年产20万吨硫磺制酸基本工艺设计.doc

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1.1.1 设计规模
设计规模:20万吨/年
1.1.2 产品及规格:
原料：硫磺 规格：含水:0.24% 灰分:0.72%
产品：98%浓硫酸
规格：产品质量原则执行中华人民共和国工业硫酸原则（GB / T 534-）一等品规格，硫酸质量符合下表规定。
表1.1 硫酸质量指标表

指标名称
浓硫酸
1
硫酸（H2so4）≥
98.0
2
灰粉%≤
0.03
3
铁（Fe）含量≤
0.01
4
砷(As)含量%≤
0.005
5
透明度mm≥
50
6
色度ml≤
2.0
1.1.3 硫酸性质及基本用途
硫酸纯品为无色油状液体。工业品因含杂质而呈黄、棕等色。密度(液态)1.831g/cm3。凝固点10.36。沸点(330±0.5)℃。98.3％硫酸水溶液为恒沸混合物，沸点339℃。一种活泼二元无机强酸。能与许多金属、金属氧化物或其她酸盐类反映生成硫酸盐。浓硫酸具备强烈脱水作用和氧化性。能使木材、纸张、棉麻织物等强烈脱水而炭化。与水混合反映激烈，放出大量热。用水稀释时应在不断搅拌下将硫酸缓缓注入水中，切勿将水注入酸中导致溅酸伤人。低于76％硫酸与金属反映放出氢气。生产办法有接触法和硝化法。重要用于生产磷酸，磷肥，各种硫酸盐，二氧化钛(硫酸法)，洗涤剂，染料，药物，合成纤维等。也可用作搪瓷、金属酸洗剂，有机合成磺化剂和脱水剂，以及用于金属冶炼，石油精制和电子工业等。用工业硫酸在石英设备中蒸馏提纯，或以去离子水吸取三氧化硫制成纯品，再经微孔过滤膜进行超净过滤而得半导体及硫酸。超净高纯试剂。是半导体工业用量最大化学品。普通和过氧化氢一起用于除去晶体上已完毕屏蔽作用光刻胶，或作腐蚀剂。还可用作电子产品清洗剂和腐蚀剂。用纯净水吸取干净三氧化硫气体制得蓄电池硫酸。也可用蒸馏法、吹出法对工业硫酸提纯制得。用作铅酸蓄电池中电解液和电镀等。
1.1.4 国内硫酸工业发展状况【1】
国内硫磺制酸工业随着国民经济发展得到了迅速发展。据记录,1994 年全国硫酸总产量15 300kt ,硫磺制酸只占总产量1. 0 % ;而 年全国硫酸总产量30 510. 93 kt ,硫磺制酸产量已占总产量36. 4 %。预测至 年、年硫磺制酸产量将占当年总产量41. 4 %、42.1%。不但产量增长,硫酸生产技术进步也很明显。在生产发展中技术不断进取是国内硫酸工业特点。特别是20 世纪80年代以来,加强与国外技术交流和国际合伙,引进某些工艺技术和先进设备,通过消化和吸取国外先进技术,开发了许多新设备、新材料,使国内硫酸生产技术水平有了很大提高,逐渐缩小了与世界先进水平差距。采用国产化技术建设硫酸装置始终是国内硫酸工业主体。
从生产硫酸原料看,硫磺是世界硫酸生产从生产硫酸原料看,硫磺是世界硫酸生产重要原料(占65 %以上) 。20 世纪90 年代以来随着污染控制日趋严格,石油和天然气回收硫磺不断增长,已取代天然硫成为硫磺市场主体(近年记录数据为87 %) ,世界硫磺价格虽有波动,但尚能承受。国内由于硫磺资源缺少,始终以硫铁矿为重要原料。近十年来由于国际市场硫磺供应充分,同步国内石油、天然气回收硫数量也在不断增长,硫磺制酸有了迅速发展。与硫铁矿制酸相比,硫磺制酸在建设投资、水电等消耗,以及原料运送量都低得多。硫磺还是一种清洁原料,生产过程对环境污染较小,环境效益突出。适度发展硫磺制酸,使硫酸生产原料多元化,已成为国内硫酸工业发展方略之一。由于硫酸需求量和生产量都比较大,而硫酸生产过程处在高温和强腐蚀介质中,排放气体中存在污染环境有害成分,因而当代硫酸生产技术被工程界、科技界广泛关注,并发展到比较高水平。
国内硫磺资源较少，硫磺年产量近年来维持在30万吨左右，依照关于部门预测，国内在此后10-15 年内，为满足国内对油品需求，进口原油量将达到1 亿吨，并且大某些为中东高硫原油，在加工过程中必然会产生大量硫化氢气体；同步内地炼厂对原油深度加工，也会副产大量酸性气体。因而，在可预见将来，国内回收硫磺总产量会有较大幅度增长。将来5至10 年间，国内回收硫磺预测可达到100-150 万吨，扣除工业用硫磺30-40 万吨，尚有100万吨以上硫磺可用于硫酸生产。预测国内进口硫磺总量将达到800万吨，届时硫磺制酸产量将占国内硫酸总产量30 %。国内对硫磺需求迅速增长将引起世界市场硫磺供求和价格波动，若不及时加以恰当控制，当国内硫磺进口量占到世界硫磺贸易量20%时，世界市场硫磺价格将浮现不断上涨趋势，国内硫磺制酸将面临极大风险，同步会导致硫铁矿公司萎缩，使国内硫酸工业以及需要硫酸工业受到极大损失。因此应引起高度注重和适度控制。进入本世纪,国内硫酸工业增长势头加快，年平均增长幅度已达到12.54%。自以来，国内硫酸产能与产量已成为世界最大硫酸生产国和消费国国内硫酸产量4430万吨，与硫酸产量2350万吨相比，产量几乎翻了一番,是全球硫酸总产量25%，并成为全球硫酸市场最为活跃贸易量大国家之一，也是硫酸进口量较大国家之一。进入本世纪，国内硫酸工业以每年递增一种百分点速度持续增长。国内硫酸70%用于化肥生产,其他为化工,农药,医药,冶金,纺织等工业。国内硫酸产量局限性需，每年须进口硫酸与硫磺来满足日益增长市场需求40%左右。出口量相对较小，1-5月份，硫酸出口量占总产量0.0047%，仅是去年同期1/2。上半年，国内硫酸产量将达到2550万吨，全年产量将达到5100万吨，增长幅度将达到12.8 %。国内硫酸工业当前正处在迅速发展时期。
1.1.5 硫酸在国民经济中重要性
硫酸是化学工业重要产品，又是许多工业生产重要原料。硫酸经常被列为国家重要化工产品之一，人们往往用硫酸年产量来衡量一种国家化工生产能力。硫酸在国民经济各个方面都具备广泛用途，在关于化学工业方面特别重要。硫酸因此被誉为化学工业发动机。硫酸是一种非常重要化工原料，几乎所有工业都直接或间接地用到它。硫酸最大消费者是化肥工业，用以制造磷酸、过磷酸钙和硫酸铵。在石油工业中,硫酸用于产品精炼。钢铁工业需用硫酸进行酸洗。在有色冶金工业中，需用硫酸配制电解液。硫酸是硝化工序不可缺少脱水剂。硫酸还是当代氟工业基本。其她如制革、造纸、电镀、印染、医药、农药、炼焦、蓄电池、合成洗涤剂等生产也都需用硫酸。
硫酸也是十分重要化工基本原料，被人称为化工之母，衡量一种国家或者一种地区经济与否发达，一方面就看这个地区硫酸产量。国内硫酸工业开始于19世纪，19世纪70年代此前，咱们过硫酸基本依托进口，用黄金互换。当前国内硫酸工业飞速发展，从1949年年产4万吨，到2356万吨每年，以每年20%高速增长。
自从加入 WTO后，中华人民共和国彻底打破了资源局限性，在全球范畴内对资源进行优化配备，硫酸工业原料也依照国际市场进行重组，一统天下硫铁矿制酸，几年之内就被逼退到只剩半壁江山。全国也将关闭四万吨如下硫铁矿制酸，硫磺制酸法受到制酸界广泛关注。国内硫磺资源较少，年产量常年维持在30万吨，依照关于部门预测咱们过将来10-内，为满足对油品需求，原油进口量将达到一亿吨。其中大某些为中东高硫原油，其加工中必然产生大量硫化氢气体；同步内地炼油厂对原油深度加工，也会产生大量酸性气体。因而，国内硫磺回收总产量在将来5-间预测可达到100-150万吨，除去工业上用硫磺30-40万吨，尚有100万吨以上硫磺可共用于硫酸生产。
国内硫酸体现消费量为3565.2万吨。其中磷复合肥占67.6%，增长18%；其她化肥消耗4.1%；非化肥用酸28.3%增长8.7%虽然国内产量增长不久，但还是无法完全满足需求。进口硫磺499万吨，比上年增长22%；进口硫酸193.9万吨，与上年基本持平。同步国内硫酸产量也达到了3371.2万吨，增长10.5%，挣脱了长期以来位居次席地位，超越了美国3050-3100万吨。由于硫磺进口价位始终居高不下。某些硫磺制酸装置改回硫铁矿制酸，使硫铁矿制酸产量达到了1303.4万吨，比增长了8.1%，占总产量38.7%；硫磺制酸产量为1260.9万吨，占总产量37.4%；冶炼烟气制酸产量为752.1万吨，占总产量22.3%；磷石膏以及其她制酸产量为54.7万吨。
硫酸产量以及市场显现近年未见好形势，其中有两个因素：一是从底开始，中央紧抓三农问题，出台一系列对化肥公司好政策，增进了磷复合肥特别是高浓度磷复合肥生产，复合肥每月以同比20%以上速度增长；二是国民经济迅速增长，增长了对硫酸需求，因而，硫酸每月产量同比增长都在18%以上，全国硫酸市场上一度浮现供不应求形势，价格一路上扬。全国硫酸产量3994.6万吨，同比增长了18.5%其中产量最大是云南。
1-2月总产量为669.4万吨，比同期564.9增长了18.5%。预测硫酸产量可超过4400万吨，同比增长10.1%；其中硫磺制酸万吨，同比增长23.2%；冶炼烟气制酸900万吨，同比增长4.7%；硫铁矿制酸1450万吨同比增长1.4%；其她制酸55万吨，与去年基本持平。进口硫酸175万吨，由于韩国硫酸减少，总进口量比进一步下降。
运用废热能源，硫资源带来废热能源是硫酸行业得天独厚优势，石油、天然气、煤等重要能源原料供不应求更加反映出硫酸行业废热能源弥足贵重。对国内硫酸公司来说和国际市场完全平等接轨将意味着硫酸价格进一步下降。当前，西北欧硫酸公司出售硫酸废热能源获得利润，已经远远超过了销售硫酸获得利润。因而充分运用硫酸系统高中低温位废热能源是十分必要。国内既有运用硫酸系统中压蒸汽发电硫酸公司只占硫酸公司总数10.6%，数量太少，应当积极运用热管技术等新技术回收硫酸中废热，提高国内硫酸废热回收水平。
对于中华人民共和国硫酸工业来说，21 世纪是一种全新发展阶段，加入WTO 所产生影响是巨大而深远。 资源全球化配备、国外资金与技术全面介入，必将打破中华人民共和国硫酸工业原有格局，咱们技术水平、生产管理水平也将因而而跃上一种新台阶。对于公司来说,机遇与挑战并存，只要迅速树立“国际准则”观念，及时调节发展方略、不断提高竞争实力,就可以成功地立足于国内乃至国际硫酸市场。面对将来，咱们布满信心：通过入世风雨涤荡之后，中华人民共和国必将跻身于世界硫酸强国之林。
环保达标成为公司生存首要条件。21世纪是绿色世纪，实行是可持续发展战略，公司命运与环境关系比以往任何时候都更为紧密。依照国内当前《大气污染物综合排放原则》，新建装置二氧化硫最高容许排放浓度为960mg/m3。大型装置，特别是硫磺装置，只要设计合理、管理严格完全可以达到这一原则。因而硫磺制硫酸拥有较好工业使用前景。
1.3生产路线选取论证
1.3.1硫磺制取硫酸主流程方块图

图1.2硫磺制取硫酸主工艺流程图
1.3.2 硫磺中杂质对制酸工艺影响【2】
硫磺中杂质重要有灰分、水分、酸度和硫化氢等,它们对制酸工艺影响分述如下:
1. 灰分
硫磺,特别是回收硫,在产出时灰分含量是比较少。但它们以固态通过堆存、装卸和运送,以及顾客库存,将受到各种固体杂质污染,使其灰分含量增长。硫磺中灰分能污染加热表面而减少它传热系数,某些灰分在熔硫槽、澄清槽中沉降,过多灰分将缩短熔硫槽和澄清槽清理周期。原料硫磺(固态)灰分含量普通不适当超过0.05%。
2. 水分
硫磺中水分在熔硫和液硫澄清过程中基本上所有被蒸发掉。硫磺中水分多或少,仅影响熔硫时蒸汽消耗量。与完全没有水分时比较,每含1%水分,熔硫蒸汽理论消耗量(指完全没有热损失时)增长16.6%。
液态硫磺含水分0.01%～0.03%是正常.固态硫磺当含水分在1%以上,熔硫时则激烈起跑,影响正常操作。水分含量增高,则酸度增长,贻患无穷。
3. 酸度
硫磺中酸度(以H2SO4计)呈游离态。这些酸是在潮湿环境和在细菌作用下,硫被空气缓慢氧化而形成。在熔硫时,它积聚在液硫表面而被分离出来,不会影响焚硫和转化工序操作。但酸度过高则严重腐蚀熔硫设备。
4. 硫化氢
烃类与液态硫会通过下列缓慢反映而产生少量硫化氢:
8C5H12 +13S →5C8H14 +13H2S
美国Texasgulf公司曾对硫磺贮槽中发生H2S爆炸事故进行过研究,对硫磺贮槽上部空间气体进行分析,气体中除经常具有浓度不等H2S外,还存在浓度恒定为0.01%(mol计)C8H14. H2S。有可以达到或超过燃爆浓度(常温下为>4.3%,但液硫贮槽温度132℃下为>3.4%)。但回收硫中,烃类含量少,不会达到爆炸限,而C8H14浓度始终恒定,可以以为它已经与硫磺中烃类达到平衡。在138℃如下,烃类与硫反映速度很慢,生成H2S能溶解于液态硫中。H2S在液硫中溶解度随温度上升而增长,这种反常现象是由于反映生成多硫化氢(H2S4)之故。温度减少也有分解出H2S倾向。
1.3.3 硫磺制酸与硫铁矿制酸优缺陷比较【3】
当前国内硫酸工业是硫铁矿制酸和硫磺制酸为主。随着生产技术发展和市场经济变化，硫磺制酸体现了越来越多长处：
1.沿海地区原料到厂价格约为450-550元/吨，国内硫铁矿到厂价格为200 -220元/吨（折35%S）。硫磺制酸消耗水、电和原料费用低于硫铁矿制酸。生产成本减少有助于公司提高经济效益；
2.硫磺制酸装置中省掉了焙烧、净化工段，只有熔硫、焚化、转化、干吸、成品工段，原料加工也比硫铁矿制酸装置简朴，因而工艺流程短，物料解决量少，设备少，建设工期短。其基建投资约为硫铁矿装置50%。也减少了装置管理费用。
3.原料运送量少，硫磺杂质少，产品质量好，单位产品能耗低，热能运用效率高。
4.废物排放量少，有助于环保。
由于上述因素，采用硫磺为原料制取硫酸有更大优越性。

第二章 工艺某些
2.1 重点设计工序生产基本原理【4】
二氧化硫氧化为三氧化硫反映为：

此反映是体积缩小、放热、可逆反映。这个反映在工业上只有在催化剂存在条件下才干实现。
其平衡常数为：

式中， P、P、P分别为SO3、SO2、O2平衡分压。在400～700℃范畴内，其平衡常数与温度关系为：

由此可见，平衡常数在一定范畴内随温度升高而减小。
平衡转化率在某一温度下反映了该化学反映可以进行限度。其表达式为：

若系统压力为P（MP），
初始气体摩尔构成为：SO2 a%O2 b%
以100 mol 初始气体混合物为计算基准，则达平衡时：
被氧化SO2量： aXT mol
消消耗O2量：0.5aXT mol
剩余O2量：b-0.5aXT mol
平衡时混合气体量：100-0.5 aXT mol
故氧分压可以表达为：

故平衡转化率为：

2.1.1 最佳温度选取
SO2氧化成为SO3 反映是可逆放热反映，反映温度对反映影响很大。从平衡转化率角度，温度低，平衡转化率就高，操作温度低有利；从反映速率角度，温度高，反映速率就快，操作温度高有利，但是催化剂有活性范畴，太高太低都不行。
反映是由化学动力学控制，可由动力学模型用普通求极值办法导出最佳温度计算公式：

其中， Tm –最佳温度
Te –平衡温度
R -气体常数
E1 E2 –正逆反映活化能
最佳温度与平衡温度关系式是依照反映动力学导出。当催化剂颗粒较大时，内扩散影响不能忽视，此时宏观动力学模型很复杂，需要用催化剂表面运用率作修正。此外，如果最佳温度计算值超过了催化剂活性温度范畴，必要用催化剂活性温度来拟定操作温度，也就是说最佳温度要在催化剂活性温度范畴内才故意义。
2.1.2 SO2最适当浓度选取
SO2最适当浓度必要要保证产量和最大经济效益硫酸产量决定于送风机能力。硫酸厂系统阻力70%集中在转化器催化剂层。SO2浓度过低，将会影响硫酸产量。但要是增长SO2浓度，又必要要增长催化剂填装量。也就增长了催化剂层阻力。SO2最适当浓度和催化剂层阻力有很大关系。实践中，在两转两吸工艺条件下，SO2进口浓度在9.8%最适当。
2.1.3 SO2氧化反映动力学
二氧化硫在催化剂表面上氧化成三氧化硫过程普通以为分四步进行:
1.催化剂表面活性中心吸附氧分子，使氧分子中原子间键断裂成为活泼氧原子；
2.催化剂表面活性中心吸附二氧化硫分子；
3.彼吸附二氧化硫和氧原子之间进行电子重新排列，化合成为三氧化硫分子；
4.三氧化硫分子从催化剂表面脱附下来，进人气相。
上述过程总反映式为:

这四步中，对于钒催化剂来说，氧吸附最慢，是整个催化氧化过程控制环节。国际上对SO2在钒催化剂上氧化反映动力学进行过系统研究，由于催化剂构造、特性以及实验条件不同，所得到动力学方程也不相似，至今比较承认是波列斯科夫方程。但是国内学者向德辉考虑到逆反映速度影响，提出了SO2在钒催化剂上进行氧化反映本征动力学模型。（SO2，O2起始浓度a，b以及转化率X ）

SO2摩尔分率

将此三式代入动力学方程式便可得：

2.1.4 催化剂选取
在硫酸生产过程中,研制耐高温高活性催化剂相称重要,普通催化剂容许起始∮(SO2)在10%如下,若能提高它们耐热性,在高温下仍能长期保持高活性,就可以容许大大提高起始∮(SO2),不但能增长生产能力,减少生产成本,并且能获得满意SO2转化率.当前国内广为采用是S101-2H型、S107-1H型和S108-H型三种催化剂,它们为环状钒催化剂.比较先进有S101-2H(Y)型、S107-1H(Y)型,它们是菊花环状钒催化剂,床层阻力降比上述二系列催化剂基本相似,催化剂化学成分同上述二系列相似，主催化剂为V2O5,助催化剂为K2O、K2SO、MO3等.将SO2氧化SO3 催化剂重要有三种：金属铂、金属氧化物（重要是氧化铁）和钒催化剂。
铂催化剂：重要成分为铂—锗—钯三元素合金，活性高，热稳定性好，机械强度高。但价格昂贵，加大了成本，且易中毒。并且不能混有银、铜、铝，特别是铁等少量杂质，因此在硫酸生产中不适当采用铂催化剂。
氧化铁催化剂：重要成分三氧化二铁(Fe2O3)，该催化剂虽然价廉易获得，但只有在640℃以上高温时才具备活性，转化率普通只有45-50%，工业上也不适当采用氧化铁催化剂。
钒催化剂：钒催化剂是以V2O5作为活性成分辅以碱金属硫酸盐作为助催化剂。，以硅胶，硅藻土，硅酸铝等用作载体多组分催化剂。钒催化剂化学成分普通为：V2O5 5-9﹪；K2O 9-13﹪；Na2O 1-5﹪；SO3 10-20﹪；SiO250-70﹪，并具有少量Fe2O3Al2O3、CaO、MgO和水分等。产品普通为圆柱形，直径4-10mm,长6-15mm。也有做成环形，片状或圆形。活性高，热稳定性好，有较高机械强度高，且价格便宜易获得。 因而在硫酸工业生产中得以广泛应用。
此前国内钒催化剂广泛采用是S101型。如净化指标好,操作温度和气浓控制稳定,炉气中SO2浓度为7%时，转化率可达97%，8%时转化率可达95%-96%。设计采用最后转化率，对于一次性转化小型厂普通取96%，中型厂可用四或五段，用五段时普通用炉气冷激或空气冷激调节进入催化剂层温度。两次转化设计大多用四段(少数用五段)。
S107-1H型和S107-1H（Y）型催化剂起燃温度为360℃-370℃，正常使用温度为480℃-580℃，适合伙“引燃层”催化剂（低温钒催化剂）。S101-2H型和S101-2H（Y）型催化剂起燃温度为380℃-390℃，正常使用温度为420℃-630℃，适合伙“主燃层”催化剂（中温钒催化剂）。
在二次转化流程中如果使用低温钒催化剂，可使第一段催化剂层和第四段催化剂层进气温度减少15℃-20℃，最后转化率也会有所提高。因而催化剂S107和S101两者相比，选用S107更为适当。因此在本设计中催化剂采用国产S107型催化剂。
S107催化剂重要物理化学性质见下表：
表2.1 S107催化剂重要物理化学性质表
颗粒尺寸(mm)
5×(10～15) 圆柱形
堆积密度Kg/L
0.5-0.6
机械强度
>15
起燃温度 （℃）
360 ~370
正常使用温度（℃）
480～580
最高耐热温度（℃）
600
反映速率常数可以直接使用如下计算公式：

而转化率不大于60%，温度低于460℃时则用下式：

2.2 重点设计工序生产办法选取论证【5】
2.2.1 干吸流程选取论证【6】
“两转两吸”硫酸生产装置,干燥和吸取系统普通均设有“塔—槽—泵—酸冷却器—塔”浓硫酸循环过程,常用干燥吸取流程有如下四种。
流程一：三塔三槽三泵流程：

图2.1 三塔三槽三泵流程示意

流程二：三塔两槽三泵干燥吸取各自独立流程：

图2.2三塔两槽三泵干燥吸取各自独立流程示意
该流程沿用矿制酸和冶炼烟气制酸干燥和吸取工艺,按循环槽数量可分为”三塔三槽”工艺流程见图2.1和”三塔两槽”工艺流程见图2.2”三塔三槽”工艺流程系指干燥塔、一吸塔、二吸塔分别具备各自独立循环酸系统繁华流程；”三塔两槽”工艺流程系指干燥塔配有独立循环槽、而两台吸取塔合用一台循环槽流程各循环酸系统浓度靠互相间串酸和加水控制。
流程三：三塔两槽三泵干燥酸与一吸酸混合流程

图2.3三塔两槽三泵干燥酸与一吸酸混合流程示意
流程四：三塔一槽一泵流程

图2.4　三塔一槽一泵流程示意
四种干吸流程特点见下表：
表2.2 四种干洗流程对比表
流程
特点
相对投资额/1
流程一
流程长、设备多,控制点多,串酸量大,酸泵及酸冷却器材料耐腐蚀规定高,装置占地面积大,尾气排放SO2量小,投资额高
1.00
流程二
控制点略少,串酸量大,酸泵及酸冷却器材料耐腐蚀规定略高,尾气排放
量略大,硫损失略高,投资额中档
0.90
流程三
控制点略少,串酸量小,酸泵及酸冷却器材料耐腐蚀规定略低,尾气排放SO2量小,投资额中档
0.90
流程四
流程短,设备少,控制点少,无需串酸,装置占地面积小,尾气排放SO2 量略大,投资省
0.85
通过对上述四种干吸流程分析比较,对于当前国内大、中型硫磺制酸装置,以为干吸流程宜采用流程三（三塔两槽三泵干燥酸与一吸酸混合流程），理由如下：
1. 流程一所使用管线复杂,设备多,控制点多,容易导致管道泄漏点多,控制麻烦。第一吸取塔酸循环泵输送循环酸温度较高,这样就对酸泵耐腐蚀性能提出了较高规定,就国内当前制造酸泵材料而言,尚不能满足规定。并且投资费用较高。
2. 流程二与流程三相似,设备数量相近,但与流程三相比,由于吸取塔循环酸温较高,因而酸循环槽中酸温度较高,对循环酸泵和酸冷却器耐腐蚀性能规定高，同样。国内当前制造酸泵材料而言,也不能满足规定；又由于流程二串酸量大,串酸管线多,因而酸泵扬量大,电耗多,操作费用高，控制点也多。且由于一次转化后炉气中SO2含量仍较大,它在一吸塔内吸取时溶解到酸里流入酸循环槽中,溶解在酸中SO2一某些由一吸塔酸循环泵送到一吸塔,经解析后进入二次转化,一某些由二吸塔酸循环泵送到二吸塔中经解析后排入大气,因而导致了尾气中SO2含量超标,导致对周边环境污染及硫资源挥霍。
3．流程四虽然其流程简朴、设备数量少、控制点少,但对于大、中型硫酸装置而言,由于三塔合一槽,合用一台酸循环泵,因此酸泵扬量大,而当前国内大扬量酸泵和酸冷却器设计及制造尚无业绩。无法在实际运用。但相信随着制造业不断发展,此后,此流程将会被逐渐采用。而对于中小型硫酸装置(不大于160 kt/ a) 而言,此流程可节约投资,操作简便,减少操作费用。
4. 采用流程三干吸流程（见图2.3）,可变化流程一复杂和繁琐,避免了流程二吸取过程中酸里溶解SO2 在二吸塔解吸而污染大气,解决了流程四中大扬量酸泵等设备制作困难矛盾。此外,流程一与流程二不但合用于硫磺制酸装置,也合用于硫铁矿及冶炼烟气等制酸装置,使用范畴较广；如果想运用吸取酸显热加热锅炉给水,采用流程一或流程二比较有利。国内大某些硫磺制酸公司是由硫铁矿制酸改造来，干燥用93% 酸、吸取用98% 酸，沿用了此前硫铁矿制酸干吸流程，例“3 塔3 槽”、“3 塔2 槽”(吸取合用) 等，这样配管多，操作复杂。由于干燥是空气，干燥酸最佳用98% 酸。中小型硫磺制酸装置应采用“3 塔1 槽”(混酸槽装有开孔隔板) ；大型硫磺制酸装置应采用干燥、第2 吸混酸槽合一，1 吸单独设混酸槽干吸流程，这样简化了管道，减少了投资,开车和正常操作更加容易，也有助于低温废热运用。需要93% 酸公司可采用成品98% 酸加水稀释配制办法。近年来，阳极保护技术在干吸工段得到了广泛应用，如阳极保护不锈钢管壳式浓硫酸冷却器、阳极保护不锈钢浓硫酸管道、阳极保护不锈钢槽管式分酸器、阳极保护不锈钢混酸槽等，大大减少了设备腐蚀速率，延长了设备使用寿命，提高了浓硫酸质量，提高了系统开车率，值得推广。
2.2.2 转化流程选取论证【7】
自从20世纪60年代来硫酸生产中SO2转化工艺最大进步是采用了了两次转化、两次吸取工艺，即两转两吸。该工艺核心是保持转化工序热量平衡，使转化反映维持在某一抱负温度下进行。
无论采用何种型式转化器,都必要充分考虑如下五个因素:
1. 转化器设计应当使SO2 转化反映尽量地在接近于适当温度条件下进行,单位硫酸产量需用触媒量要少,一段出口温度不要超过600℃。
2. 转化器生产能力要大,单台转化器能力要与全系统能力配套,不要搞多台转化器。本世纪初转化器能力仅有15t/d,一套硫酸系列需数台转化器并联操作,操作麻烦不好管理,耗用材料多,占地面积大。气体分布不匀,转化率低。当前单台转化器能力日产硫酸已达到千吨以上,个别厂已高达t规模
3. 靠SO2反映放出热量,应能维持正常操作,不要从外界补充加热,亦即规定达到”自热”平衡。
4. 设备阻力要小,并能使气体分布均匀,以减少动力消耗。
5. 设备构造应便于制造、安装、检修和操作，要力求简朴，使用寿命要长，投资要少。
当前国内两转两吸大多采用“3+1”四段转化和“3+2”五段转化工艺。在同规模、同转化率硫磺装置中，这两种转化工艺在设计上重要区别如下：
在同等规模。最后转化率相等硫磺制酸装置中，采用这两种转化工艺在设计上重要有如下不同:
1. 催化剂填量不同，SO2 氧化为SO3化学反映是可逆放热反映，只有在低温下平衡转化率高，由于反映活化能高，因而工业上需要用催化剂使反映在不太高温度下进行足够快。对于一定组分原料气在某一催化剂下反映，为达到一定SO2转化率，其反映速率有一种极大植，所相应反映温度为最佳温度。随着反映转化率提高，最佳温度逐渐下降。因而随着反映进行，要采用相应办法来减少反映温度。转化反映速度决定了炉气在反映中需要接触时间，也就决定了催化剂用量。转化反映分段越多，其反映温度就越接近最佳温度，催化剂用量在理论上也就越少。采用“3+1”四段转化催化剂填量比“3+2”五段转化要高某些。
2. 工艺流程不同。 “3+2”五段转化为了控制转化器五段进口转化气温度，需要增长四段出口转化气换热设备，或者采用冷激式转化流程。当前国内外硫磺制酸装置大多在转化器四段出口设立中温蒸汽过热器，用中压蒸汽与四段出口转化气进行换热，大大减少了进五段转化气温度，也充分运用了转化气余热。常用“3+1”四段转化和“3+2”五段转化工艺流程图如下：

图 2.5“3 + 2”五段转化工艺流程示

图 2.6“3 + 1”四段转化工艺流程示
重要经济指标分析：“3+1”四段转化和“3+2”五段转化从重要技术经济指标考虑，转化工艺不存在大差别，相似条件下操作费用相差也不大，只在催化剂填量和工艺流程上略有不同。重要技术经济指标如下表所示：
表2.3 四段转化和五段转化重要技术经济指标对比表
指标名称
转化工艺
两次转化
一次转化
最后转化率/l
催化剂用量/Lt-1.d-1
硫磺制酸
99.7%～99.8%
170～190
96.5%～97.5%
190～210
炉气中∮（SO2）/l
硫磺制酸
鼓风机出口压力/kPa
尾气中∮（SO2）/cm3.m-3
装置建设投资/l
10.0%～10.5%
25～40
200～300
1.1～1.2
9.0%～9.5%
20～30
3500～4500
1.0
注:表内所列催化剂用量系列采用进口催化剂数据；装置建设投资以一次转化工艺为基准。
当前国内催化剂价格相比具备很大优势，就一次性投资来说其价格对例如下：

表2.4 国产钒催化剂价格优势
项目名称
SO2转化用钒催化剂
国产
进口
催化剂单位（人民币计）米-3
催化剂装填量/米3
催化剂一次投资(人民币计)/元
13000
92
1196000
29000
72
2088000
1. 依照新国家环保原则规定，硫酸装置排放尾气中SO2浓度必要低于960 mg／m。(原则状况)，为此规定装置最后转化率应达到99.75％ 以上。采用“3+1”或“3+2”转化工艺，都可使装置排放尾气中SO2浓度符合新原则规定指标。
2. 转化流程选取除要考虑环保外，重要取决于所用钒催化剂和进转化器炉气中SO2浓度高低。与“3+1”四段转化相比，“3+2”五段转化工艺可在含SO2浓度较高原料气下获得同样高最后转化率。在原料气中SO2浓度相似条件下，“3+2”流程对达到规定最后转化率更有保障。
3. 在当前条件下，如果采用进口催化剂，应选用“3+1”四段转化；若采用国产催化剂，则适当选用“3+2”五段转化。
由于本设计所选催化剂为国产S107催化剂，故将采用“3+2”五段转化转化流程。
2.2.3 空气鼓风机位置在干燥塔前或后流程论证【8】
主风机位置布置有两种:一是在干燥塔上游,好处是受腐蚀小,便于选取国产空气鼓风机；二是在干燥塔下游,风机进口为负压,去掉水分后实际状态气量将增长4%-5%,且风机需耐硫酸腐蚀,价格较高,其好处是干燥气体经风机加压升温后,进入焚硫炉回收了风机压缩气体产生热量,多产中压过热蒸汽。两种方式事实上均有采用。
老式设计是将主鼓风机设立在干燥塔之前，重要考虑到风机处在无腐蚀性场合。此外设在塔前，干燥塔是正压操作，同样规模，气量要比负压操作时要小，能耗也低。空气风机置于干燥塔前，虽没有充分运用气体压缩升温热量，但完全避免了风机腐蚀。空气鼓风机用蒸汽透平驱动，蒸汽透平装置将蒸汽送入工厂低压蒸汽管网，提高能源运用率。整个系统采用较高压降、气速及二氧化硫浓度。但是在国外普遍将主鼓风机设在干燥塔后，空气通过空气过滤器进入干燥塔，浓硫酸吸取水分后，再送入主鼓风机。干燥塔显热由空气带出，经主鼓风机压缩，使空气温度由60℃升高到100℃以上，生产上充分运用这某些热量，将其送至焚硫炉以多产蒸汽，提高了热能回收率。
主鼓风机设立在干燥塔后，空气中所夹带酸雾可通过干燥塔塔顶除雾器除去，足以保证普通钢制风机不受腐蚀。为此，本设计中主鼓风机设在干燥塔后。
2.2.4 采用液硫过滤器还是澄清槽选取论证
若厂区地处内陆，进口硫磺经多次转运和堆存，不可避免地混入灰尘等杂质，加之生产过程中和游离酸形成固形物，仅设立液硫沉降槽和气体过滤器是不切合实际，必须选取适当液硫过滤设备。加压叶式液硫过滤机单台过滤能力大，滤饼卸排容易，操作简朴，过滤效果好.当前国内已有厂家生产同类型液硫过滤机，应推广使用，代替液硫重力沉降槽。
老式设计是采用澄清槽，澄清时间为72小时以上，为此澄清槽要占用交大面积，使之沉下90-99%灰分。
为了尽量减少液硫中杂质，国外采用是液硫过滤器和助滤槽。液硫通过过滤之后灰分含量减少到0.006%（当液硫中灰分含量为0.3%）。过滤前将一定量助滤剂投入到助滤槽熔融液硫中，在搅拌器作用下使其和液硫均匀混合，经助滤泵送至液硫过滤器。当助滤槽液硫变澄清时，助滤作业完毕，切换为正常生产过滤液硫。采用液硫过滤器占地面积小，可运用空间，效率高，因而在本设计中选用液硫过滤器。
2.2.5 硫磺制酸废热运用
近几年来,由于国际市场硫磺价格下跌，国内公司纷纷改建或新建硫磺制酸装置。硫磺制酸装置蕴藏着大量废热，如能加以回收运用,经济效益相称可观。在市场经济竞争日趋激烈今天，废热运用将是提高硫酸产品竞争力重要途径。如下对硫磺制酸装置所采用两种废热运用设备做一简介：
1．水管锅炉
　 长处：
高温水管锅炉检修以便,使用寿命长，运营安全，如果发生缺水事故，先烧坏受热面而不致产生严重后果，烟气流速低，设备阻力小。
　 缺陷：
烟气流速低，传热系数小，冷启动升温慢。开、停车时受热面易附着冷凝酸，且构造复杂，难免存在气体滞留区，导致受热面酸冷凝腐蚀；炉墙密封性差，气体易外泄；受热面一旦泄漏，易导致锅炉自身及后续设备腐蚀；制造、安装工作量大。
　 防护办法：
高温水管废热锅炉蒸汽设计压力应在2145 MPa 以上，开车时应采用串汽办法将蒸汽压力保持在2145～310 MPa 再接通炉气，停车时应将炉气置换完毕再减少蒸汽压力，这样可有效地防止低温腐蚀。
2.　火管锅炉
　 长处：
⑴．管内炉气流速高达50-70 m/ s且无滞流区，故传热系数高达70-80 W/ (m2·K) ，设备构造紧凑。
⑵. 开车升温、升压快,缩短了低温状态下管束与冷凝酸接触时间；停车时管外汽—水混合物不久便将管内壁烘干，有效防止了受热面低温腐蚀。如果在开、停车过程中再采用串汽、燃油置换等办法,效果将更佳。
⑶. 密封性较好，非常适合硫磺制酸系统炉气正压操作规定。具备较大负荷适应范畴。
⑷. 制造、安装工作量小，占地面积小。
　 缺陷：
高温火管锅炉前管板热应力较大，材料易疲劳产生裂纹。一旦发生缺水事故，后果相称严重；炉气阻力大；转化工序火管锅炉出口温度只能降至220 ℃左右；一旦漏水会导致自身及后续设备腐蚀；检修不以便。
　 防护办法：
⑴. 在高温侧管口插入一段150～180 mm长刚玉保护套管，在管板表面涂一层80-100mm厚锆质耐火隔热层，可减少管口及管板处温度，达到热防护目。
⑵. 采用胀—焊并用工艺，防止管口松弛和焊口疲劳开裂。
⑶. 壳程通过上升管和下降管与上部大容积汽包连接形成自然循环回路，使受热面任何时候都沉浸在水中；提高给水系统和控制系统可靠性，切实做好突然断水和断电防护工作。
2.3 设备选取论证2.3.1 废热锅炉选取【9】
废热锅炉有水管锅炉和火管锅炉两种。20世纪90年代中期建成中小型硫磺制酸装置大多采用水管锅炉。当前某些大型硫磺制酸装置采用强制循环水管锅炉，运营状况较好。火管锅炉具备烟气密封性好、操作弹性大、检修以便、设计制造容易等长处。自20世纪八九十年代北京、上海等厂首批引进火管锅炉后，无锡某厂等硫酸公司相继采用了国产火管锅炉。有厂家火管锅炉浮现了局部泄漏等状况，看来国产火管锅炉制造厂家还需在提高质量、杜绝泄漏上下功夫。水管、火管锅炉各有千秋，大型硫磺制酸装置多选取卧式火管锅炉,由锅壳、气泡、进出口烟道和管系四某些构成。为避免高温烟道气直接冲刷锅壳前管板,在前管板表面浇筑了耐高温耐火保护层,并在烟道气管进口处安装了耐高温保护套管,该保护套管材质为刚玉。烟气由烟道分流,纵向冲刷烟管,在出口烟道内汇流引出。锅炉所有重量由与下部炉体想界两个只座支撑于水泥墩上,其中一种支座为活动支座以满足炉体膨胀量规定。
2.3.2焚硫炉设计
焚硫炉是硫磺制酸核心设备，焚硫炉运营时要保证液硫雾化效果,即采用高质量液硫雾化装置；同步也要保证空气与雾化硫磺充分混合,以使液硫在炉中充分燃烧。当前国内焚硫炉重要有两种形式:一是使用最多圆桶型卧式焚硫炉,炉头每只磺枪分别配有空气旋硫装置；二是一次扩大型卧式焚硫炉,炉