硫磺制酸裝置生產工藝及運行問題探討

王存申，孫兆輝(聊城魯西甲胺化工有限公司，山東 聊城 252000)

0 引言

目前，隨著國家安全管理、能源管控及環保要求越來越嚴格，硫酸企業面臨較大的生產經營壓力，需要持續改造、升級優化硫酸生產裝置，才能讓其與更高標準的安全、環保以及成本管理等要求相符合。近年來，諸多化工企業針對硫磺制酸裝置整體性能的有效提升花費了大量時間與精力，逐漸擴大我國硫磺制酸裝置規模，硫磺制酸工藝在我國化工行業得到了很好發展。一般而言，硫磺制酸裝置負荷較為穩定，但因受下游蒸汽使用或受產品銷售影響，硫酸裝置負荷也要進行適當調節，因此探索硫磺制酸裝置的高效運行有著重要意義。

1 相關工藝流程

工業中制造硫酸的主要方法是硫磺制酸或硫鐵礦經過沸騰焙燒，煙氣經水洗凈化后，在V2O5催化劑催化作用下，經過“兩轉兩吸”工藝，二氧化硫最終轉化為三氧化硫，生成的三氧化硫氣體經過煙酸塔或98%硫酸酸吸收，最終生產出不同濃度的成品硫酸，尾氣經過堿液或雙氧水吸收后排空處理。在硫磺燃燒過程中或硫鐵礦在沸騰焙燒過程中產生的大量熱量，通過余熱鍋爐回收熱量、汽輪發電機進行發電。

2 長周期運行條件分析

2.1 設備

在設計主要非標設備過程中，應對其進行優化，有效減少運行過程中的故障問題，比如將鐘罩閥設計為廢熱鍋爐副線閥，采用高硅不銹鋼材質的酸管等。選擇較為可靠的關鍵運轉設備，還要選擇比較可靠的電氣設備、儀表以及閥門等。

2.2 工藝設計

在優化工藝設計過程中，要將有纖維濾紙式空氣過濾器設置到主風機進口處，有效避免系統中進入灰塵后阻力增加、催化劑被損壞等問題的出現。主風機作為塔前風機，可以減少風機腐蝕、葉輪不平衡問題。在實踐過程中，可以采用預熱爐與預熱器進行轉化器升溫工作，避免升溫煙氣的水分與其他雜質對催化劑、設備等帶來損害。另外，還應重視對裝置的低負荷生產性能，讓其滿足相應的蒸汽負荷需要[1]。

2.3 釩催化劑

在硫磺制酸裝置中，釩催化劑發揮著重要作用，其在生產成本中占據了很大比重。如果想讓催化劑的使用壽命得到延長，應首先對高效催化劑合理選擇，然后對進入轉化器煙氣中的水分與酸霧含量進行嚴格管控，還應盡可能地讓裝置停車次數減少。

2.4 生產操作流程

提高硫磺制酸裝置的運行周期，應優化其生產操作流程。第一，在裝置短期停車情況下，鍋爐供汽未開工，要對中壓廢熱鍋爐蒸汽余壓使用至較低壓力等級的生產設備上使用，提高蒸汽利用率，減少蒸汽放空。第二，對鍋爐給水管道及噴水降溫管道進行定期檢驗，在裝置大修期間對有缺陷的管道進行更換處理，提高裝置運行穩定性。第三，對裝置連鎖條件進行優化，采用二選二聯鎖或三選二聯鎖，避免出現因儀表失靈觸發連鎖造成裝置停車的現象。第四，增加給水自動加藥設施，利用遠程自動配置氨水取代以往現場人工配置氨水操作環節；增加余熱鍋爐自動加藥設施；增加余熱鍋爐定期排污調節閥，利用遠程操作取代以往鍋爐定排人工操作模式，讓降低操作人員的勞動強度，減輕作業安全風險。第五，增加液體硫磺自動調節設施，穩定焚硫爐硫磺進料量。

3 硫磺制酸裝置的設備優化選擇

3.1 鼓風機

在硫磺制酸裝置中，透平風機主要由于鼓風機、汽輪機等組成。在常壓情況下，硫磺制酸過程中的空氣需要經過過濾、增壓、干燥以及焚硫等多個工序，其中就涉及到過濾器、鼓風機、焚硫爐等設備。鼓風機科采用軸流壓縮機，具有較高壓頭，且有著較大風量，阻力對風機風量變化的影響并不大。軸流壓縮機在克服阻力運行方面有著很強的優勢，將軸流壓縮機與汽輪機組合使用，其效率明顯提高，且運行十分穩定，投資成本也不高。

3.2 廢熱鍋爐

蒸汽壓力為3.82 MPa、產汽量為123 t/h、溫度為255 ℃的雙鍋筒火管型鍋爐在硫磺制酸裝置中最為常用。由于催化劑受到轉化催化劑與焚硫爐的升溫操作的影響，若想使催化劑層阻力不加大，必須要升溫硫磺制酸裝置。硫磺制酸裝置中的轉化系統一般不會將焚硫爐升溫過程中產生的油煙摻雜其中。為了防止因升溫時出現的油煙對催化劑產生影響，要盡量避免油煙污染催化劑的使用，而要經過調節讓轉化器干空氣壓力大于煮爐烘爐煙氣壓力。

3.3 除霧器

干吸塔有很多種不同的結構，除霧器設置在塔內結構上，分酸器、填料以及支承填料格柵等設在塔內結構下部。不僅如此，除霧器還設置在干燥塔、第一吸收塔、第二吸收塔上。在整個生產系統壓力降中，總壓力降占據了很大的比重，且隨著運行而不斷增加，會大幅度影響到能耗。我國不僅引入了很多除霧器，也進行了除霧器的自行開發，選擇具有較好質量、壓力降小，且方便采購更換、性價比高的除霧器，有助于硫酸生產能耗的降低。

3.4 焚硫爐

在硫磺制酸裝置中，約5 m內徑、長約16 m的臥式焚硫爐最為常用，輕質保溫磚與粘土耐火磚在其外部，耐火層結構與石棉板在其內部。針對這樣的焚硫爐，為了讓焚硫爐受熱產生的熱應力得到消除，必須要對設備設置砌體膨脹縫。與此同時，還要設置三道內層耐火磚擋墻在焚硫爐內部，為硫磺充分燃燒提供重要保障。焚硫爐一般采取環板式膨脹結構，出氣口與工藝管道處于連接狀態，來進一步提高設備的密封性、完好性。若想確保焚硫爐在受熱過程中可以實現伸縮自由，要進行基礎墊板鞍式支座設置安裝。一般而言，若要在溫度變化過程中滑動自由，都是直接在基礎墊板上安裝鞍座，只需要焊接固定焚硫爐出氣口的鞍座與墊板[2]。

3.5 轉化器

在硫磺制酸裝置中，積木式轉化器結構較為常見，一般采用304L不銹鋼材質，從上至下按照四、三、二、一布置轉化器結構，增加各段進出口管膨脹結，對轉化器進出口溫度高、應力大的出口處，必須要采取保溫、防雨等保護措施。在開車時，其有著很大的溫度變化，設備受熱產生應力，在焊縫處拉裂泄漏現象極易出現，且因為煙氣中含有硫化物和溫差較大，有很大的修補難度。通過合理布置，讓轉化器床層轉化系統的管道長度有效縮減，促使投資費用、管道阻力有所下降。

4 硫磺制酸裝置廢熱利用與節能

在硫磺制酸裝置設計中，廢熱利用與節能是需要重點考慮的問題，也是硫酸工業技術開發中的重點內容。

4.1 硫磺制酸裝置的廢熱

在硫磺制酸過程中，硫磺燃燒進而產生二氧化硫，二氧化硫經過氧化形成三氧化硫，三氧化硫經過放熱反應生成了硫酸產品。在這個過程中，很多不被工藝生產利用的熱量就叫做廢熱。從熱量衡算方面分析，一般情況下的硫磺制酸裝置生產的產品硫酸(w(H2SO4)=100%，下同)中，每噸硫磺燃燒熱與二氧化硫氧化反應后產生的熱量一共為4 000 MJ左右，在干吸工序中產生的壓縮熱大約為1 670～1 750 MJ，其中包括了干吸工序中的生成熱、混合熱以及鼓風機壓縮氣體產生的壓縮熱等。由于其流程、參數不同，其熱值也存在一定的差異性。前者中高、中溫熱在總反應熱中占據了70%左右，針對這些熱量生產蒸汽與電氣的回收，不僅可以滿足硫磺制酸本身運行中需要的蒸汽與電力，還會有很多剩余，這些熱量可以轉用到其他部門。根據對最近幾年來我國硫磺制酸裝置的利用與消耗情況的分析來看，將生產需要的電力、蒸汽、冷卻水等硫酸生產過程中需要的能量扣除掉，將生產過程中的熱損失扣除掉，每噸產品可以提供2 650～2 980 MJ給外部。根據硫鐵礦制酸中每噸產品可提供1 200～1 500 MJ能量給外部，折標準煤為40～51 kg范圍內，也就是說硫磺制酸裝置向外部提供的能力可折標準煤為90～100 kg。以一座800 kt/a硫酸的硫磺制酸裝置為例，每年向外提供的能量可以折72～80 kt標準煤，如果將干吸工序中產生的低溫熱回收，或有其他回收系統設置，將會提供更多能量給其他部門。

4.2 回收與利用廢熱

目前，在硫磺制酸過程中產生的高溫廢熱與中溫廢熱回收與利用受到重視。如果將裝置中的各種廢熱充分回收，盡可能避免生產中的熱損失，高、中溫熱轉化為低溫熱的情況減少，可以促使高、中溫廢熱的回收率得到提高，且讓蒸汽產生更多。在選擇鍋爐機組的過熱蒸汽壓力等級時，可以充分考慮裝置規模、蒸汽管網以及客戶的實際要求等多個方面[3]。壓力等級越高，對發電效率的提高更加有利。針對干吸工序中產生的低溫熱回收利用問題，在很早之前就開始了研究與探索。某企業曾經設計利用酸冷卻器進行低溫熱產生熱水的回收，還有一些企業將低溫熱產生熱水回收后，提供給周邊企業使用，但這些低溫熱產生的熱水并不具備較高溫度，用途也不多，利用率不高。所以，要進行新工藝技術的開發，為吸收系統生成硫酸的反應熱保持在高、中溫工況下提供保障，盡量不讓其轉化為低溫熱，有效提高反應熱的利用率。

4.3 節能

在硫磺制酸過程中，節能屬于重點考慮的問題。我國硫磺制酸企業在動力消耗方面呈現出較大差異性。導致這一現象的原因眾多，但硫磺制酸裝置設計的影響在其中占據了重要位置，企業管理也同樣需要重視。部分企業電耗較低，不僅是因其管理水平較高，有獨到的建廠理念，其在工藝技術、生產過程、選擇的設備等方面都十分理性務實。因此，硫磺制酸裝置的節能效果較好，值得總結并大力推廣。在項目前期準備工作中，相關工作人員要深入評估節能問題，確保技術方案在節能方面的合理性與有效性。首先，要進行先進可靠、節省能源的技術與設備的合理選擇，將不符合我國國情、高能耗、能源浪費情況較重的技術與設備淘汰，積極開發與應用節能效果明顯的新技術。比如，在硫磺制酸裝置中，鼓風機、酸泵就有很多節能機型可以選擇，如：汽輪機-鼓風機組、高壓電動鼓風機以及具有PLC控制的智能化變頻系統的酸泵等。值得注意的是，在選擇各種電氣設備與元件過程中，要根據相關的節能規范與要求，確保選擇的產品具有低能耗特點[4]。比如在高、低壓開關柜、操作箱、各種電纜等的選擇中，要選擇低能耗產品。要想供電系統的功率因數有所提高，促使無功損耗降低，可以進行相關電力電容器的裝設。為了讓系統中的能耗有所下降，工作人員可以對回收蒸汽的冷凝水作為鍋爐給水進行考慮，在保溫材料與保溫結構的選擇構建中，要選擇具有較好絕緣性的材料，并精心設計與施工作業，促使設備與管道熱損失下降，促進熱效率進一步提升。

5 硫磺制酸工藝的優化改進

5.1 優化控制焚硫爐風硫比

風硫比要控制其合理性，才能有效避免出現硫燃燒不完全生成升華硫的問題。一旦升華硫出現在轉化器一段，出現局部燃燒情況，會讓一段催化劑存在少量超溫燒結，進而增加其阻力。在正常操作過程中，要對風機出口風壓進行考慮，并對短期開車、停車的操作方式進行調節。在短期停車過程中，為了避免升華硫的產生，斷液硫后要減小風機負荷到最小值，持續吹3 min后才能停止；在停車之后，要利用干燥的空氣吹盡液硫管中的液硫，同時保證液體硫磺管道蒸汽伴熱正常運行；在系統停車之后，應將轉化各閥門關閉，防止出現對流將水分帶入其中，導致焚硫、轉化溫度下降。在開車過程中，要啟動風機1 min后開始噴硫作業，根據風壓、焚硫爐溫度等各項因素來調節噴硫量，有效防止升華硫的產生[5]。

5.2 改進焚硫轉化升溫操作方式

升溫轉化催化劑、焚硫爐升溫操作方式都會嚴重影響催化劑，如果升溫方式不正確、不合理，可能會增加催化劑層阻力。某企業在轉化升溫中采用間接升溫系統，與蓄熱式直接升溫方式相比，這樣的方式可以更好地避免轉化器中進入油煙、水分。在焚硫爐升溫過程中，出口溫度小于400 ℃，系統中不進入升溫氣體，放空鍋爐尾部放空管，促使柴油燃燒后的油煙、水分盡量不進入系統，確保開車后轉化器的阻力保持正常，保證其穩定運行。大修之后的升溫過程一般會先轉化升溫，轉化系統不會進入焚硫爐升溫過程中產生的油煙。但是，在鍋爐煮爐或者焚硫爐烘爐過程中，焚硫爐應同時進行轉化升溫，以免催化劑被油煙所污染，經過調節讓轉化器內的干空氣壓力比煮爐烘爐煙氣壓力更大，進而有效避免出現催化器被升溫時產生的油煙污染的情況。同時，在轉化器一段進口及四段進口增加增加升溫電爐，對轉化器進行升溫。在滿足升溫要求的情況下，電爐升溫方式更為環保，同時增加消除了污染系統的風險。

5.3 篩分、裝填管理催化劑

某企業的硫磺制酸裝置主要采用的是丹麥托普索(VK系列)催化劑，這種催化劑具有較小的堆密度，且有著較高強度，減小床層阻力。在進行篩分與裝填時，應盡量用最短時間來操作，盡可能地避免催化劑吸潮、粉化的問題，避免降低機械強度。在篩分催化劑時，應提前進行堆放場地的防水、防雨等工作，然后將大修篩分催化劑過程中需要用到的催化劑進行裝袋。在搬運催化劑時，不可采用吊包方式，由專人輕拿輕放進行碼包堆放，且不能踩在催化劑上進行堆碼。完成篩分后要由專人將碎的催化劑護送到指定位置，以免催化劑中混入碎催化劑。在裝填過程中，針對規格為200 L/桶的新催化劑要先進行分裝然后再開展裝填工作，以免在裝填過程中出現破包、踩踏等問題。裝填過程中，要及時將掉落在門口或通道中的催化劑處理干凈[6]。要站在木板上進行分層裝填或找平，清理扎口繩，讓其在轉化器之外，完成裝填后要對各人孔進行及時封閉。針對篩分與裝填催化劑工作，企業管理人員必須要加強監督與管控工作，尤其是裝填過程中不可在催化劑上走動、踩踏，有效避免催化劑被踩碎、踩實，增加開車后的阻力。

5.4 促使轉化器箅子板壓降下降

一般情況下，轉化器內各段支撐箅子板、篩網以及耐熱瓷球壓降保持在150 Pa左右，這一部位在運行過程中壓降很容易上漲。在裝填下部瓷球時，催化劑底部瓷球要發揮其支撐作用，對催化劑床層進行支撐，還要避免下漏小顆粒的催化劑堵塞出氣口。如果不進行催化劑下部瓷球裝填作業，與篩網直接接觸，由于篩網網眼很小，催化劑不具備較強的抗壓強度與黏結性，很容易出現粉塵與小碎片，進而發生篩網網眼堵塞的情況，進而升高床層壓降。減少裝填原箅子板上耐熱瓷球，先鋪設一層篩網在箅子板上，再鋪設耐熱瓷球，再鋪設一層篩網，然后進行催化劑裝填，可以讓氧化物或粉塵堵塞問題發生的可能性降低。

5.5 優化制酸尾氣處理系統

隨著國家環保管控越來越嚴格，尤其是部分地區屬于執行大氣污染物特別排放限值的地域范圍，對環保指標要求更加嚴格，需要對硫酸尾氣排放進行嚴格管控。目前，主要采用的處理方法為氨法吸收、雙氧水法和鈉堿法[7]。其中氨法吸收產品可作為產品處理，但在生產過程中控制不當會導致尾氣“拖尾”嚴重；雙氧水吸收脫硫效率高，但對生產裝置水系統平衡要求較高；鈉堿法吸收效果好，運行成本低，但副產亞硫酸鈉不易處理，但如果周圍有氯堿生產裝置，可為其提供亞硫酸鈉處理尾氯使用。

6 結語

硫磺制酸裝置的高效運行離不開相關設備、制酸工藝與管理手段的優化。目前，我國硫磺制酸工藝逐漸成熟，隨著科技不斷發展，相關工作人員要對硫磺制酸裝置的高效運行進行深入探索，提高硫磺制酸裝置的現代化水平，提高其節能減耗性能，提高裝置自動化程度，為企業創造更大的綜合效益，促進我國硫酸工業可持續健康發展。