硫磺制酸装置_3_1_与_3_2_两种转化工艺分析

1、硫磺制酸装置“3+1”与“3+2”两种转化工艺分析杜翔(南化集团设计院,江苏南京210048摘要:针对新的国家环保标准要求,硫酸装置排放的尾气中SO 2浓度应低于960mg/m 3。分析了常用的“3+1”和“3+2”两种转化工艺的特点,结合硫磺制酸工艺指出:在采用现一种催化剂的情况下,“3+2”转化工艺原料气的(SO 2比“3+1”的更高时,仍可获得同样高的最终转化率;在原料气中(SO 2相同的条件下,“3+2”转化工艺对达到要求的最终转化率会更有保障。并建议:采用国产催化剂时宜选用“3+2”五段转化;采用进口催化剂时可选用“3+1”四段转化。关键词:硫酸生产+硫磺;工艺;转化十二氧化硫;分析

2、中图分类号:TQ 111116文献标识码:B 文章编号:1009-1904(200205-0034-041概述自20世纪60年代以来,硫酸生产中SO 2转化工艺最大的技术进步是采用了两次转化、两次吸收工艺,简称两转两吸。该工艺流程中,含SO 2的炉气通过前几段催化剂床层转化为SO 3后,送去第一次吸收,吸收掉SO 3后的气体再送到其余的催化剂床怪,使尚未转化的SO 2转化为SO 3,然后送去第二次吸收。与传统的一转一吸工艺相比,两转两吸工艺具有以下特点:最终转化率高;能够处理(SO 2较高的炉气;可减少尾气中SO 2的排放量;所需的换热面积较大;系统阻力比一转一吸工艺增加45kPa 。现将两次

3、转化与一次转化工艺的主要技术经济指标列于表1。初始时,这项新技术仅着眼于充分利用硫资源和减少尾气中的SO 2排放量,保护环境,此后在世界各国迅速得到了推广,近30年新建的硫酸装置几乎都采用两转两吸工艺。该工艺的关键是保持转化工序的热量平衡,使转化反应维持在某一理想的温度下进行。由于含SO 2的原料气来源多种多样,为使最终转化率能尽量提高,两转两吸工艺出现了多种流程。例如:在第一吸收塔之前原料气进行转化的催化剂层的段数为3,其后的段数为2,则可表示为“3+2”五段转化;此外还有“3+1”四段转化,“2+2”四段转化,“2+1”三段转化等。目前国内硫磺制酸装置大多采用“3+1”四段转化和“3+2”

4、五段转化,本文着重对硫磺制酸装置中这两种转化工艺进表1两种转化工艺的主要技术经济指标指标名称转化工艺两次转化一次转化最终转化率/199.7%99.8%96.5%97.5%催化剂用量/L t -1d -1硫磺制酸170190190210硫铁矿制酸200210220250炉气中(SO 2/1硫磺制酸10.0%10.5%9.0%9.5%硫铁矿制酸8.5%9.0%8.0%8.5%鼓风机出口压力/kPa 25402030尾气中(SO 2/cm 3m -320030035004500装置建设投资/1注:表内所列的催化剂用量系采用进口催化剂的数据;装置建设投资以一次转化工艺为基准。行分析。2“3+1”与“3

5、+2”转化工艺的主要区别在同等规模、最终转化率相等的硫磺制酸装置中,采用这两种转化工艺在设计时主要有以下不同。211催化剂装填量不同SO 2氧化为SO 3的化学反应是可逆的放热反应,高温下的平衡转化率低,低温下的平衡转化率高。由于反应活化能高,这个反应在常温下进行得极慢。工业生产上为加快其反应速度,必须采用催化剂,使该反应能在不太高的温度下进行得足够快。对一定组分的原料气在某一催化剂中反应,为达到一定的SO 2转化率,其反应速率有一个极大43硫磷设计与粉体工程S P &BMH RELA TED EN GIN EERIN G2002年第5期值,与此对应的反应温度称为最佳反应温度。随着反应

6、的继续,转化率不断提高,最佳反应温度则逐渐下降。因此,为使转化反应能以最快的速率进行,就应在反应过程中随着转化率的升高,须采取相应的降温措施,不断降低反应温度。降温的方法有两种,一种是利用热交换器让冷、热气体在两段催化剂床层之间进行换热(俗称中间换热式,另一种是在两段催化剂床层间直接搀入冷气体(俗称冷激式。转化反应的速度决定了含SO 2炉气在转化反应时需要的接触时间,由此也就决定了催化剂的用量。如果转化反应的段数分得越多,其反应温度就越接近最佳温度,催化剂用量在理论上就会越少。但是分段多了使设备增多,流程变复杂。根据新的国家环保标准及发展要求,新建的硫酸装置允许其尾气排放的SO 2浓度最高为9

7、60mg/m 3(标准状况,相应要求SO 2总转化率应达到99.75%以上。硫磺制酸装置在原料气(炉气中(SO 2为9%11%的条件下,使用进口的普通钒催化剂,采用“3+1”四段转化工艺,其最终转化率可达到99.8%或更高。采用“3+2”五段转化工艺,四段出口的转化气经换热降温后进入五段进行转化,从平衡转化率的角度考虑,有利于平衡转化率的提高。一些硫磺制酸装置(如山东红日、昆阳磷肥厂等在“3+2”转化工艺中采用了国产的催化剂,它们的最终转化率也达到了上述指标。但就催化剂装填量而言,同一种催化剂在同等装置规模、最终转化率相等的条件下,采用“3+1”四段转化其装填量略高于“3+2”五段转化。212

8、工艺流程不同显而易见,采用“3+2”五段转化,为控制转化器五段的进口转化气温度,需要增加四段出口转化气的换热设备,或者采用冷激式转化流程(通常采用冷激式的。冷激式转化流程按所用的冷激气分为SO 2气和空气两种。SO 2冷激气转化流程是往转化反应后的热转化气中补充一定量的冷SO 2气(冷的原料气,使转化气的温度降低。该流程与外部换热的转化流程相比,催化剂的用量要增加,且冷激气补入的位置(催化剂层的段数越往后,催化剂的增加量越多。它的优点是不必为此增设换热器。空气冷激是在转化器五段催化剂床层的进口转化气中补加干燥空气,它不但降低了该转化气的温度,还为其补充了氧量,对提高最终转化率非常有利。空气冷激

9、也不必为其增加换热器,但由于冷空气的加入,系统的气量增大,空气鼓风机的负荷须增大。目前,国内外硫磺制酸装置大多在转化器的四段出口设置中温蒸汽过热器,用中压过热蒸汽与四段出口的转化气进行换热,既降低了进五段的转化气温度,又充分利用了转化气的余热。常用的“3+2”与“3+1”转化工艺流程见图1和图2示意 。图1“3+2” 五段转化工艺流程示意图1“3+2”四段转化工艺流程示意532002年第5期杜翔1硫磺制酸装置“3+1”与“3+2”两种转化工艺分析3“3+1”与“3+2”转化工艺主要技术经济分析从主要技术经济指标考虑,“3+1”与“3+2”两种转化工艺间不存在大的差异,在相同的基本条件下两者的操

10、作费用相差也不大,仅在催化剂装填量和工艺流程上有一些小的差异。现以1000t/d (100%H 2SO 4计的硫磺制酸装置分别采用“3+1”、“3+2”转化工艺,且原料气的(SO 2和最终转化率均相同为例,两者的主要技术经济分析列于表2。表2硫磺制酸两种转化工艺主要技术经济分析项目名称1000t/d 硫磺制酸转化工艺“3+1”“3+2”催化剂装填量/m 3227203增加换热器及管道阻力/Pa 687催化剂投资增加62万元不锈钢转化器投资增加60万元换热器及管道投资增加10万元总投资增加8万元电耗增加引起操作费增加注:按进口普通钒催化剂考虑装填量;电价按0.3元/(千瓦时,气体阻力增加约需增加

11、功率34kW ;进口催化剂的平均使用寿命按7年计;不锈钢转化器投资按我院最近设计的两套大型硫磺制酸装置的中标价估算,其中一套已投资。由表2可见,在同一规模、相同的原料气、相同的催化剂,且最终转化率相同的条件下,以不锈钢转化器为例,硫磺制酸装置采用“3+1”四段转化与采用“3+2”五段转化的总投资相差不大,两者的操作费用相差也不大。4两种转化工艺在国内硫磺制酸中的应用“3+1”四段转化和“3+2”五段转化,这两种转化工艺在国内的硫磺制酸装置中目前都得到了应用。采用“3+1”的典型装置是苏州精细化工集团股份有限公司的300kt/a 硫磺制酸装置,已连续运行两年多,年开车率高于99%,最终转化率达9

12、9.8%,日产量超过1000t (100%H 2SO 4计,排放的尾气中SO 2浓度低于730mg/m 3、酸雾含量小于25mg/m 3(标准状况;涪陵化工股份有限公司的300kt/a 硫磺制酸装置也已投入正常运行,中石化南京化学工业有限公司磷肥厂的200kt/a 硫铁矿制酸装置已改造为250kt/a 硫磺制酸,2000年底投入运行,最终转化率达99.75%。采用“3+2”的昆阳磷肥厂由40kt/a 硫铁矿制酸装置改造为120kt/a 的硫磺制酸装置,已投产三年,运行平稳,最终转化率达99.76%;山东红日化工股份有限公司400kt/a 硫磺制酸装置亦已平稳运行两年余。由上可见,“3+1”与“

13、3+2”这两种转化工艺在国内的硫磺制酸装置中同时并存,说明它们各有所长。笔者认为,采用何种催化剂是选用哪一种转化工艺的重要影响因素。从国内硫酸装置中积累的催化剂装填量的经验数据可知,国产催化剂的装填量一般为280300L/(t d ,进口催化剂的装填量一般为200L/(t d 。说明国产催化剂的质量与进口的对比尚存在一些差距,主要反映在催化剂的活性和机械强度上。国产催化剂的耐热温度一般为600,进口催化剂则可达到620。国产催化剂的机械强度不够,使用过程中容易粉化,导致催化剂层阻力增大。由于这些原因,上述提供的国产催化剂的装填量数据已考虑了必要的富裕。某360t/d (98%H 2SO 4计硫

14、磺制酸装置采用“3+2”五段转化,装填国产环型钒催化剂,实际的催化剂装填量未考虑富裕度,为256L/(t d ,也取得了较好的效果。说明国内的钒催化剂生产厂已在努力提高产品质量和稳定性,相信在不久的将来国产的钒催化剂质量能赶上国际先进水平。关于钒催化剂的价格,国产的一般为1.3万元(人民币/米3,进口的折人民币约为2.65万元/米3,若加上关税将接近3万元/米3,是国产钒催化剂价格的二倍多。上述360t/d 硫磺制酸装置曾对钒催化剂的选用作了投资比较(见表3。由表3可见,就一次性投资而言,选用国产催化剂是具有一定价格优势的。表3国产钒催化剂的价格优势项目名称SO 2转化用钒催化剂国产进口催化剂

15、单位(人民币计/元米-31300029000催化剂装填量/m 39272催化剂一次投资(人民币计/元119600020880005结束语1、根据新的国家环保标准规定,硫酸装置排放的尾气中SO 2浓度必须低于960mg/m 3(标准状况,为此要求装置的最终转化率应达到99.75%以上。采用“3+1”或“3+2”转化工艺,都可使装置排放的尾气中SO 2浓度符合新标准规定的指标。2、转化流程的选择除要考虑环境保护外,主要63硫磷设计与粉体工程S P &BMH RELA TED EN GIN EERIN G2002年第5期带搅拌的熔硫槽传热计算探析徐文芹(南化集团设计院,江苏南京210048摘

16、要:带搅拌的熔硫槽其总传热系数K值以往多按经验数据选取,不能反映设备放大以及设备结构与传热之间的关系。结合工程数据推荐了N u数的计算式,由此得出的K值与实际的熔硫能力基本吻合,并指出了影响熔硫能力的其他主要因素。关键词:熔硫槽+搅拌器;传热计算;影响;分析中图分类号:TQ11111:TQ02113文献标识码:B文章编号:1009-1904(200205-0037-031概述在以硫磺为原料的硫酸装置中,基于原料来源、运输和贮存等原因,许多厂家选择固体硫磺为原料。早期的硫磺制酸装置规模较小,多采用不带搅拌的蒸汽间接加热使固体硫磺熔化,也有采用带搅拌的小型熔硫槽。采用带搅拌的熔硫槽投资少、操作和维

17、修人员少、生产率高,已得到推广、应用。在放大设计时,对总传热系数K值,许多设计者按经验数据选取,无法反映设备放大以及设备结构与传热之间的关系。随着硫磺制酸装置向大型化发展,带搅拌的大型熔硫槽的传热计算及设备设计就成为一个新课题。热量传递一般以辐射、传导、对流或三者相结合的形式进行。带搅拌的熔硫槽的热量传递方式主要是传导和强制对流,传热速率取决于被搅拌的液体硫磺和加热源介质的物理性质,以及设备的几何形状和搅拌强度等因素。由于没有进行模拟试验的条件,设计时我们按搅拌传热计算确定合适的设备参数,并得出与实践比较符合的总传热系数。下面以实例对熔硫槽的搅拌传热计算进行探析。2熔硫槽的搅拌传热计算211主

18、要参数某熔硫槽直径3.8m,换热面积56.7m2,双层4平直叶桨式搅拌器,桨叶直径1.2m、宽0.25m,搅拌器转速63r/min,见图1。该槽设计的熔硫能力为6000kg/h以(H2O=1%计,实际运行中的熔硫能力达7500 kg/h以(H2O=1%计。槽内加热用蛇管共8组,按周向均布排列,每一组加热管的长度L=35m ,图1某熔硫槽结构示意取决于所用的钒催化剂和进转化器炉气中(SO2的高低。与“3+1”四段转化相比,“3+2”五段转化工艺可在较高(SO2的原料气下获得同样高的最终转化率;在原料气中(SO2相同的条件下,“3+ 2”流程对达到要求的最终转化率更有保障。3、在当前的条件下,如果

19、采用进口催化剂,建议选用“3+1”四段转化;若采用国产催化剂,建议选用“3+2”五段转化。作者简介:杜翔(1973-,男,江苏南京人,助理工程师,学士,从事硫酸工艺设计和建设工作。(收稿日期:2002-05-10732002年第5期硫磷设计与粉体工程S P&BMH RELA TED EN GIN EERIN Gw hich shows t hat t he de nse p hase p ulse fluid conveying ca n be adop ted f or long 2dista nce p neumatic conveying a nd corre 2sp ondin

20、gly ca n be applied f or more ra nge.Key words :p neumatic conveying +de nse p hase +p ulse fluid ;long 2dista nce ;fluidizing ;air 2adding p ropellingThe Treat ment a nd Anal ysis f or Hole Forming in t he Cooling B undles of t he Fluidized Bed Roaster inS ulf uric Acid Pla ntHU Xia ng 2t a ng (Che

21、 mical Fact ory of Yunf u Pyrite Enterp rise Group Comp a ny ,Yunf u 527343,China Abstract :Hole f or ming in t he cooling bundles of t he fluidized bed roaster in sulf uric acid pla nt is very har mf ul.It int ro 2duces t he e merge ncy t reat me nt met hod.Af ter t he a nalysis t o t he bundles ,i

22、t t hinks t hat t he hole f or ming is caused by stea m erosion or water imp act.The asymmet ric arra nge me nt of t he cooling bundles is t he main cause f or hole f or ming.Af ter cha nging int o symmet ric arra nge me nt ,t he hole f or ming p roble m of t he cooling bundles is completely elimina

23、ted.Key words :fluidized bed roaster ;sulf uric acid p roduction ;cooling bundles ;hole f or ming ;t reat me nt ;a nalysisRaw Coal Prep a ring Process a nd Its Critical Technology in Fertilizer FactoryY ANG Guo 2hua 1,CHEN J in 2lia ng 2,ZHANG Hui 2hua 3(1、Ningbo U niversity ,Ningbo 315211,China ;2、

24、Na njing Che mical Indust ry Group Design Institute ,Na njing 210048,China ;3、J ia ngyin L onghua Mining Equip me nt Fact ory ,J ia ngyin 214432,China Abstract :The imp orta nce of raw coal p rep aring f or gasfication p rocess is a nalyzed.It int roduces t he p rocess of scree ning ,classification

25、a nd molding of t he raw coal w hich is p rep ared t o be raw material coal f or gasification.The critical technology of coal classification ,in w hich t he vibrating fluidizing bed has bee n adop ted f or sep arating 3mm coals ,is specially int ro 2duced.Technical a nd economic a nalysis of t he te

26、chnology has bee n conducted wit h regard t o actual p rojects ,w hich shows t he economic p rofit is significa nt.Key words :raw coal +scree ning +classification +molding ;vibrating fluidizing bed ;coal gasificationThe Application a nd Feat ures of Soderberg Elect rode in Elect ric Phosp horus Prod

27、uctionFurnace (t o be conti nued CHEN S ha n 2ji (Na njing Che mical Indust rial Group Design Institute ,Na njing 210048,China Abstract :Soderberg elect rode is t he one of t he critical technologies f or large 2scaled elect ric p hosp horus f ur nace.The elec 2t rode consump tion of unit p roduct i

28、s much lower t ha n t hat of p re 2sintering elect rode.It gives brief int roduction t o t he elec 2t rode selection of t he elect ric p hosp horus f ur naces at home a nd abroad.It a nalyzes t he p hysic cha nge of elect rode p aste dur 2ing sintering a nd t he require me nt f or t he elect ric p h

29、osp horus p roduction f ur nace t o t he elect rode p aste.From t he perspective of decreasing t he p roduction cost of t he elect ric p hosp horus p roduction f ur nace a nd t he domestic application experie nces of Soderberg elect rode ,it suggests t o p romote t he application in t he elect ric p

30、 hosp horus p roduction f ur naces.Key words :elect ric f ur nace +p hosp horus p roduction ;Soderberg elect rode ;applicationThe Analysis f or “3+1”a nd “3+2”Conversion Processes in t he S ulf uric Acid Pla nt Based on S ulf urDu Xia ng (Na njing Che mical Indust rial Group Design Institute ,Na nji

31、ng 210048,China Abstract :According t o t he new national e nvironme ntal p rotection sta ndard ,SO 2conte nt in t he tail gas e mitted f rom t he sulf uric acid pla nt shall be lower t ha n 960mg/m 3.It a nalyzes t he f eatures of “3+1”a nd “3+2”conversion p rocesses a nd p oints out w he n using o

32、ne kind of catalyst ,(SO 2in “3+2”f eed gas conversion is higher t ha n t hat in “3+1”f eed gas con 2version ,t he sa me final conversion rate ca n be reached.Whe n (SO 2in “3+2”feed gas conversion is the same as that in “3+1”conversion process gas ,“3+2”conversion process can ensure the required fi

33、nal conversion rate.It suggests that it is better to use domestic catalyst for “3+2”conversion and the imported catalyst for “3+1”conversion.Key words :sulf uric acid p roduction +sulf ur ;p rocess ;conversion +SO 2;a nalysisThe Heat Tra nsfer Calculation f or t he S ulf ur Melting Ta nk wit h Agit

34、atorXU We n 2qin (Na njing Che mical Indust rial Group Design Institute ,Na njing 210048,China Abstract :The t otal heat t ra nsf er coefficie nt K of t he sulf ur melting ta nk wit h agitat ors is deter mined on t he experie nce data ,w hich ca n not reflect t he relationship of t he equip me nt e

35、nlarging a nd equip me nt st ructure wit h heat t ra nsf er.Com 2bined wit h e ngineering data ,it recomme nds t he calculation f or mula of Nu value ,f rom w hich t he calculated K is basically i 2de ntical t o t he actual sulf ur melting cap acit y.It also p oints out ot her main f act ors influe

36、ncing t he sulf ur melting cap acity.Key words :sulf ur melting ta nk +agitat or ;heat t ra nsf er calculation ;influe nce ;a nalysisThe St rengt h Calculation of t he Ma nif old Fla nge of Tube 2s hell Heat Excha nger wit h Multi 2t ube PassesGUO Qing 2s ong (Na njing Che mical Indust rial Group De

37、sign Institute ,Na njing 210048,China Abstract :The gasket sealing f or t he ma nif old fla nge of high te mperature a nd high p ressure heat excha nger wit h multi 2tube p asses has influe nce t o t he fla nge st re ngt h ,but t here is no related state me nt in related sta ndards a nd codes ,it is easily ne 2glected in t he design.Through t he calculation a nd a nalysis of t he actual exa mple ,it finds t hat t