国产化大型硫磺制酸装置设计方案探讨

国产化大型硫磺制酸装置设计方案探讨李若松(云南省化工设计院,云南昆明650041摘要:对400、600、800kt/a硫磺制酸装置的工艺设计方案进行探讨,认为国内大型装置的设计技术已经成熟,绝大部分设备可以国产化。提出今后的发展方向:大型化,无污染,高能量回收率。建议引进国外工艺设计软件包,以提高我国硫酸工业的技术水平。关键词:大型;硫磺;硫酸装置;工艺设计;方案中图分类号:TQ111116文献标识码:B文章编号:-1507(-07收稿日期:2001-06-19作者简介:李若松,男,云南省化工设计院工艺室副主任,工程师,从事化工工艺设计。1概述出:“,积极发展磷复肥和钾肥,建设云南国家磷复肥基地”。目前正在规划中的云南国家磷复肥基地将建设214Mt/a高浓度磷酸二铵(DAP,配套建设112Mt/a磷酸和312Mt/a硫酸。硫酸作为磷肥工业的基础原料,总产量的65%以上用于磷肥工业。2000年我国硫酸产量为24127Mt,预计到2015年生产能力将增至46Mt。其中硫磺制酸由于投资省、建设工期短、操作简单稳定、热能利用率高、三废排放量少而得到迅猛发展。今后我国硫磺制酸的主要发展方向是:a1装置大型化。目前我国硫磺制酸单系列最大装置为山东红日化工股份有限公司的400kt/a装置,而国外经济规模一般都在600kt/a以上,最大的硫磺制酸装置规模达到4400t/d。预计我国今后新建硫磺制酸装置的规模也将在400kt/a以上。b1减少三废排放。今后硫磺制酸应把环境保护放在首位,二氧化硫转化率要提高到9918%以上,同时采用高效除雾器,以减少尾气中二氧化硫和酸雾的排放。c1最大限度地回收废热。要充分利用高、中温热能,每吨酸产中压蒸汽112t以上,用于发电。4套80kt/a和2套200kt/a硫、施工、试车和考核的全过程,并主持完成了400kt/a、600kt/a、800kt/a硫磺制酸装置设计方案(A版的编制工作。现就400kt/a以上大型硫磺制酸装置的设计方案进行探讨。2工艺方案的选择211指导思想a1消化吸收国外先进、成熟的大型硫磺制酸技术,不断优化设计方案。在设计方案的评选中,既要考虑技术的先进性和可靠性,又要结合国情,因地制宜,尽量节约建设投资,提高企业效益。b1严格实行资源综合利用和三废治理“三同时”的原则,在原料及工艺流程的选择上以达到国家排放标准为前提,并尽可能减少三废排放量。c1充分合理地利用生产过程中的废热,实现能量的有效转换,降低能耗。d1重视设备、材料的国产化能力,尽量采用国产设备和材料,以节约建设投资,促进相关产业的发展。212工艺流程固体硫磺入库后由皮带运输机送入快速熔硫槽,熔融后经澄清、过滤由液硫泵打入储槽备用。综述・专论硫酸工业,2002,(1:1~7SulphuricAcidIndustry液硫经泵打入焚硫炉,空气经干燥塔干燥后由透平风机送入焚硫炉。燃烧产生的含二氧化硫炉气进入废热锅炉,产生中压蒸汽后,进入转化器。转化器一段出口炉气经3#过热器回收废热后进入转化器二段。二段出口气体经热换热器换热后进入三段。三段出口炉气经冷换热器、2#省煤器后进入一吸塔。一吸塔出口炉气经冷、热换热器加热后进入转化器四段。四段出口炉气经2#过热器回收废热后进入五段。五段出口炉气经1#过热器、1#省煤器回收废热后进入二吸塔。二吸塔出口尾气由烟囱排入大气。213具体技术方案21311熔硫精制工序只有70W/(m2热系数为450W/(,所以采用内设搅拌桨和蒸汽加热盘管的快速熔硫槽。为了便于排渣,熔硫槽底部设计为圆锥形,设快开人工放渣口,设备下部设放渣池。为了防止腐蚀,筒体内衬耐酸瓷砖,蒸汽盘管界面部分外包聚四氟乙烯管防腐。熔融后液硫经澄清槽进行粗澄清,再经液硫过滤器进一步过滤,以减少固体杂质。传统的液硫精制采用重力沉降法,澄清时间大于72h。对于大型硫磺制酸装置,这样做既不经济也不现实。建议采用叶式液硫过滤器,将液硫中的灰分含量降至01003%(质量分数。过滤前先进行助滤作业。在助滤槽内,在搅拌桨的作用下将一定量的硅藻土与液硫混合均匀,经助滤泵送至液硫过滤器。当滤叶表面被助滤剂所覆盖、助滤槽内的液硫变得清澈时,助滤作业完毕,切换成正常的液硫过滤操作。过滤器的硅藻土层需定期清理。清理时由液压传动装置自动开启顶盖,将叶片框架自动移出滤槽外,进行人工或机械清理。目前世界上最好的液硫过滤器生产厂家之一为美国Sparkler公司。800kt/a硫磺制酸装置需采用2台55m2的MCRO型液硫过滤器。液硫泵可采用屏蔽泵,该泵在山东红日化工股份有限公司、苏州精细化工集团有限公司已有成功运行的经验。液体硫磺温度达135℃左右,采用屏蔽形式可避免泵轴承密封渗漏。屏蔽泵泵体采用蒸汽夹套加热并备有轴承磨损报警器,泵内还带有自动测温装置,结构紧凑可靠。为了保证液硫的供应,减小仓库面积,建议采用2台10000t液硫贮槽。液硫贮槽还能起到澄清液硫的作用,目前已广泛用于国内多家硫磺制酸厂。21312焚硫工序目前国内常用机械雾化喷嘴,雾化后的液硫连续喷入焚硫炉内与干燥空气混合燃烧。二氧化硫生成率达9918%,φ(SO2一般控制在5%10%400实操作控制在912%~用美国孟山都公司的转化技术,φ(SO2可提高到12%,这样可大大提高设备强度,减少投资。然而结合国内目前的实际水平,大型硫磺制酸装置焚硫炉出口炉气φ(SO2还是控制在1015%~11%为好。焚硫炉采用卧式钢筒衬砖结构,内设三道挡墙,有空气导流装置、二次空气进口、遮雨蓬、固定支座和活动支座。目前国内焚硫炉燃烧强度一般取190kW/m3,而孟山都公司取350kW/m3。我们经过优化设计,可将800kt/a装置焚硫炉燃烧强度确定为230kW/m3。磺枪喷雾角度要大,喷雾要均匀,并能够在焚硫炉负荷波动的情况下保持最佳喷雾状态。目前国际上单支磺枪的最大能力为300t/d,再提高能力对雾化效果将产生不利影响。建议800kt/a硫磺制酸装置采用4~6支磺枪,可引进技术国内制造。国内设计一般设置炉气过滤器,但实际运行效果并不理想。笔者认为,经液硫过滤器后,液硫中的灰分已基本清除干净;通过优化焚硫炉设计,可以杜绝升华硫的产生;转化升温采用柴油燃烧加热干燥空气的办法可彻底避免油烟进入转化系统,因此,炉气过滤器可以取消。山东红日化工股份有限公司、无锡震宇化工有限公司、苏州精细化工集团有限公司均已取消了炉气过滤器,运转一直正常。・2・硫酸工业2002年第1期21313转化工序a1转化工艺与催化剂。笔者认为,大型硫磺制酸装置宜采用“3+2”5段转化工艺并引进孟山都公司的催化剂。因为装置能力的提高主要是靠提高设备强度、优化设备结构而不是单纯的几何尺寸放大。对于800kt/a装置,φ(SO2提高到1015%~11%,转化器气速提高到0145m/s,气体停留时间将大大缩短,特别是云贵高原地区,空气相对稀薄(氧含量较标准状态减少20%,对转化极为不利;而另一方面,为了降低原料消耗,减轻尾气对环境的污染,转化率一般定为9918%,这样就必须采用“3+2”5段转化工艺,并且要在不,公司的LP-120,压力降较国产的柱形催化剂下降50%~60%,过筛时间延长60%,活性高,起燃温度低,转化率高,且可提供性能担保。因此,最好是既采用“3+2”5段转化工艺,又引进孟山都公司的催化剂。关于催化剂的装填定额,国内水平为220~240L・d/t,孟山都公司为180~200L・d/t,较国内低20%以上。此外,催化剂装填量少了还可以降低转化器高度,减少转化器造价,减小设备阻力。b1转化器。大型硫磺制酸装置必须采用304不锈钢转化器。因为在400~600℃的温度下,304不锈钢可承受较大的热应力,并允许长期塑性变形,故大大减小了维修工作量。此外,不锈钢转化器开车升温速度快。不锈钢转化器采用5段催化剂床层,每层为多立柱结构,隔板与壳体支承及各支承立柱上的环板焊接全密封,并设有膨胀环补偿,底部设有径向膨胀设施。进气口采取了均匀布气措施。第一层催化剂床放在转化器最底部,催化剂床从上至下依次为三、五、四、二、一。这样布置的好处是更换催化剂方便,配管合理,接管少,有利于消除热应力。当然,采用不锈钢转化器价格较高。山东红日化工股份限公司400kt/a装置建设投资112亿元,<1015m不锈钢转化器本体造价600万元,引进孟山都公司LP-120、LP-110环状催化剂花费74万美元,再加上外保温、土建等,转化器的投资已超过总投资的10%。因此,大型不锈钢转化器的优化设计非常重要。c1气体换热器。气体换热器可采用国产高效换热器,如多孔板支撑结构的缩放管式换热器。进口采用扩散管,。2314:。放在上游的好处是风机不易腐蚀,可以选择国产风机。放在下游时,干燥塔为负压操作,去除水分后实际操作气量仍增加4%~5%,故风机负荷较大且须耐硫酸腐蚀,价格较高;好处是干燥气体经风机加压后温度从60℃升至120℃,这部分热量带入焚硫炉,增加了中压过热蒸汽的产率。笔者进行过计算,风机放在干燥塔后,可以增加蒸汽产量0103t/t,蒸汽价格若以40元/t计算,800kt/a装置一年可以增加收入近百万元,经济效益显著。b1风机形式。800kt/a装置可采用国产离心式鼓风机,进口风量6300m3/min,升压50kPa,转速3000r/min。风机为高速双吸双支撑结构,叶轮材质为高强度不锈钢(FV520B以满足塔后布置的工艺要求。风机采用背压式汽轮机驱动,机组布置采取鼓风机+汽轮机的二合一方案。采用3000r/min的汽轮机和双向传动的齿轮增速机,在技术上不存在任何问题。与鼓风机配套的汽轮机参数如表1所示。c1干吸塔结构。干吸塔为立式圆筒形结构,碳钢内衬耐酸砖,碟形底,出酸口处设有防涡流装置。填料支撑为球拱,开孔率大于50%,填料为阶梯环。酸分布器选用孟山都公司的ZeCor・3・李若松1国产化大型硫磺制酸装置设计方案探讨合金Uniflo槽式,喷孔密度为43个/m2,国内高效管式分酸器只有20~27个/m2。干燥塔采用孟山都公司的金属丝网除沫器,一吸塔、二吸塔采用孟山都公司的纤维除雾器(布林克除雾器。表1与鼓风机配套的汽轮机参数项目参数汽轮机型号B6-3143/0149B6-3143/0198形式背压式背压式额定功率/kW60006000进汽压力/MPa31433143进汽温度/℃435435排汽压力/MPa01490198额定工况汽耗/(kg・kW-1916637额定工况进汽量/(t・h-1573d1酸循环系统。干吸塔采用单酸系统,即用w(H2SO498%酸进行干燥和吸收。泵后冷却流程。干燥塔、一吸塔合用1个循环槽,酸冷却器可为阳极保护管壳式或合金板式,国产或国外制造均可。酸泵为国产。21315废热回收焚硫炉出口设置3182MPa火管锅炉,一段出口设3#过热器,二段和三段间设热换热器,三段出口设冷换热器和2#省煤器,四段出口设2#过热器,五段出口设1#省煤器。火管锅炉使用的金属和耐火材料少,价格便宜;能承受较高的气体压力,从而降低了漏气率;结构简单,形成气体滞流区的可能性很小,可避免冷凝酸腐蚀;传热面容易清理。国外大型硫磺制酸装置普遍采用火管锅炉,800kt/a装置废热锅炉炉筒直径为3400mm,运输没有问题。另外,建议采用翅片管式过热器,水平夹套式热管省煤器。国内硫磺制酸装置中压过热蒸汽产率一般为111~1115t/t,,t。笔者认为,大型112t/t较有把握,如果,利用压缩气体产生的热量,则产汽率可提高到1123t/t。孟山都公司的技术水平一般为1135t/t。大型硫磺制酸装置副产蒸汽发电的方案较多(见表2,应根据工厂实际情况而定。214主要设备选型主要设备选型见表3(大气压力按81kPa计。215装置主要预期性能指标装置主要预期性能指标见表4。表2大型硫磺制酸装置副产蒸汽发电方案项目装置规模/(kt・a-1400(50t・h-1600(75t・h-1800(100t・h-1产汽率/(t・t-1112112112产汽量/(t・h-16090120凝汽消耗/(kg・kW-141654174145发电方案凝汽机组12000+600030000热电联供方案抽凝式机组装机容量/kW60001200025000热电联供方案背压式机组装机容量/kW6000~1200012000・4・硫酸工业2002年第1期表3大型硫磺制酸装置主要设备选型序号设备名称设备规格400kt/a600kt/a800kt/a备注1快速熔硫槽2×<5m2×<515m2×<6m2液硫过滤器2×25m22×45m22×55m2Sparkler产品3液硫贮槽2×5000t2×10000t2×10000t4焚硫炉<5m(2支磺枪<515m(3支磺枪<6m(4支磺枪5转化器<10m,催化剂264m3<12m,催化剂396m3<14m,催化剂528m3孟山都催化剂6空气鼓风机Q=3000m3/min,Δp=42kPaQ=4600m3/min,Δp=46kPaQ=6300m3/min,Δp=50kPa7干燥塔<6m<7m<718m孟山都除雾器、分酸器8干燥酸泵Q=580m3/hQ=780m3/hQ=960m3/h9干燥酸冷却器F=208m2F=286m2F=364m2阿法拉伐产品10一、二吸收塔<6m<712m、分酸器11一、二吸收酸泵Q=650m3/h=/Q=1h12一吸酸冷却器F=2F==424m2阿法拉伐产品13二吸酸冷却器1452F=253m2阿法拉伐产品14Q=t/,3182MPa,℃Q=90t/h,3182MPa,450℃Q=120t/h,3182MPa,450℃15发电机组6000kW12000kW25000kW抽凝式表4大型硫磺制酸装置主要预期性能指标项目指标消耗定额硫磺[w(S9919%]/(t・t-101332电/(kW・h12循环冷却水(Δt=10℃/(m3・t-178脱盐水/(m3・t-1114低压蒸汽(016MPa/(t・t-10115副产品中压蒸汽(312MPa,450℃/(t・t-11123工艺指标φ(SO2,%10~11转化率,%9918吸收率,%99195环保指标尾气ρ(SO2/(mg・m-3≤850SO2排放量/(kg・h-1400kt/a装置88600kt/a装置132800kt/a装置176主要技术经济指标产品制造成本/(元・t-1250建设投资/亿元400kt/a装置112600kt/a装置116800kt/a装置23技术和设备国产化的探讨311引进工艺设计软件包目前国内最大的硫磺制酸装置为400kt/a,另已建成200kt/a、300kt/a装置若干套,积累了丰富的经验。因此,笔者认为目前国内完全有能力自行设计大型硫磺制酸装置。然而,硫酸工业技术虽已十分成熟仍在不断发展进步,主要表现在:设备生产强度不断提高,装置布置更加紧凑、合理,专业分工日渐细化,新设备、新材料大量涌现。因此,实事求是地说,我国的制酸技术与国际先进水平,例如与美国孟山都公司相比,仍然存在较大的差距。其具体比较见表5。由表5可见,我国硫磺制酸技术与孟山都公司相比差距较大。笔者认为我国目前水平与孟山都公司20世纪80年代中期水平相当,要一下子赶上是不现实的,因此建议在条件许可的情况下,引进一套孟山都公司800kt/a硫磺制酸工艺设计软件包。・5・李若松1国产化大型硫磺制酸装置设计方案探讨·6·硫酸工业2002年第1期表5我国制酸技术与美国孟山都公司的比较项目操作气体φ(SO2,%焚硫炉燃烧强度/(kW·-3m转化器操作气速/(m·s催化剂装填定额/(L··dt-1-1孟山都公司1115～12国内915～1015比较低10%～25%低46%低20%～40%高10%～33%低22%～100%低9%备注～350>0151135～190180～200212～214干吸塔操作气速/(m·s-1产汽率/(t·t-1孟山都公司在美国总承包建设的一套800kt/a硫磺制酸装置,含软件费,不含HRS、熔硫、发电、公用工程,投资为2500万美元。由于我国目前90%的设备可以国产化,投资可减少很多(约5%～10%,预计工程总投资可降低约2000万元。孟山都公司在硫酸界探索多年,有成功的经验,也有失败的教训,能帮助我们少走弯路。如果引进软件,通过国内技术人员的消化吸收,可将我国硫酸工业技术水平向前推进15～20年,这对于中国硫酸工业的技术进步大有裨益。引进设计软件目前的主要障碍是价格问题。经过与孟山都公司反复商谈,一套800kt/a装置的软件费已降到了150万美元,但对中国业主来说仍显得太贵。一个可选方案是孟山都公司、业主和设计院三家来分担这笔费用:孟山都公司再降价50万美元———这样他毕竟以100万美元打开了中国市场,并且还可以收第二套、第三套等的使用费(第二套收费为第一套的一半,第三套为第表6kt/a硫磺制酸装置的引进设备800引进设备名称液硫过滤器孟山都公司催化剂孟山都公司除雾器、分酸器DCS控制系统价格/万美元3213211034合计3084关于HRS的探讨现代硫磺制酸的最新设计理念是,主产品是电能,副产品才是硫酸,废热回收在硫酸生产中占有013～014220～240112～1181123孟山都催化剂风机塔后流程二套的一半,以此类推;业主承担50万美元———这笔费用在工程总投资中只占约2%,应该可以接受,再者采用孟山都公司的软件建设总投资可下降约5%,况且装置可靠性高,寿命长,收益更是匪浅;设计院承担50万美元———虽然一套装置的设计费只有300～400万人民币,开始设计一二套装置是不赚钱的,但设计院因此获得了先进的设计技术,提高了市场竞争力,再说消化吸收后对设计400、kt/a装置也是大有好处的,毕竟中600国市场巨大,硫磺制酸前景光明,长远看来是划算的。当然这只是笔者的一个设想,要变为现实还要经过艰苦复杂的商务谈判和操作来实现。但这确实是一个有可能打开僵局、实现三赢的方案。对国外先进技术吸收消化后,仍有必要引进312部分引进设备一些设备,800kt/a硫磺制酸装置的引进设备见表6。占总投资比例,%113516416114理由国内无业绩有性能保证技术先进技术先进十分重要的地位。孟山都公司1985年前废热回收率为65%(与国内目前水平接近;1985—1990年采用REER;1990—1995年推出HRS(热回收系统,热利用率达到95%;1995年以后推出了合计1219Monarch(第三代HRS,热利用率达到99%以上。HRS的原理是用HRS热回收塔代替传统的一吸塔,将出塔酸温提高到200～220℃,用HRS锅炉回收这部分热量产1MPa中压蒸汽。在HRS系统,稀释器是关键设备,它可将酸浓保持在w(H2SO499%以上。目前建成并运行的HRS装置有19套,总生产能力达30800t/d。根据孟山都表7000t/d硫磺制酸装置热能回收方案比较2项目副产高压蒸汽/副产中压蒸汽/副产低压蒸汽/消耗低压蒸汽/发电能力/MW比较(t·h-1传统工艺100(t·-1h(t·-1h(t·h-1如以800kt/a装置考虑,采用HRS工艺,可增产1MPa中压蒸汽约50t/h,蒸汽价格按40元/t计送入凝汽式发电机发电,发电能力可达9MW,电算,一年可创效益1600万元。如果将这些蒸汽800kt/a装置,HRS部分投资800万美元,如果建gestedtointroduceadvancedsoftwarepackageofprocessdesignfromabroadtoacceleratethedevelopmentofChina’ssulphuricacidindustry1Keywords:large2scale;sulphur;sulphuricacidplant;processdesign;optionindustryshouldbedevelopedtowardslargescale,non2environmentalpollutionandhighrecoveryofenergy1Itissug2价按0135元/(kW·计,一年可创效益2520万h元。根据孟山都公司介绍,HRS技术只提供工程总包,不单独