硫磺制酸裝置大型化的探討*

李若松

（云南化工設計院有限公司，云南昆明 650041）

硫磺制酸裝置大型化的探討*

李若松

（云南化工設計院有限公司，云南昆明 650041）

介紹了我國硫磺制酸的現狀及發展歷程，并對我國典型的大型化的硫磺制酸裝置進行了簡述，同時，對硫磺制酸的技術發展、熱能回收利用情況、大型化裝置的質量管理辦法等進行了分析。

硫磺；硫酸裝置；大型化

1 硫磺制酸技術的現狀

我國硫磺制酸新起步于20世紀80年代，從8萬t／a的改造裝置開始，到目前最大生產能力已達100萬t／a。現在運行的約800套硫磺制酸裝置中，規模從年產幾萬到百萬噸，但大多集中在10萬～40萬t／a之間。裝置的技術水平也是多種多樣，世界先進與落后并存。

硫磺制酸裝置的大型化以2005年建成投產的云天化富瑞一期的80萬t／a硫磺制酸裝置和張家港雙獅一期的100萬t／a硫磺制酸裝置為標志。2005年以來，我國已經建成幾十套裝置規模在年產60萬t／a及以上的大型硫磺制酸裝置。

云天化國際股份有限公司富瑞分公司的80 萬t／a硫磺制酸裝置于2005年3月建成投產，是云南磷復肥基地國產化示范項目一期“836”工程配套裝置之一［1］。該裝置由中國石化集團南京工程公司設計，是國內第一套大型國產化硫酸裝置，除采用進口催化劑外，裝置的設備和材料實現了國產化。

雙獅精細化工公司的100萬t／a硫磺制酸裝置，是美國孟莫克公司采用當時最新的帶HRS技術的硫磺制酸技術，在江蘇張家港建設的并配套53MW發電機組的硫磺制酸裝置［2］。由孟莫克公司進行設計并提供進口設備及催化劑，國內工程公司進行標準轉換和土建、電氣工程設計以及國內配套設備的采購，于2005年4月投產運行。

云南化工設計院有限公司已經設計和承包建設了幾十套硫磺制酸裝置，大中小規模都有，大型裝置如云天化國際股份有限公司紅磷分公司帶HRS的80萬t／a硫磺制酸裝置、云南三環中化化肥有限公司120萬t／a磷銨工程Ⅱ期的80萬t／a硫酸裝置、湖北宜都興發有限公司80萬t／a硫酸裝置。

紅磷80萬t／a硫磺制酸裝置是我院總承包第一套大型硫磺制酸項目，在孟莫克的工藝軟件包基礎上，我院進行詳細設計。進轉化器的SO2質量分數為11.0%，轉化采用“3＋1”兩次轉化、“ⅢⅡ”換熱流程。轉化器為孟莫克積木式全不銹鋼結構、內裝孟莫克催化劑。積木式結構是較容易做規模放大的設計形式，轉化器的所有承重都落在可滑動的立柱上，直徑加大就隨之增加立柱數量。主鼓風機在干燥塔之前（干燥塔正壓操作），為國產的軸流風機，進風機的空氣經過了高效率的空氣過濾器過濾。焚硫爐為蝶形封頭的等徑圓柱體，內襯保溫磚和耐火磚，采用4支進口磺槍。鍋爐為雙鍋筒單汽包，轉化器第1段出口設置不銹鋼高溫過熱器，轉化器第4段出口設置低溫過熱器和省煤器且兩者疊加在一起，轉化器第3段出口在冷熱換熱器后設省煤器，中壓蒸汽系統產3.8MPa、450℃過熱蒸汽。干燥和二吸為兩塔一槽流程，塔體采用傳統碳鋼襯磚的蝶形底、瓷條粱，分酸器是國產帶陽極保護的槽式分酸器，干燥和二吸酸管道采用帶陽極保護的316 L不銹鋼。兩級的熱回收塔取代了傳統的一吸塔，HRS熱回收系統為不帶蒸汽噴射的典型流程，產0.8MPa的飽和蒸汽。該裝置是紅磷分公司的節能降耗減排項目，在增加硫酸產量的同時不增加SO2的排放，因此設置了尾吸系統。該裝置于2009 年9月開車以來，一直平穩運行。

云南三環中化化肥有限公司磷銨工程Ⅱ期的80萬t／a硫酸裝置是我院總承包又一套大型硫磺制酸項目，也是在孟莫克的工藝軟件包基礎上，我院進行初步設計和施工圖設計。除不帶低溫位熱回收系統外，整個工藝與紅磷相仿。進轉化器的SO2質量分數為11.0%，轉化仍為進口催化劑。主鼓風機亦在干燥塔之前，不過，采用的是進口的離心風機。干吸采用三塔一槽流程，干吸塔在襯磚前還襯了一層高硅不銹鋼，分酸器是進口的不帶陽極保護的槽式分酸器，酸管道是不帶陽極保護的國產高硅不銹鋼。該裝置沒有尾吸系統，于2011年10月開車，平穩運行至今。

2 硫磺制酸技術的進展

硫磺制酸技術的進步伴隨著裝置規模的擴大而不斷提升。首先體現在進轉化器SO2質量分數的不斷提高，已經從10%以下提高到11.5%，甚至12%。提高SO2質量分數不僅僅是為了提高蒸汽產率，而且還在于減小設備尺寸、降低裝置投資、提高經濟效益。表1列出了在不同SO2質量分數下的干空氣氣量及蒸汽產量。當SO2質量分數從10%提高到11.5%時，不僅蒸汽產率提高了1.6%，而且所需的干空氣氣量也減少了13%。也就是說，對于干吸塔和轉化器直徑相同的設備，可以增加13%的產量。

表1 SO2質量分數與氣量及蒸汽產量的關系Table 1 Relationship of SO2quality scores with the productions of gas and steam

隨著SO2質量分數的提高，焚硫爐的溫升增加、出口溫度也相應提高，需要有更高溫的耐火材料以及更可靠的耐火層設計。幸運的是，現在的耐火層設計已經能夠經受1 600℃的高溫且能長期運行。SO2質量分數的提高，轉化器的溫升就增加，因為SO2的轉化是可逆反應，SO2質量分數的提高意味著氧濃度相應降低，SO2的轉化難度就大大增加。特別是，第一段溫升的增加使得出口溫度會超過催化劑的耐熱極限，但含銫催化劑的出現解決了這一技術難題（含銫催化劑降低了催化劑層的進口溫度）。

SO2質量分數的提高，體現在吸收塔上的困難是出塔酸溫的提高。一吸塔的出口溫度會高達115℃，帶陽極保護的316不銹鋼經受不了這樣的高溫。高硅不銹鋼材料，如孟莫克的ZeCor－Z合金以及國產的合金材料，都能很好地經受這樣的環境，有著長期運行的經驗。

耐腐蝕合金材料的出現，是制酸技術進步的又一體現，它為干吸塔及管道的大型化解決了關鍵問題。現在，高硅不銹鋼不僅用于酸管道，而且已經用于所有與酸接觸的部件，如分酸器、除霧器、填料支撐等。不襯磚的大型干吸塔已經在國外多個裝置使用了十多年。

槽式分酸器的應用是干吸塔的重大技術進步，除了保持每平方米43個以上分酸點外，分酸更均勻、酸沫量更少、酸量變化范圍更大，這就免去了填料層的二次分酸功能，使得主填料高度降到2.5 m以下。填料高度降低，填料層的阻力降相應降低，就可以相應提高空塔氣速、減少塔徑。空塔氣速提高，使得填料的液膜厚度增加，從而增強吸收效果。

3 熱能回收

焚硫及轉化的中高溫熱能基本都已經回收，主要用于產生中壓及次中壓蒸汽。對于規模較大的裝置，廢熱鍋爐已經設計成雙鍋筒單汽包型式，這為硫磺制酸裝置進一步大型化奠定了基礎。高壓、高溫過熱器位于轉化器第1層出口，為帶翅片管的全不銹鋼設備。轉化器第4層出口為低溫過熱器和兩個省煤器組成，該3臺設備外殼一體化、上下站立式布置，即節省了占地空間，又減少了氣體管道。

對于吸收SO3產生的低溫位熱能，回收后用于產生低壓蒸汽。主要技術有孟莫克的HRS技術、中石化南京工程公司的低溫位熱回收技術以及奧格利的低溫位熱回收技術。在國內的幾十套帶低溫位熱回收系統的裝置中，這3種技術都有應用，且都在運行。不過，在我國近400套的硫磺制酸裝置中，帶低溫位熱回收系統的裝置比例還是很低的。這是因為低溫位熱回收系統的投資較大，且裝置規模越小，單位投資越大。

能量回收在硫酸裝置中占有的份量越來越重，而硫酸漸漸失去了主產品的地位，如雙獅的兩套100萬t／a裝置，其目的就是發電，硫酸只是其副產品而已。從能源角度來看，硫酸裝置是不排放二氧化碳的綠色能源工廠。帶低溫位熱回收系統的硫酸裝置，對環境效益來說是雙重的——既回收了蒸汽，又減少了循環水用量。因此，隨著能源價格的增加，提高能量回收利用率將是提升硫酸裝置效益及市場競爭力的有效途徑。

4 再大型化

目前，國際上已經建成多套150萬t／a硫磺制酸裝置，且有很好的運行業績。如澳大利亞Anaconda Nickel的4 400 t／d裝置、美國PCS的4 100 t／d裝置、摩洛哥OCP的4 200 t／d裝置。

表2是國內大型硫磺制酸裝置主要設備的技術指標。由于大氣壓力不同，在昆明地區80萬t／a硫磺制酸裝置的設備指標，相當于沿海地區100萬t／a硫磺制酸裝置的設備指標。如果在昆明地區建設一套120萬t／a硫磺制酸裝置，那其設備就相當于在沿海地區建設了一套150萬t／a裝置的。

表2 大型硫磺制酸裝置主要設備的指標Table 2 Index for major equipments of large sulfuric acid plants

目前許多企業有著多套中小型的硫磺制酸裝置。由于建設年代較早，技術水平相對落后，維修費用較大，維修周期較長。將這些中、小裝置合并成一套大型裝置是技術升級改造不錯的選擇。用2套40萬t／a裝置的投資建設一套120萬t／a裝置，不僅多得到了三分之一的產能，而且減少了近一半的操作人員和場地，經濟效益可想而知。

5 模塊化

硫酸裝置已經從過去粗放地追求建設速度到了關注裝置運行的連續性和可靠性，國外很多硫磺制酸裝置的年平均停車時間只有兩三天。建設質量是裝置連續長周期運行的可靠保證，而全現場制作模式則是制約裝置建設質量的重要原因。

模塊化就是最大可能地在車間制作，盡量減少現場的焊接工作量。車間不僅僅是預制，而是最大化地組裝，然后再拆開運往現場。對于小型裝置，整臺轉化器，整個塔，甚至整個轉化工段、干燥工段都在車間組裝完成后整體運往現場。

模塊化對海外項目更具有競爭性，因為外國業主更注重裝置的整體質量。而且，海外項目中，現場合格工人的來源困難、人工費用高，這是制約海外項目質量、費用及進度控制的關鍵。

不過，模塊化不是簡單地提高車間制作比例，需要設計協調好組裝、運輸、拼裝之間的相互關系，才能達到提高裝置整體質量的目的。我院在初步嘗試總承包模式后，將進一步提高管理水平，為提高硫酸裝置建設質量作貢獻。

［1］ 孫正東.800kt／a硫磺制酸裝置設計概要［J］.硫酸工業，2005（6）：

［2］ 丁華.雙獅精細化工3000t／d帶HRS硫磺制酸裝置［J］.硫酸工業，2008（1）：

Discussion on Large－scale Sulfuric Acid Plants

LI Ruo－song

（Yunnan Chemical Design Institute Co.，Ltd.，Kunming 650041，China）

A summary of the current situation and development process of China＇s sulfuric acid and the typical size of the sulfuric acid plants were briefly introduced，while the technical development of sulfuric acid，and heat recycling quality cases，large－scale device management measures were analyzed.

sulfur；sulfuric acid plant；large－scale

TQ111.1

A

1004-275X（2014）06-0043-04

12.3969／j.issn.1004-275X.2014.06.011

*特約稿件

收稿：2014-09-25

李若松（1969-），男，云南昆明人，高級工程師，中國硫磷技術委員，主要從事化工建設項目總承包管理工作。