申 靜，李戰(zhàn)學(xué)

(陽煤豐喜肥業(yè)〔集團(tuán)〕有限責(zé)任公司，山西運(yùn)城 044000)

硫酸是基本無機(jī)化工產(chǎn)品之一，主要用于化肥、冶金、石油、機(jī)械、醫(yī)藥及軍事工業(yè)等，還用于農(nóng)藥、化學(xué)纖維、塑料、涂料以及各種有機(jī)和無機(jī)化工產(chǎn)品。硫酸最主要的用途是化肥工業(yè)，可用于制造磷酸、過磷酸鈣和硫酸銨等[1]，中國(guó)的化肥工業(yè)在硫酸消費(fèi)上所占比例一直保持在50%～60%。

陽煤豐喜集團(tuán)新建1套300 kt/a合成氨、520 kt/a尿素裝置，煤氣化采用自主研發(fā)的水煤漿水冷壁氣化技術(shù)，凈化采用等溫變換、低溫甲醇洗、液氮洗工藝，合成采用16 MPa低壓合成技術(shù)，尿素采用二氧化碳汽提法工藝。在該項(xiàng)目上主要工段采用的都是國(guó)內(nèi)主流成熟技術(shù)，不存在技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)；但在對(duì)低溫甲醇洗裝置生產(chǎn)過程所產(chǎn)生的H2S酸性氣體的處理方式上，各企業(yè)有較大的區(qū)別。目前國(guó)內(nèi)新建同類型合成氨裝置針對(duì)H2S酸性氣體基本都采用克勞斯硫回收技術(shù)來生產(chǎn)硫磺，而該新建項(xiàng)目的生產(chǎn)過程需要硫酸，因此需采用新技術(shù)將H2S酸性氣體處理后生產(chǎn)硫酸。經(jīng)過多次調(diào)研，最終確定由在濕法制硫酸技術(shù)上具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的上?？蒲蠊こ坦咀鳛轫?xiàng)目裝置建設(shè)方，并由上?？蒲蠊こ坦疽钥偘绞匠薪ǔ两ㄍ獾恼麄€(gè)工程。該項(xiàng)目于2015年3月開工建設(shè)，于2015年12月結(jié)束設(shè)備安裝。

ECOSA濕法制硫酸技術(shù)是上?？蒲蠊こ坦咀灾餮邪l(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型低溫甲醇洗裝置酸性尾氣處理工藝，采用該技術(shù)的工業(yè)化裝置已經(jīng)在山西陽煤豐喜集團(tuán)建成并運(yùn)行。該示范裝置運(yùn)行情況表明，該氣化技術(shù)具有流程簡(jiǎn)單、工藝指標(biāo)先進(jìn)、運(yùn)行費(fèi)用低、吸收效果好、產(chǎn)品質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。

1 工藝原理及特點(diǎn)

該新建裝置采用的是上?？蒲蠊こ坦咀灾餮邪l(fā)的ECOSA濕法制硫酸技術(shù)，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。該技術(shù)可處理體積分?jǐn)?shù)為2%～90%的H2S酸性廢氣，同時(shí)制備93%～98%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的濃硫酸產(chǎn)品。該技術(shù)的主要生產(chǎn)流程及化學(xué)反應(yīng)如下：

(1) 酸性氣燃燒反應(yīng)

一定濃度的酸性氣在燃燒爐內(nèi)發(fā)生燃燒反應(yīng)，在一定溫度下使H2S全部轉(zhuǎn)化為SO2，同時(shí)放出大量熱量：

2H2S+3O2=2SO2+2H2O+Q

燃燒爐內(nèi)的溫度通過酸性氣中的H2S濃度及配風(fēng)比來控制。

(2) SO2催化轉(zhuǎn)化反應(yīng)

2SO2+O2=2SO3+Q

燃燒產(chǎn)生的SO2經(jīng)催化轉(zhuǎn)化后生成SO3，該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，考慮到反應(yīng)速率及轉(zhuǎn)化率等因素，通過冷卻器移出反應(yīng)熱，以降低工藝氣反應(yīng)溫度，進(jìn)而提高SO2的轉(zhuǎn)化率。

(3) 生成H2SO4反應(yīng)

燃燒過程產(chǎn)生的H2O與SO3發(fā)生反應(yīng)：

SO3+H2O=H2SO4+Q

SO3與H2O反應(yīng)生產(chǎn)的硫酸蒸汽通過冷凝器冷凝，生產(chǎn)出硫酸同時(shí)放出大量的反應(yīng)熱。

上?？蒲蠊こ坦咀灾餮邪l(fā)的濕法制硫酸技術(shù)主要有以下技術(shù)特點(diǎn)：①采用過氧燃燒方式，不需要嚴(yán)格控制H2S與SO2的比例，操作簡(jiǎn)單；②采用過氧燃燒方式，H2S完全燃燒放熱量大，反應(yīng)室可維持較高溫度，解決了H2S濃度低、難轉(zhuǎn)化的問題；③主反應(yīng)為放熱反應(yīng)，可副產(chǎn)大量蒸汽，裝置運(yùn)行費(fèi)用低；④冷凝裝置設(shè)計(jì)合理、吸收效果好，排放尾氣中SO2濃度遠(yuǎn)低于國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，且不排放廢液和廢渣，不產(chǎn)生二次污染。

2 新建裝置投資情況

該項(xiàng)目總投資約2 500萬元，其中土建投資200萬元，技術(shù)轉(zhuǎn)讓費(fèi)、設(shè)計(jì)費(fèi)、設(shè)備、安裝等其他投資2 300萬元。硫酸裝置主要設(shè)備共計(jì)17臺(tái)，其主要設(shè)備參數(shù)見表1。

表1 硫酸裝置主要設(shè)備參數(shù)

3 新建硫酸裝置運(yùn)行情況

裝置利用山西陽煤豐喜集團(tuán)300 kt/a合成氨、520 kt/a尿素項(xiàng)目中低溫甲醇洗裝置所產(chǎn)生H2S酸性氣體制取93%～98%的硫酸，主要流程如下：酸性氣燃燒→SO2催化氧化→硫酸蒸汽冷凝→硫酸降溫及調(diào)質(zhì)→裝置熱量回收。

(1) 酸性氣燃燒

通過燃燒反應(yīng)使H2S氧化轉(zhuǎn)化為SO2。低溫甲醇洗裝置送來的酸性氣中的H2S與燃燒風(fēng)機(jī)引入的熱空氣在燃燒器預(yù)混后，在酸氣燃燒爐中發(fā)生燃燒反應(yīng)生成SO2。燃燒風(fēng)機(jī)入口設(shè)置空氣過濾器，避免空氣中的灰塵在裝置內(nèi)沉積。燃燒爐內(nèi)溫度維持在850～1 050 ℃，該溫度通過酸性氣中H2S濃度和配風(fēng)量來控制。

燃燒過程中助燃空氣量配比大，使酸性氣中H2S發(fā)生過氧燃燒，過氧燃燒使酸性氣中其他雜質(zhì)也發(fā)生充分反應(yīng)(如烴、醇、氨等)，防止對(duì)裝置運(yùn)行產(chǎn)生影響以及造成硫酸品質(zhì)下降，燃燒爐內(nèi)的工藝氣體燃燒充分后進(jìn)入廢熱鍋爐管箱。

(2) SO2催化氧化為SO3

反應(yīng)充分的工藝氣體通過廢熱鍋爐回收熱量后進(jìn)入組合反應(yīng)器，組合式反應(yīng)器為2層催化劑層和1層換熱器結(jié)構(gòu)，工藝氣體依次通過催化劑床層和換熱器，使SO2轉(zhuǎn)化為SO3。在反應(yīng)器前補(bǔ)充部分熱空氣，調(diào)節(jié)氧硫比例和反應(yīng)溫度。從SO2反應(yīng)器出來的工藝氣體溫度控制在285 ℃左右(該溫度高于硫酸露點(diǎn)溫度約20 ℃)，然后進(jìn)入冷卻器。

(3) 硫酸蒸汽冷凝

高溫條件下，SO3和水蒸氣反應(yīng)生成H2SO4蒸汽。通過冷卻器的工藝氣體進(jìn)入硫酸蒸汽冷凝器，在冷凝器內(nèi)溫度進(jìn)一步降低，促使硫酸蒸汽冷凝。285 ℃左右的工藝氣體進(jìn)入冷凝器后由下向上流動(dòng)，冷凝器管程內(nèi)通入空氣，通過與空氣換熱可將工藝氣體溫度降低至90 ℃左右。隨著工藝氣體溫度的降低，硫酸蒸汽冷凝在玻璃換熱管上結(jié)成液滴，在重力作用下液滴匯集到冷凝器底部。

空氣由冷卻風(fēng)機(jī)送入硫酸蒸汽冷凝器，進(jìn)入冷凝器管箱頂部，空氣進(jìn)入后沿冷凝器管箱內(nèi)部隔板橫向進(jìn)入玻璃換熱管，與工藝氣體進(jìn)行熱量交換。換熱后的空氣在冷凝器管箱另外一端匯集，然后進(jìn)入冷凝器管箱中的下一段形成S形流，離開硫酸蒸汽冷凝器的空氣溫度約210 ℃，硫酸蒸汽冷凝器底部分離出的硫酸溫度約250 ℃。

(4) 硫酸降溫及調(diào)質(zhì)

經(jīng)硫酸蒸汽冷凝器分離出的硫酸溫度較高，通過硫酸水冷器降溫后回流到硫酸蒸汽冷凝器出口管口處，與熱硫酸混合后將溫度降低至50 ℃左右，避免高溫硫酸對(duì)管道和硫酸儲(chǔ)罐的腐蝕。

(5) 裝置熱量回收

裝置運(yùn)行時(shí)不僅不消耗蒸汽，還副產(chǎn)少量蒸汽，僅需消耗部分冷卻水來冷卻濃硫酸。燃燒爐出口工藝氣體溫度較高，通過廢熱鍋爐生產(chǎn)5.0 MPa(表壓)中壓蒸汽，同時(shí)過程氣冷卻器也副產(chǎn)5.0 MPa(表壓)中壓蒸汽，兩股中壓飽和蒸汽混合后通過SO2組合反應(yīng)器段間換熱器換熱得到400 ℃過熱蒸汽，該過熱蒸汽送至界區(qū)外飽和蒸汽管網(wǎng)。

4 結(jié)語

裝置在聯(lián)動(dòng)試車合格后，開車4 h生產(chǎn)出的硫酸質(zhì)量即達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)(硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)98%)，經(jīng)處理后工藝尾氣滿足國(guó)家環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)，裝置運(yùn)行完全達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。裝置處理酸性氣氣量約450 m3/h(標(biāo)態(tài))，酸性氣中H2S體積分?jǐn)?shù)約23%，可生產(chǎn)硫酸11 t/d(即0.46 t/h)、0.5 MPa(表壓)過熱蒸汽24 t/d(即1 t/h)，消耗中壓鍋爐給水1 t/h(噸硫酸消耗2.2 t)、循環(huán)冷卻水4.2 t/h(噸硫酸消耗9.1 t)，耗電33 kW·h(噸硫酸耗電74 kW·h)。實(shí)際運(yùn)行表明，該硫酸裝置采用ECOSA濕法制硫酸技術(shù)，在清潔處理酸性廢氣促使其滿足環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)達(dá)標(biāo)排放的同時(shí)，生產(chǎn)出濃硫酸并副產(chǎn)蒸汽，不僅解決了環(huán)境污染的問題，滿足企業(yè)環(huán)保要求，同時(shí)還能產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益，可幫助氮肥企業(yè)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的多元化。

參考文獻(xiàn)

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