總轉(zhuǎn)化率要達(dá)到99.8%以上。
隨著硫磺制酸裝置規(guī)模的增大，所選取的二氧化硫濃度也在不斷增加。從副產(chǎn)蒸汽回收、設(shè)備規(guī)格等綜合考慮，60萬噸/年規(guī)模所選取的二氧化硫濃度在10～12%， 若考慮采用不含銫催化劑，二氧化硫濃度可選擇10.5%左右。
采用“3+1”四段轉(zhuǎn)化可以達(dá)到99.8%以上的總轉(zhuǎn)化率，若采用“3+2”五段轉(zhuǎn)化將能達(dá)到99.8%以上及更高的總轉(zhuǎn)化率，但3+2”五段轉(zhuǎn)化增加了第四段出口換熱器、并增加了一段轉(zhuǎn)化器的設(shè)備投資，但催化劑的裝填量會(huì)略低于“3+1”四段轉(zhuǎn)化流程。
焚硫轉(zhuǎn)化工段
● 低溫位廢熱回收利用
低溫位廢熱回收技術(shù)在國(guó)際上開發(fā)應(yīng)用十多年，美國(guó)孟山都、德國(guó)魯奇、加拿大Chemetics都開發(fā)成功該項(xiàng)技術(shù)。其原理是通過提高吸收循環(huán)酸溫度，用循環(huán)酸吸收SO3后的反應(yīng)熱來產(chǎn)生低壓蒸汽。循環(huán)酸溫度提高后，酸的腐蝕性加劇，則必須相應(yīng)提高循環(huán)酸濃度及開發(fā)更優(yōu)秀的耐腐蝕材料，孟山都、魯奇、Chemetics均研制成功各自的專利材料。孟山都HRS技術(shù)已有16個(gè)裝置的業(yè)績(jī)，運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)已超過11年。
對(duì)于年產(chǎn)60萬噸硫磺制酸的規(guī)模來說，采用低溫廢熱回收技術(shù)回收吸收酸中的低溫位廢熱產(chǎn)生低壓蒸汽，已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際上的經(jīng)濟(jì)規(guī)模的裝置能力。采用低溫廢熱回收，可增產(chǎn)低壓蒸汽37.5t/h，并相應(yīng)減少了干吸部分所需循環(huán)冷卻水的70％左右，從而相應(yīng)減少循環(huán)水站的投資、運(yùn)行費(fèi)用及占地規(guī)模。
我國(guó)吸收酸中的低溫位熱量的回收利用也已起步，用于加熱鍋爐給水、采暖以及加熱工業(yè)用水和生活用水。如果不采用進(jìn)口的低溫廢熱回收技術(shù)，可采用第一吸收塔下塔酸的熱量加熱進(jìn)除氧器的脫鹽水。
● 干吸流程的選擇
硫磺制酸與礦制酸和冶煉氣不同，干燥的是空氣而不是含二氧化硫氣體，不存在二氧化硫在干燥酸中溶解在吸收酸中解吸的情況，因此可以干吸酸同槽、用98％酸干燥。
硫磺制酸用98％酸干燥比用93％酸干燥有許多優(yōu)點(diǎn)：98％酸的水蒸汽分壓低，干燥速率快；98％酸干燥不需串酸，配管及控制簡(jiǎn)單；98％酸干燥可以提高干燥塔進(jìn)塔酸溫，減少循環(huán)水用量，提高蒸汽產(chǎn)量；98％酸的腐蝕性比93％酸小得多。
干吸工序陽(yáng)極保護(hù)不銹鋼濃硫酸冷卻器、管道控制分析，陽(yáng)極保護(hù)技術(shù)是60年代建立起來的新興材料保護(hù)技術(shù)，UW500在與南漳龍蟒磷化工生產(chǎn)線中實(shí)例。
當(dāng)某種金屬浸入電解質(zhì)溶液時(shí)，金屬表面與溶液之間就會(huì)建立起一個(gè)電位，腐蝕電化學(xué)中把這個(gè)電位稱為自然腐蝕電位。不同的金屬在一定的溶液中的電位是不一樣的，而同一種金屬由于其各部位間存在著電化學(xué)不均一性而造成不同部位間產(chǎn)生一定的電位差值，正是這種電位差值導(dǎo)致了金屬在電解質(zhì)溶液中的電化學(xué)腐蝕。
干吸工段
四、控制工程
UW500集散控制系統(tǒng)在硫磺制酸已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。在與國(guó)內(nèi)最大的磷化工生產(chǎn)廠家龍蟒集團(tuán)合作多條硫磺制酸生產(chǎn)線，并且取得很好的口碑，優(yōu)秀的雙重化冗余設(shè)計(jì)，使控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。
