低溫甲醇洗裝置酸性尾氣制硫酸裝置建設運行總結

申 靜，李戰學

(陽煤豐喜肥業〔集團〕有限責任公司，山西運城 044000)

硫酸是基本無機化工產品之一，主要用于化肥、冶金、石油、機械、醫藥及軍事工業等，還用于農藥、化學纖維、塑料、涂料以及各種有機和無機化工產品。硫酸最主要的用途是化肥工業，可用于制造磷酸、過磷酸鈣和硫酸銨等[1]，中國的化肥工業在硫酸消費上所占比例一直保持在50%～60%。

陽煤豐喜集團新建1套300 kt/a合成氨、520 kt/a尿素裝置，煤氣化采用自主研發的水煤漿水冷壁氣化技術，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，尿素采用二氧化碳汽提法工藝。在該項目上主要工段采用的都是國內主流成熟技術，不存在技術風險；但在對低溫甲醇洗裝置生產過程所產生的H2S酸性氣體的處理方式上，各企業有較大的區別。目前國內新建同類型合成氨裝置針對H2S酸性氣體基本都采用克勞斯硫回收技術來生產硫磺，而該新建項目的生產過程需要硫酸，因此需采用新技術將H2S酸性氣體處理后生產硫酸。經過多次調研，最終確定由在濕法制硫酸技術上具有自主知識產權的上?？蒲蠊こ坦咀鳛轫椖垦b置建設方，并由上海科洋工程公司以總包方式承建除土建外的整個工程。該項目于2015年3月開工建設，于2015年12月結束設備安裝。

ECOSA濕法制硫酸技術是上?？蒲蠊こ坦咀灾餮邪l的具有自主知識產權的新型低溫甲醇洗裝置酸性尾氣處理工藝，采用該技術的工業化裝置已經在山西陽煤豐喜集團建成并運行。該示范裝置運行情況表明，該氣化技術具有流程簡單、工藝指標先進、運行費用低、吸收效果好、產品質量高等優點[2-3]。

1 工藝原理及特點

該新建裝置采用的是上?？蒲蠊こ坦咀灾餮邪l的ECOSA濕法制硫酸技術，具有自主知識產權。該技術可處理體積分數為2%～90%的H2S酸性廢氣，同時制備93%～98%(質量分數，下同)的濃硫酸產品。該技術的主要生產流程及化學反應如下：

(1) 酸性氣燃燒反應

一定濃度的酸性氣在燃燒爐內發生燃燒反應，在一定溫度下使H2S全部轉化為SO2，同時放出大量熱量：

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

燃燒爐內的溫度通過酸性氣中的H2S濃度及配風比來控制。

(2) SO2催化轉化反應

2SO2+O2=2SO3+Q

燃燒產生的SO2經催化轉化后生成SO3，該反應為放熱反應，考慮到反應速率及轉化率等因素，通過冷卻器移出反應熱，以降低工藝氣反應溫度，進而提高SO2的轉化率。

(3) 生成H2SO4反應

燃燒過程產生的H2O與SO3發生反應：

SO3+H2O=H2SO4+Q

SO3與H2O反應生產的硫酸蒸汽通過冷凝器冷凝，生產出硫酸同時放出大量的反應熱。

上?？蒲蠊こ坦咀灾餮邪l的濕法制硫酸技術主要有以下技術特點：①采用過氧燃燒方式，不需要嚴格控制H2S與SO2的比例，操作簡單；②采用過氧燃燒方式，H2S完全燃燒放熱量大，反應室可維持較高溫度，解決了H2S濃度低、難轉化的問題；③主反應為放熱反應，可副產大量蒸汽，裝置運行費用低；④冷凝裝置設計合理、吸收效果好，排放尾氣中SO2濃度遠低于國家環保標準，且不排放廢液和廢渣，不產生二次污染。

2 新建裝置投資情況

該項目總投資約2 500萬元，其中土建投資200萬元，技術轉讓費、設計費、設備、安裝等其他投資2 300萬元。硫酸裝置主要設備共計17臺，其主要設備參數見表1。

表1 硫酸裝置主要設備參數

3 新建硫酸裝置運行情況

裝置利用山西陽煤豐喜集團300 kt/a合成氨、520 kt/a尿素項目中低溫甲醇洗裝置所產生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→硫酸降溫及調質→裝置熱量回收。

(1) 酸性氣燃燒

通過燃燒反應使H2S氧化轉化為SO2。低溫甲醇洗裝置送來的酸性氣中的H2S與燃燒風機引入的熱空氣在燃燒器預混后，在酸氣燃燒爐中發生燃燒反應生成SO2。燃燒風機入口設置空氣過濾器，避免空氣中的灰塵在裝置內沉積。燃燒爐內溫度維持在850～1 050 ℃，該溫度通過酸性氣中H2S濃度和配風量來控制。

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

(2) SO2催化氧化為SO3

反應充分的工藝氣體通過廢熱鍋爐回收熱量后進入組合反應器，組合式反應器為2層催化劑層和1層換熱器結構，工藝氣體依次通過催化劑床層和換熱器，使SO2轉化為SO3。在反應器前補充部分熱空氣，調節氧硫比例和反應溫度。從SO2反應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溫度約20 ℃)，然后進入冷卻器。

(3) 硫酸蒸汽冷凝

高溫條件下，SO3和水蒸氣反應生成H2SO4蒸汽。通過冷卻器的工藝氣體進入硫酸蒸汽冷凝器，在冷凝器內溫度進一步降低，促使硫酸蒸汽冷凝。285 ℃左右的工藝氣體進入冷凝器后由下向上流動，冷凝器管程內通入空氣，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。

空氣由冷卻風機送入硫酸蒸汽冷凝器，進入冷凝器管箱頂部，空氣進入后沿冷凝器管箱內部隔板橫向進入玻璃換熱管，與工藝氣體進行熱量交換。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) 硫酸降溫及調質

經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，避免高溫硫酸對管道和硫酸儲罐的腐蝕。

(5) 裝置熱量回收

裝置運行時不僅不消耗蒸汽，還副產少量蒸汽，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5.0 MPa(表壓)中壓蒸汽，同時過程氣冷卻器也副產5.0 MPa(表壓)中壓蒸汽，兩股中壓飽和蒸汽混合后通過SO2組合反應器段間換熱器換熱得到400 ℃過熱蒸汽，該過熱蒸汽送至界區外飽和蒸汽管網。

4 結語

裝置在聯動試車合格后，開車4 h生產出的硫酸質量即達到合格標準(硫酸質量分數達98%)，經處理后工藝尾氣滿足國家環保排放標準，裝置運行完全達到設計指標。裝置處理酸性氣氣量約450 m3/h(標態)，酸性氣中H2S體積分數約23%，可生產硫酸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)。實際運行表明，該硫酸裝置采用ECOSA濕法制硫酸技術，在清潔處理酸性廢氣促使其滿足環保標準達標排放的同時，生產出濃硫酸并副產蒸汽，不僅解決了環境污染的問題，滿足企業環保要求，同時還能產生良好的經濟效益，可幫助氮肥企業實現產品結構的多元化。

參考文獻

[1] 彭若銘.開發硫酸延伸產品的思考與實踐[J].精細化工中間體，1996(1)：16- 19.

[2] 凡殿才，王衛峰，高明林.ECOSA濕法制硫酸工藝裝置運行總結[J].化肥工業，2015，42(6)：63- 65.

[3] 科洋環境工程(上海)有限公司.國產ECOSA濕法硫酸技術在瑞星30萬噸/年合成氨裝置中的應用總結[C]∥2013年全國氮肥、甲醇行業技術經驗交流會暨航天煤氣化現場會資料匯編，2013.