硫化气体的转化与使用.docx

可在三元催化器原理方面引入相关介绍
目前，铜、铅、锌、镍等有色金属生产，采用富氧以火法冶炼硫化矿产生（SO2）高达3060的冶炼烟气，若以常规的转化工艺生产硫酸，不但不能满足日益严格的环保要求，而且经济上不合理。近十多年来，国内、外研究并开发了有关应用高浓度SO2冶炼烟气的技术，例如：应燮堂提出的高浓度二氧化硫气体三转三吸生产硫酸的方法；Topsoe与Chemetics合作，开发处理（SO2）为40，以空气稀释到18的冶炼烟气采用铯催化剂VK58的？4 2两转两吸工艺的设想；奥图泰公司的LUREC工艺及拜耳公司BAYQIK工艺处理高浓度SO2烟气技术，并实现了工业化。
　　我国山东省阳谷祥光铜业有限公司引进了奥图泰公司的LUREC工艺技术及关键设备，处理该公司闪速熔炼铜精矿和闪速吹炼冰铜产生的高浓度SO2烟气生产硫酸。一期规模达700kt/a硫酸（阴极铜规模200kt/a），该装置已于2007年8月试生产，12月正式生产。投产以来制酸系统运行正常。这是奥图泰公司的LUREC再循环工艺在全球首次应用到工业生产，处理（SO2）为1618的项目。实践证明，其与常规技术比较，从根本上降低了装置的投资费用和操作成本，又可达到较高的热能回收率，并满足环保的严格要求，达到较低的SO2排放浓度。
　　LUREC再循环工艺是处理高浓度SO2冶炼烟气的转化技术，采用3 2型5段两转两吸工艺：转化器采用内置换热器的结构，能够直接处理（SO2）高达1618的冶炼烟气，并回收中间的反应热。
　　1硫酸装置的设计基础阳谷祥光公司转化工序处理的冶炼烟气量设计能力为13600m3/h（标况）。
　　2LUREC转化工艺的基本原理常规转化工艺是以空气将高浓度SO2烟气稀释至（SO2）低于13，然后送入转化器进行SO2氧化反应。这样的方法虽然避免了SO2氧化反应温度过高，使第一段催化剂的温度控制在630？以下，但是增加了输送气体量，使设备费用及能耗相应增加。
　　LUREC转化工艺则是采用经一、二、三段催化剂层将SO2氧化成SO3后的少量烟气代替常规转化工艺中的稀释空气，与高浓度SO2冶炼烟气混合后送入转化器，从而降低了进第一段催化剂层的SO2浓度，避免了第一段催化剂层超温，通过自动调节再循环量使该段催化剂层的温度可控制在630以内。故该技术的核心是再循环。根据有关资料，LUREC再循环工艺是LURGIMETALLURGIE申请的一项专利技术。该工艺的特点是将含有SO3的气体再循环到第一段催化剂层，以抑制SO2的氧化反应，从而将气体浓度限制在一个可接受的水平。由于SO3再循环的作用，SO2 0.5O2SO3反应热力学平衡趋向较低的SO2转化率，在该图中，第一段催化剂层的操作线随着再循环程度提高而向上位移，从而沿着平衡曲线使其转化率限制在较低的水平，这就限制了其相应的反应温度。较大的再循环量将操作线向上推，较低的再循环量则向下推。由于这一简单原理，该工艺易于适应不同的原料气浓度。
　　3工艺和主要设备LUREC工艺的关键技术，是在转化器第三段催化剂层之后分流少量烟气进行再循环，允许将进入转化器的（SO2）保持在1618.随着转化器入口处稀释的空气量减少，比起常规的设计，应用LUREC技术的工程设计可以缩小所有设备的尺寸。除了节省投资外，由于该工艺处理的气量减少，主鼓风机的能耗降低，操作成本也显著减少。
　　3.1高浓度SO2转化工艺的简要说明
　　1、LUREC再循环工艺转化工序的目的是通过五氧化二钒催化剂将气体的SO2转化为SO3。发生的化学反应如下：SO2 0.5O2SO3 99kJ/mol该反应是强放热的，由热力学平衡控制，受温度、气体成分和压力的影响。产生的热量将主要用于加热从二氧化硫鼓风机出来的工艺气体，而过剩的热量转移生成中压蒸汽。
　　整个转化器（包括内部换热器）由不锈钢制成，能持续承受640的工作温度。为了实现和确保可持续的高转化率，必须关注两个问题：一是确保各段催化剂层的隔离，以避免气体绕过任一催化剂层出现短路，转化器全部采用焊接结构，其内部各段催化剂床层的隔离板全部与壳体和中心管焊接，因此绝对不漏气；二是各段催化剂床层均采用径向流动的气体入口，确保良好的气体输送，并均匀地分布于每个催化剂床层。
　　从SO2鼓风机出口，冷气首先直接穿过外部冷热交换器壳程和内部热换热器管程到达转化器的第一段催化剂床层，进入这个床层的工艺气体温度达到390400，铯催化剂在这里作为起燃层。
　　在第一段催化剂床层，5760的二氧化硫转化为三氧化硫。放热反应将导致床层出口温度超过660，远远超出了钒催化剂所能承受的操作极限。为了使床层出口温度降到620630可接受的水平，一部分预冷却的含三氧化硫气体将从
　　2废热锅炉出口通过高温循环鼓风机(风机选型的计算公式)到达转化器的第一段催化剂床层。含高浓度三氧化硫的气体使第一段催化剂床层的绝热反应温度最高值限制在620630.为了使第二段催化剂床层达到最佳转化条件，第一段催化剂床层的出口气体在进入第二段催化剂床层前应通过内置热换热器壳程降温至440.
　　在第二段催化剂床层上的全部二氧化硫累计约有8283转化为三氧化硫，由此产生的绝热反应温度为535540.出第二段催化剂床层的气体，在内置再热换热器壳程中被冷却，气体温度下降到约450，并对管程中进第四段催化剂床层的SO2气体进行加热。出第二段催化剂床层的工艺气体冷却后进入第三段催化剂床层。
　　在第三段催化剂床层的二氧化硫进一步转化为三氧化硫，绝热气体温度达到了485.经过三段床层后的总转化率达到约9192.三氧化硫气体在离开第二段催化剂床层后，在废热锅炉/省煤器中被冷却到大约280，在此也回收过剩的热量产生2.8MPa的蒸汽。一小部分气体被分流去实行LUREC再循环工艺。在冷再热换热器（包括损耗部分）上经过进一步冷却后，工艺气体进入中间吸收塔的温度大约为165.烟气中所含的三氧化硫被中间吸收塔吸收，转化为硫酸。
　　出中间吸收塔后，大约为80的工艺气体返回冷再热换热器（包括损耗部分）的壳程，并进一步在内置中间再热换热器（管程和再热换热器管程加热到约415，进入第四段催化剂床层。离开第四段催化剂床层时转化率累计约为99.6.
　　工艺气体离开第四段催化剂床层的温度约为460，通过中间再热换热器（壳程，使其冷却到第五段催化剂床层入口所需的约为380？的温度。第五段催化剂床层装填铯催化剂，实现二氧化硫的总转化率超过99.9.离开第五段催化剂床层，气体温度约382，在废热锅炉/省煤器、冷热交换器（包括损耗部分）中进行冷却，温度大约为160进入最终吸收塔。烟气中所含的三氧化硫气体被最终吸收塔吸收并转化为硫酸。
　　2、温度控制转化系统配备有合适的烟气旁路，以控制每一催化剂床层的气体入口温度。旁路分布在转化器的内部和外部，所有调节阀设于转化器外部。
　　第一段催化剂床层的出口温度是由LUREC工艺气体的再循环控制。为保持这一温度稳定，高温循环鼓风机配有受第一段催化剂床层出口温度控制的变速驱动器。当出口温度升高，例如在有较高浓度的二氧化硫原料气的情况下，烟气再循环的量增加，反之亦然。
　　在废热锅炉/省煤器系统安装的烟气旁路，是为了方便开车运行以及气体浓度可能会低于正常设计水平时使用。确保装置在二氧化硫的体积分数低至8的情况下自热运行。
　　3.2LUREC高浓度SO2烟气转化工艺流程LUREC高浓度SO2烟气转化工艺流程。
　　烟气转化工艺流程示意3.3主要设备1、转化器采用内置换热器的转化器（11.90m）21.46m），上部采用321不锈钢，下部采用304不锈钢，内置换热器（均放置在转化器内部。换为热热换热器、换为再热换热器、（换为中间再热换热器，均使用不锈钢制成。转化器床层催化剂装填情况。
　　2、SO2鼓风机采用德国KKK公司制造的恒速风机，通过齿轮箱驱动，导向叶片调节。
　　最大风量1.34）105m3/h全压60kPa配套电动机功率3360kW3、高温循环鼓风机输送温度为280含SO2的烟气，外壳设有电加热器及隔热罩，德国PILLER公司生产。附变频电动机（中国生产），功率355kW.
　　4、其他主要设备其他主要设备有
　　1废热锅炉（水管式）/省煤器、
　　2废热锅炉（水管式）/省煤器、冷热换热器和冷再热换热器等，它们多是锅炉钢制的，易损耗部件用不锈钢制成。
　　4应用实例山东省阳谷祥光铜业有限公司引进了LUREC高浓度SO2烟气转化工艺技术，其主要工艺技术指标及运行情况如下。
　　4.1主要工艺技术指标
　　该工程投产以来，转化器进口工艺气（SO2）为1416，最终转化率平均大于99.93，放空尾气中SO2质量浓度为292mg/m3。日产硫酸量最高达2463.44t（100H2SO4），输送烟气量高达143000m3/h，工艺气中（SO2）为15.016.5.据称其能力为设计值的120.转化工序主要运行参数，各段催化剂进出口温度。
　　4.2主要特点1、由于换热器（均设置在转化器内部，减少了外换热器的数量和设备之间的连接管道，简化了布置，传热损失小，热利用率高。
　　2、转化率高，平均在99.95以上，不需再设尾气脱硫装置，减少了排放尾气中的SO2质量浓度。
　　3、实现了高浓度SO2冶炼烟气制酸低成本的转化工艺，转化器入口烟气中（SO2）大于16.烟气量比常规转化工艺减少20，能耗仅65kWh/t（100H2SO4计），运行成本低。
　　4、适用范围广，（SO2）为717的烟气均可以适应。
　　5、设有高温循环鼓风机，采用变频控制，整个转化系统的温度调节可自动控制。
　　5对高浓度SO2烟气转化工艺的评价关于LUREC高浓度SO2转化工艺的优点，有关文献主流评价意见基本上是肯定的。它通过降低装置烟气的流量，节省了投资，降低了操作成本，提高了热能的回收率，从而提高了硫酸生产的经济收益；另外，随着烟气用量的减少，排放的烟气量降低，有利于控制SO2、SO3排放量。
　　国内有的论文分析了高浓度SO2转化工艺和常规转化工艺的优劣，认为在流程方面两者都比较简洁，控制原理简单，容易操作。
　　常规转化工艺比高浓度SO2转化工艺的设备大2030；占地面积相应大20；然而主要费用两者却基本相当。因为高浓度SO2转化工艺需多支付的引进技术和装备费用，抵偿了设备小节省的费用。高浓度SO2转化工艺比常规转化工艺运行成本低30，能量多回收36，尾气及SO2排放量少，高浓度SO2转化工艺排放的SO2仅约300mg/m3，而常规转化工艺却高了一倍以上。
　　国外有关机构研究了各种常规转化工艺和LUREC工艺硫酸装置投资的关系；还研究了采用不同转化工艺的3000t/d硫酸装置投资与操作成本；2000t/d硫酸装置分别采用LUREC工艺与常规转化工艺的比较。上述分析研究认为LUREC工艺较常规转化工艺具有明显的优势，差异在2025.
　　目前，处理高浓度SO2烟气转化工艺技术的研究和工业化应用，积累了不少成功经验，也有许多创新成果，将为今后处理和利用高浓度SO2烟气提供更成熟、更优化的SO2转化工艺技术。