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文献综述

摘要：硫酸（分子式：H2SO4）广泛用于化肥、纤维、制药等化学工业及钢铁、有色金属、食品等各种工业，有工业之母之称。硫酸按浓度分，一般分为稀硫酸（密度小于1.5g/m3）、浓硫酸（密度约为1.84g/m3）和发烟硫酸（密度大于1.84g/m3）。硫磺制酸装置，几乎没有三废存在，流程短，操作稳定，且热量能得到最大化利用，目前国内单系列规模最大已经达到年产100万吨，随着国内硫回收装置的不断增加，硫磺制酸装置原料由原先统一进口国外固体硫磺，慢慢变成了使用国内液体硫磺，原料成本的下降必将给企业带来更大的经济效益。

1.典型工艺流程

硫磺制酸工艺目前已趋成熟,各装置中焚硫转化工序的流程也相差不大,图1为硫磺制酸装置焚硫转化工序典型的工艺流程。鼓风机现拟采用塔后流程硫磺焚烧都在卧式焚硫炉内进行,采用高压硫磺泵加压使液体硫磺通过硫磺喷枪机械雾化而焚烧,出焚硫炉的高温炉气经废热锅炉回收热量,降温后进入转化器。废热锅炉出来的炉气进入转化器第一段催化剂层转化,反应后的高温气体进入高温过热器回收热量,降温后的炉气进入转化器第二段催化剂层转化,反应后的气体进入热热换热器,降温后进入转化器第三段催化剂层转化,反应后的气体经过冷热换热器和省煤器降温后进入第一吸收塔。在第一吸收塔,气体中的SO3被吸收,再通过塔顶除雾器除去酸雾后,依次经过冷热换热器和热热换热器与催化剂层第三段、第二段出口的高温气体进行逆流换热,升温后进入转化器进行第二次转化。目前硫磺制酸装置普遍采用两转两吸制酸工艺,为保证总转化率和SO2排放浓度的达标,使用进口催化剂的装置通常采用3 1四段转化工艺,使用国产催化剂的装置通常采用3 2五段转化工艺。经过转化器二次转化后的气体,由低温过热器和省煤器降温后进入第二吸收塔。在第二吸收塔,气体中的SO3被吸收,再经塔顶除雾器除去酸雾后通过烟囱排放。

2.焚硫炉

2.1焚硫炉简介

焚硫炉为钢制圆筒内衬耐火砖和保温砖的卧式结构,炉内设置多道挡墙及二次风入口,以增强空气与液硫雾化颗粒的混合,确保液硫在炉内完全燃烧。目前国内焚硫炉主要有两种形式,一种是圆筒形卧式焚硫炉,炉头每只磺枪分别配有空气旋流装置;另一种是一次扩大型卧式焚硫炉,空气进口采用双螺旋结构的进气装置,炉头设有大蜗形旋流装置,旋流装置中间放置数根磺枪。在保证液硫充分燃烧的前提下,提高了焚硫炉的容积热强度。

2.2两种常见焚硫炉

图2平板封头焚硫炉的结构示意

平板封头结构简单,制造方便。由受力分析可知,平板封头是处在受弯的不利条件下。考虑到焚硫炉热应力较大,为防止高温变形,需增强平板封头刚度,除将封头壁厚取得比炉体壁厚略厚外,另在封头外壁用10#角钢设井字形加强,角钢与封头间采用100/100间断焊。

图3球冠封头焚硫炉的结构示意

对于大直径的焚硫炉,宜采用球冠形封头,其受力情况将比平板封头理想,结构更为可靠。相应地,端墙处耐火砖和保温砖按球冠形状应设计为异形砖。为保证喷枪喷出的磺雾能与空气充分混合反应,一部分空气采取前端进入,另一部分空气则由双切向的进风口进入(见图3)。

2.3硫磺喷枪

不同硫磺喷枪的主要区别在于雾化硫磺的方式,通常分为空气雾化和机械雾化。空气雾化是向硫磺喷头的夹层送入压力较高的空气,利用空气的作用,使液硫分散成很小的液滴。机械雾化又分为旋转式和固定式两种,旋转式喷头上装有转杯,利用转杯旋转产生的离心力使硫磺扩展为薄膜,且进一步分散成细小的液滴;固定式喷头结构简单,利用液硫本身的压力,使液硫离开喷嘴时高速旋转,从而达到分散成液滴的目的。

国外常用的喷枪有开米柯喷枪、LURO喷枪、Browder喷枪和Celleco喷枪等,前二者系机械雾化喷枪,后二者系空气雾化喷枪。由于均为专利产品,价格十分昂贵。

目前,国内硫磺制酸装置大多采用固定式机械雾化喷枪,都带蒸汽夹套。近年来,我国进行了大量的硫磺喷枪开发研制工作,掌握了喷枪对生产波动范围的要求、不同压力与流量的关系、喷雾角度与雾化行程的关系、喷嘴高温材料的研制和选择以及雾化粒径的测定等关键技术。目前,国产硫磺喷枪已在20~400kt/a不同规模的硫磺制酸装置中投运。从运行情况看,国产喷枪的性能和使用寿命已逐步接近国外先进水平,且价格低廉。因此,设计全部选用的是国产喷枪。

4旋流

2.4旋流装置

为了保证空气与硫磺的充分混合,进入焚硫炉的气流是分两部分进入旋流装置的。一部分气流从切向进口管进入圆筒,从小圆锥筒内旋转而出;而另一部分气流则穿过内外圆锥筒之间的空隙,空隙内装有几片螺旋叶片,气流进入后分别沿各槽道作螺旋运动。通过旋流装置后,可加强早期混合过程,使气体在炉内剧烈旋转,形成切向扰动,有利于气流流动。

国内硫磺喷枪制造商根据试验室试喷和现场焚硫炉内使用情况,提出旋流装置需要改进。通过减少旋流叶片,改变螺旋角度,保证2支并列排布磺枪的雾化区既不重叠,又不因间距过大而造成硫磺甩至炉墙,出现硫磺挂壁现象;通过改变切向进口面积和调整大小圆锥筒尺寸来调整2股气流的分配,进一步缩短雾化行程。改进后的旋流装置保证了硫磺喷枪的高效使用。

2.5炉气出口

因工艺布置需要,焚硫炉炉气出口分为端部出气和侧向出气两种。由于出气口位置的不同,固定支座的位置也应相应调整。由于焚硫炉的自重及操作条件要求,焚硫炉均采用多鞍座支承。多鞍座卧式设备总是仅将1个鞍座做成固定的,该鞍座与基础垫板间焊接固定,其余做成可活动的,与垫板间不焊,以保证设备在温度变化时能自由伸缩。基础垫板必须保持光滑平整。图2所示的焚硫炉出气口位于端部,将靠近出气口的鞍座,即后端墙处的鞍座设计为固定鞍座,则出气口膨胀节仅承受出气口与工艺管道本身的拉伸和压缩应力。图3所示的焚硫炉出气口位于侧向,固定鞍座设计在出气口位置,该设置不因焚硫炉本体伸缩而对出气口接管产生附加剪应力。

3.国内硫磺制酸装置现状

经过多年努力,国内设计大型硫磺制酸装置技术已经成熟,绝大部分设备可以国产化;国内制酸技术与国际先进技术相比仍存在差距,建议在条件许可的情况下引进一套美国孟山都公司800kt/a硫磺制酸工艺设计软件包,将国内硫磺制酸工业的技术水平向前推进15~20年。HRS是硫磺制酸工业发展的方向,但是否引进仍需进一步考察论证。

4.参考文献

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