李海昆，李若松

（云南化工設(shè)計(jì)院有限公司，云南 昆明 650041）

2021 年，我國(guó)硫黃制酸產(chǎn)能達(dá)到5 611 萬(wàn)t/a，占硫酸總產(chǎn)能的43.84%，產(chǎn)量達(dá)到4 807 萬(wàn)t，占硫酸總產(chǎn)量的44.1%［1］。隨著近年來(lái)多套大型硫黃制酸裝置建成及低溫位余熱回收技術(shù)的應(yīng)用，我國(guó)硫黃制酸技術(shù)和裝備水平有了長(zhǎng)足進(jìn)步，大型硫黃制酸裝置的國(guó)產(chǎn)化水平不斷提高，但與國(guó)際先進(jìn)水平還存在一定的差距。

（1）裝置大型化方面的差距：目前國(guó)內(nèi)硫黃制酸裝置采用“3+1兩轉(zhuǎn)兩吸”工藝的單系列最大產(chǎn)能為100 萬(wàn)t/a，采用一轉(zhuǎn)一吸+SOLVR 尾氣脫硫新工藝的120萬(wàn)t/a硫黃制酸裝置已投產(chǎn)。近年來(lái)國(guó)外硫黃制酸裝置大型化發(fā)展較快，目前全球單系列生產(chǎn)能力超過(guò)150 萬(wàn)t/a 的硫黃制酸裝置已有十多套，沙特阿拉伯礦業(yè)公司硫黃制酸裝置產(chǎn)能為168萬(wàn)t/a。我國(guó)在裝置大型化方面還存在較大差距。

（2）熱能回收品質(zhì)、設(shè)備生產(chǎn)強(qiáng)度和能耗方面的差距：目前國(guó)內(nèi)硫黃制酸裝置總的熱能回收率與國(guó)外相差不大，但高品位熱能回收方面還存在一定差距。近年來(lái)國(guó)外大型化裝置不斷發(fā)展，其設(shè)備生產(chǎn)強(qiáng)度也不斷提高，大型化裝置通過(guò)平衡裝置建設(shè)投資與消耗，降低硫黃制酸的生產(chǎn)成本。而國(guó)內(nèi)裝置生產(chǎn)強(qiáng)度低、能耗高的情況還較為普遍。

1 硫黃制酸裝置技術(shù)進(jìn)步

自2019年以來(lái)云南化工設(shè)計(jì)院有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)YDIC）完成及正在設(shè)計(jì)的硫黃制酸裝置達(dá)到20多套，其中60萬(wàn)t/a硫黃制酸裝置4 套，80 萬(wàn)t/a硫黃制酸裝置9 套，100 萬(wàn)t/a 硫黃制酸裝置9 套，通過(guò)一系列先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，所設(shè)計(jì)的裝置在原材料及公用工程消耗、熱能回收利用率、性能指標(biāo)、排放指標(biāo)及開(kāi)車(chē)率等方面都達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。以下是YDIC在硫黃制酸領(lǐng)域取得的一些技術(shù)進(jìn)步。

1.1 提升高品位熱能回收率及蒸汽價(jià)值

1.1.1 提升高品位熱能回收率

硫黃制酸裝置各部分產(chǎn)生的熱量所占比例如表1所示。

表1 硫黃制酸裝置各部分產(chǎn)生的熱量占比

目前國(guó)內(nèi)硫黃制酸裝置基本都回收了硫黃焚燒熱及轉(zhuǎn)化熱副產(chǎn)中壓過(guò)熱蒸汽，應(yīng)用低溫位余熱回收技術(shù)副產(chǎn)低壓飽和蒸汽，總熱能回收率達(dá)到90%左右，與國(guó)外先進(jìn)水平（總熱能回收率93%）相差不大，但高品位熱能回收方面還存在一定差距。國(guó)內(nèi)硫黃制酸裝置一般水平生產(chǎn)1 t 硫酸產(chǎn)中壓過(guò)熱蒸汽（3.82 MPa、450 ℃）1.20 t，先進(jìn)水平（YDIC目前達(dá)到的水平）生產(chǎn)1 t 硫酸產(chǎn)次高壓過(guò)熱蒸汽（6.40 MPa、450 ℃）1.32 t，與國(guó)際先進(jìn)水平生產(chǎn)1 t硫酸產(chǎn)次高壓過(guò)熱蒸汽（6.40 MPa、450 ℃）1.40 t還有較大差距。國(guó)內(nèi)外硫黃制酸裝置熱量回收情況對(duì)比如表2所示。

表2 國(guó)內(nèi)外硫黃制酸裝置熱量回收情況對(duì)比

國(guó)內(nèi)外主要通過(guò)優(yōu)化熱力系統(tǒng)將硫黃制酸裝置低溫位余熱回收副產(chǎn)的0.8～1.0 MPa低壓飽和蒸汽的熱量轉(zhuǎn)化到中壓或次高壓過(guò)熱蒸汽中來(lái)提升高品位熱能回收率。

1.1.2 提高蒸汽參數(shù)

由于液硫焚燒的溫度高達(dá)1 100 ℃，一段轉(zhuǎn)化的溫度也高達(dá)615 ℃，硫黃制酸裝置副產(chǎn)蒸汽的壓力和溫度可以提高到9.8 MPa、540 ℃，甚至更高。國(guó)內(nèi)外硫黃制酸裝置普遍副產(chǎn)3.82～6.40 MPa、450～480 ℃的中壓或次高壓過(guò)熱蒸汽，副產(chǎn)蒸汽壓力和溫度還有進(jìn)一步提高的空間，以提高副產(chǎn)蒸汽的做功能力，增加發(fā)電量，提高蒸汽的價(jià)值。隨著近年火管廢熱鍋爐在設(shè)計(jì)上應(yīng)用了精確分析技術(shù)以及焊接技術(shù)的突破，蒸汽壓力9.8 MPa 的高壓火管鍋爐成熟可靠，已開(kāi)始應(yīng)用于硫黃制酸行業(yè)。目前國(guó)內(nèi)已有1 套15 萬(wàn)t/a 硫黃制酸裝置配套9.8 MPa、450 ℃高壓過(guò)熱蒸汽的熱力系統(tǒng)建成投產(chǎn)，投用3年來(lái)運(yùn)行穩(wěn)定，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)可控，為今后高蒸汽參數(shù)熱力系統(tǒng)的裝置放大和推廣應(yīng)用奠定了很好的基礎(chǔ)。

1.1.3 提升高品位熱能回收率及蒸汽參數(shù)的價(jià)值

隨著高品位熱能回收率的提高以及副產(chǎn)蒸汽壓力和溫度參數(shù)的提高，硫黃制酸裝置副產(chǎn)蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)做功的壓差增大，蒸汽循環(huán)熱功效率提高，發(fā)電量增加。以80萬(wàn)t/a硫黃制酸裝置為例，國(guó)內(nèi)一般水平副產(chǎn)3.82 MPa、450 ℃中壓過(guò)熱蒸汽120 t/h，經(jīng)優(yōu)化高品位熱能回收效率后副產(chǎn)6.40 MPa、450 ℃次高壓過(guò)熱蒸汽132 t/h，進(jìn)一步提高高品位熱能回收效率后副產(chǎn)9.80 MPa、450 ℃高壓過(guò)熱蒸汽140 t/h，3 種參數(shù)蒸汽在背壓工況及全凝工況運(yùn)行時(shí)的發(fā)電量比較分別見(jiàn)表3、表4。

表3 不同參數(shù)蒸汽在背壓式汽輪發(fā)電機(jī)中發(fā)電量比較

表4 不同參數(shù)蒸汽在全凝式汽輪發(fā)電機(jī)中發(fā)電量比較

從表3可知，采用高壓過(guò)熱蒸汽背壓發(fā)電發(fā)電量分別比次高壓過(guò)熱蒸汽及中壓過(guò)熱蒸汽高16.6%和51.2%；從表4 可知，采用高壓過(guò)熱蒸汽全凝發(fā)電發(fā)電量分別比次高壓過(guò)熱蒸汽及中壓過(guò)熱蒸汽高8.6%和25.0%，發(fā)電的熱能利用率有較大提高。多發(fā)的電不會(huì)增加企業(yè)污染物及二氧化碳排放量，屬于提質(zhì)增效的節(jié)能減排，對(duì)大型裝置具有現(xiàn)實(shí)意義。

1.2 提高設(shè)備生產(chǎn)強(qiáng)度，降低裝置能耗

1.2.1 焚硫爐

國(guó)外先進(jìn)大型裝置焚硫爐的燃燒強(qiáng)度達(dá)到340 kW/m3，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)的燃燒強(qiáng)度為140 ～190 kW/m3，結(jié)合提高硫黃噴槍的霧化效果，國(guó)內(nèi)焚硫爐的設(shè)備生產(chǎn)強(qiáng)度有很大的提升空間。

1.2.2 轉(zhuǎn)化器

國(guó)外先進(jìn)大型裝置轉(zhuǎn)化器的煙氣設(shè)計(jì)流速高達(dá)0.51 m/s（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，下同），國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)流速一般在0.42 m/s，轉(zhuǎn)化器設(shè)計(jì)還有較大提升空間。提高轉(zhuǎn)化器的煙氣設(shè)計(jì)流速可以讓催化劑床層保持一定的阻力，利于煙氣的分布，且可以減少催化劑的裝填量，降低裝置投資。

1.2.3 干吸塔

國(guó)外大型裝置采用高氣速、低填料高度、低噴淋密度的設(shè)計(jì)，以降低煙氣阻力，減小泵的循環(huán)量和揚(yáng)程，降低能耗。國(guó)內(nèi)一般設(shè)計(jì)的干吸塔煙氣流速僅為1.5 m/s，填料高度3.50 m，酸噴淋密度24～27 m3/（m2· h），缺點(diǎn)是泵流量大、揚(yáng)程高、能耗高；國(guó)際先進(jìn)水平設(shè)計(jì)的干吸塔煙氣流速提高到1.8～2.2 m/s，填料高度降低到2.44 m，酸噴淋密度降低到20 m3/（m2·h），其對(duì)分酸的均勻性提出較高的要求，采用高酸濃、高酸溫、高效分酸器（使分酸點(diǎn)多、分布均勻），可以保證吸收效果的同時(shí)控制空間冷凝，以控制酸霧量［2］。通過(guò)降低填料高度、降低噴淋密度的措施，干燥和二吸塔循環(huán)酸泵的噸酸電耗可降低1.3 kW·h，以80萬(wàn)t/a硫黃制酸裝置為例每年可減少電耗104萬(wàn)kW·h。

1.3 降低裝置排放水平

1.3.1 SO2排放

《硫酸工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 26132—2010）中SO2排放限值為400 mg/m3，執(zhí)行大氣污染物特別排放限值的地域SO2排放限值為200 mg/m3?！痘痣姀S大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13223—2011）中SO2排放限值為100 mg/m3。隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保要求越來(lái)越高，國(guó)家可能會(huì)降低硫酸行業(yè)SO2排放限值，目前國(guó)內(nèi)硫酸行業(yè)濕法脫硫排放煙氣ρ（SO2）≤100 mg/m3，甚至≤50 mg/m3都是可以做到的。采用氨、液堿、過(guò)氧化氫等為脫硫劑的傳統(tǒng)濕法脫硫工藝或活性炭低溫催化氧化工藝普遍存在脫硫劑成本高或一次投資高的問(wèn)題。筆者設(shè)計(jì)的磷礦漿催化氧化脫硫工藝應(yīng)用到100 萬(wàn)t/a 硫酸裝置取得了較好的效果，排放尾氣ρ（SO2）≤35 mg/m3，脫硫效率超過(guò)90%，除動(dòng)力消耗外沒(méi)有原材料的消耗或損失，在磷化工企業(yè)具有可推廣性。

1.3.2 酸霧排放

GB 26132—2010 中酸霧排放限值為30 mg/m3，執(zhí)行大氣污染物特別排放限值的地域排放限值為5 mg/m3。目前酸霧檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為《固定污染源廢氣硫酸霧的測(cè)定離子色譜法》，HJ 544—2016 與HJ 544—2009 相比，分析方法增加了兩級(jí)沖擊式吸收瓶，采用氫氧化鈉吸收，生成的亞硫酸鈉可能被氧化成硫酸鈉，而色譜分析的是硫酸根含量，造成分析值偏高。美國(guó)分析方法US EPA Method 8 使用80%的異丙醇溶液在冰水浴中吸收酸霧，異丙醇溶液可阻止SO2氧化成SO3，避免干擾。采用纖維除霧器或兩級(jí)電除霧器可使尾氣的酸霧質(zhì)量濃度達(dá)到≤5 mg/m3。

1.4 國(guó)內(nèi)外硫黃制酸裝置主要操作參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)

國(guó)內(nèi)外硫黃制酸裝置主要操作參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)對(duì)比分別見(jiàn)表5 和表6。我國(guó)硫黃制酸裝置技術(shù)有了較大的提升，但與國(guó)際先進(jìn)水平相比在設(shè)備生產(chǎn)強(qiáng)度和高品位熱能回收方面還有一定的提升空間。

表5 國(guó)內(nèi)外硫黃制酸裝置主要操作參數(shù)對(duì)比

表6 國(guó)內(nèi)外硫黃制酸裝置主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

2 硫黃制酸裝置技術(shù)發(fā)展?jié)摿罢雇?/h2>

2.1 實(shí)現(xiàn)蒸汽價(jià)值最大化

通過(guò)降低省煤器出口煙氣溫度更多地回收熱量，采用低壓蒸汽預(yù)熱空氣及提高除氧水溫度等措施將低壓飽和蒸汽的熱量盡可能多地轉(zhuǎn)化到高壓蒸汽中以提升高壓蒸汽產(chǎn)量，盡可能多地回收高品位熱能并提高蒸汽參數(shù)。同時(shí)更多地回收干吸系統(tǒng)酸的熱量用于加熱脫鹽水，盡可能提高除氧器脫鹽水給水溫度以減少低壓蒸汽消耗，盡量多地回收低溫位熱能。通過(guò)以上措施預(yù)期可以將總體熱能回收率提高到95%以上，其中高品位熱能回收率達(dá)到75%左右（噸酸中壓或次高壓過(guò)熱蒸汽產(chǎn)量達(dá)到1.45 t），低溫位熱能回收率達(dá)到20%左右（噸酸低壓蒸汽產(chǎn)量0.46 t），以實(shí)現(xiàn)蒸汽價(jià)值最大化。

2.2 采用富氧燃燒，提高設(shè)備生產(chǎn)強(qiáng)度

近年來(lái)磷酸鐵鋰一體化項(xiàng)目普遍配套建設(shè)了空分裝置提供氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣，副產(chǎn)氧氣沒(méi)有得到很好的利用。以80萬(wàn)t/a硫黃制酸裝置為例，采用富氧燃燒技術(shù)補(bǔ)充10 000 m3/h副產(chǎn)氧氣進(jìn)行助燃以提高SO2濃度，將硫酸裝置普遍采用的φ（SO2）由11.0%提高到12.5%，焚硫爐燃燒溫度由1 050 ℃提高到1 200 ℃，焚硫爐迎火面采用剛玉磚可滿(mǎn)足使用要求。SO2濃度提高后裝置產(chǎn)能提高約15%，裝置投資相應(yīng)降低，實(shí)現(xiàn)副產(chǎn)氧氣高效利用，經(jīng)濟(jì)效益提高。

2.3 裝置人工智能控制

（1）將大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)等人工智能的先進(jìn)技術(shù)引入硫酸操作系統(tǒng)，使硫酸裝置的控制趨近設(shè)計(jì)指標(biāo)，裝置處于最優(yōu)狀態(tài)運(yùn)行。

（2）實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)實(shí)時(shí)操作數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，尋找和判斷故障趨勢(shì)，快速診斷問(wèn)題，大幅度降低事故發(fā)生率，減少經(jīng)濟(jì)損失。

（3）減少裝置的人為因素影響，保證裝置長(zhǎng)周期安全可靠高效率運(yùn)行。

2.4 進(jìn)一步提升設(shè)計(jì)水平

1） 裝置大型化

在裝置大型化方面我國(guó)與國(guó)際上還有較大的差距，需要采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)、制造手段不斷提高大型化裝備的精細(xì)化設(shè)計(jì)和制造，提高產(chǎn)品質(zhì)量，以立足國(guó)內(nèi)走向全球。

2） 應(yīng)用流體力學(xué)軟件

國(guó)外已將流體力學(xué)軟件用于模擬硫黃燃燒過(guò)程，計(jì)算焚硫爐內(nèi)溫度及氣體濃度分布，優(yōu)化焚硫爐設(shè)備結(jié)構(gòu)，提高焚硫爐的熱強(qiáng)度；用于模擬轉(zhuǎn)化器內(nèi)氣體及溫度分布，優(yōu)化轉(zhuǎn)化器進(jìn)口氣體分布裝置結(jié)構(gòu)，使轉(zhuǎn)化器內(nèi)氣體分布均勻，提高總轉(zhuǎn)化率；用于模擬冷熱換熱器冷端管板的溫度分布，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)露點(diǎn)溫度，提高設(shè)備的可靠性。

國(guó)內(nèi)在硫黃制酸領(lǐng)域?qū)τ诹黧w力學(xué)軟件的應(yīng)用還比較欠缺，需要加強(qiáng)此項(xiàng)工作。

3） 應(yīng)力分析

國(guó)內(nèi)硫黃制酸裝置煙氣管道泄漏問(wèn)題時(shí)有發(fā)生，特別是轉(zhuǎn)化器一段出口煙氣管道及高溫過(guò)熱器泄漏較為普遍，應(yīng)力分析水平還有待提高。硫酸裝置的煙氣管道屬于大直徑薄壁管道，一般應(yīng)力分析軟件計(jì)算結(jié)果有較大偏差，需要修正計(jì)算結(jié)果，使計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)踐相吻合。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)引入先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，提高設(shè)備生產(chǎn)強(qiáng)度、提高高品位熱能回收率、提高蒸汽參數(shù)、提高蒸汽價(jià)值、降低能耗、降低污染物排放水平，我國(guó)的硫黃制酸裝置技術(shù)和裝備水平有了大幅度提高，但與國(guó)外先進(jìn)水平還有一定差距。

（2）可通過(guò)引入先進(jìn)的設(shè)計(jì)手段進(jìn)一步提高硫黃制酸裝置的工藝和設(shè)備設(shè)計(jì)水平，同時(shí)配合裝備制造工藝和質(zhì)量的突破，為超大型硫黃制酸裝置的國(guó)產(chǎn)化奠定基礎(chǔ)。

（3）將硫黃制酸裝置與其他裝置緊密聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)副產(chǎn)品和多余能量的高效利用和附加價(jià)值提升，循環(huán)經(jīng)濟(jì)和資源綜合利用成效將更加凸顯。