硫磺制酸裝置大型化的探討*

李若松

（云南化工設(shè)計院有限公司，云南昆明 650041）

硫磺制酸裝置大型化的探討*

李若松

（云南化工設(shè)計院有限公司，云南昆明 650041）

介紹了我國硫磺制酸的現(xiàn)狀及發(fā)展歷程，并對我國典型的大型化的硫磺制酸裝置進(jìn)行了簡述，同時，對硫磺制酸的技術(shù)發(fā)展、熱能回收利用情況、大型化裝置的質(zhì)量管理辦法等進(jìn)行了分析。

硫磺；硫酸裝置；大型化

1 硫磺制酸技術(shù)的現(xiàn)狀

我國硫磺制酸新起步于20世紀(jì)80年代，從8萬t／a的改造裝置開始，到目前最大生產(chǎn)能力已達(dá)100萬t／a。現(xiàn)在運(yùn)行的約800套硫磺制酸裝置中，規(guī)模從年產(chǎn)幾萬到百萬噸，但大多集中在10萬～40萬t／a之間。裝置的技術(shù)水平也是多種多樣，世界先進(jìn)與落后并存。

硫磺制酸裝置的大型化以2005年建成投產(chǎn)的云天化富瑞一期的80萬t／a硫磺制酸裝置和張家港雙獅一期的100萬t／a硫磺制酸裝置為標(biāo)志。2005年以來，我國已經(jīng)建成幾十套裝置規(guī)模在年產(chǎn)60萬t／a及以上的大型硫磺制酸裝置。

云天化國際股份有限公司富瑞分公司的80 萬t／a硫磺制酸裝置于2005年3月建成投產(chǎn)，是云南磷復(fù)肥基地國產(chǎn)化示范項目一期“836”工程配套裝置之一［1］。該裝置由中國石化集團(tuán)南京工程公司設(shè)計，是國內(nèi)第一套大型國產(chǎn)化硫酸裝置，除采用進(jìn)口催化劑外，裝置的設(shè)備和材料實現(xiàn)了國產(chǎn)化。

雙獅精細(xì)化工公司的100萬t／a硫磺制酸裝置，是美國孟莫克公司采用當(dāng)時最新的帶HRS技術(shù)的硫磺制酸技術(shù)，在江蘇張家港建設(shè)的并配套53MW發(fā)電機(jī)組的硫磺制酸裝置［2］。由孟莫克公司進(jìn)行設(shè)計并提供進(jìn)口設(shè)備及催化劑，國內(nèi)工程公司進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換和土建、電氣工程設(shè)計以及國內(nèi)配套設(shè)備的采購，于2005年4月投產(chǎn)運(yùn)行。

云南化工設(shè)計院有限公司已經(jīng)設(shè)計和承包建設(shè)了幾十套硫磺制酸裝置，大中小規(guī)模都有，大型裝置如云天化國際股份有限公司紅磷分公司帶HRS的80萬t／a硫磺制酸裝置、云南三環(huán)中化化肥有限公司120萬t／a磷銨工程Ⅱ期的80萬t／a硫酸裝置、湖北宜都興發(fā)有限公司80萬t／a硫酸裝置。

紅磷80萬t／a硫磺制酸裝置是我院總承包第一套大型硫磺制酸項目，在孟莫克的工藝軟件包基礎(chǔ)上，我院進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計。進(jìn)轉(zhuǎn)化器的SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.0%，轉(zhuǎn)化采用“3＋1”兩次轉(zhuǎn)化、“ⅢⅡ”換熱流程。轉(zhuǎn)化器為孟莫克積木式全不銹鋼結(jié)構(gòu)、內(nèi)裝孟莫克催化劑。積木式結(jié)構(gòu)是較容易做規(guī)模放大的設(shè)計形式，轉(zhuǎn)化器的所有承重都落在可滑動的立柱上，直徑加大就隨之增加立柱數(shù)量。主鼓風(fēng)機(jī)在干燥塔之前（干燥塔正壓操作），為國產(chǎn)的軸流風(fēng)機(jī)，進(jìn)風(fēng)機(jī)的空氣經(jīng)過了高效率的空氣過濾器過濾。焚硫爐為蝶形封頭的等徑圓柱體，內(nèi)襯保溫磚和耐火磚，采用4支進(jìn)口磺槍。鍋爐為雙鍋筒單汽包，轉(zhuǎn)化器第1段出口設(shè)置不銹鋼高溫過熱器，轉(zhuǎn)化器第4段出口設(shè)置低溫過熱器和省煤器且兩者疊加在一起，轉(zhuǎn)化器第3段出口在冷熱換熱器后設(shè)省煤器，中壓蒸汽系統(tǒng)產(chǎn)3.8MPa、450℃過熱蒸汽。干燥和二吸為兩塔一槽流程，塔體采用傳統(tǒng)碳鋼襯磚的蝶形底、瓷條粱，分酸器是國產(chǎn)帶陽極保護(hù)的槽式分酸器，干燥和二吸酸管道采用帶陽極保護(hù)的316 L不銹鋼。兩級的熱回收塔取代了傳統(tǒng)的一吸塔，HRS熱回收系統(tǒng)為不帶蒸汽噴射的典型流程，產(chǎn)0.8MPa的飽和蒸汽。該裝置是紅磷分公司的節(jié)能降耗減排項目，在增加硫酸產(chǎn)量的同時不增加SO2的排放，因此設(shè)置了尾吸系統(tǒng)。該裝置于2009 年9月開車以來，一直平穩(wěn)運(yùn)行。

云南三環(huán)中化化肥有限公司磷銨工程Ⅱ期的80萬t／a硫酸裝置是我院總承包又一套大型硫磺制酸項目，也是在孟莫克的工藝軟件包基礎(chǔ)上，我院進(jìn)行初步設(shè)計和施工圖設(shè)計。除不帶低溫位熱回收系統(tǒng)外，整個工藝與紅磷相仿。進(jìn)轉(zhuǎn)化器的SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.0%，轉(zhuǎn)化仍為進(jìn)口催化劑。主鼓風(fēng)機(jī)亦在干燥塔之前，不過，采用的是進(jìn)口的離心風(fēng)機(jī)。干吸采用三塔一槽流程，干吸塔在襯磚前還襯了一層高硅不銹鋼，分酸器是進(jìn)口的不帶陽極保護(hù)的槽式分酸器，酸管道是不帶陽極保護(hù)的國產(chǎn)高硅不銹鋼。該裝置沒有尾吸系統(tǒng)，于2011年10月開車，平穩(wěn)運(yùn)行至今。

2 硫磺制酸技術(shù)的進(jìn)展

硫磺制酸技術(shù)的進(jìn)步伴隨著裝置規(guī)模的擴(kuò)大而不斷提升。首先體現(xiàn)在進(jìn)轉(zhuǎn)化器SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不斷提高，已經(jīng)從10%以下提高到11.5%，甚至12%。提高SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)不僅僅是為了提高蒸汽產(chǎn)率，而且還在于減小設(shè)備尺寸、降低裝置投資、提高經(jīng)濟(jì)效益。表1列出了在不同SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的干空氣氣量及蒸汽產(chǎn)量。當(dāng)SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)從10%提高到11.5%時，不僅蒸汽產(chǎn)率提高了1.6%，而且所需的干空氣氣量也減少了13%。也就是說，對于干吸塔和轉(zhuǎn)化器直徑相同的設(shè)備，可以增加13%的產(chǎn)量。

表1 SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)與氣量及蒸汽產(chǎn)量的關(guān)系Table 1 Relationship of SO2quality scores with the productions of gas and steam

隨著SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，焚硫爐的溫升增加、出口溫度也相應(yīng)提高，需要有更高溫的耐火材料以及更可靠的耐火層設(shè)計。幸運(yùn)的是，現(xiàn)在的耐火層設(shè)計已經(jīng)能夠經(jīng)受1 600℃的高溫且能長期運(yùn)行。SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，轉(zhuǎn)化器的溫升就增加，因為SO2的轉(zhuǎn)化是可逆反應(yīng)，SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高意味著氧濃度相應(yīng)降低，SO2的轉(zhuǎn)化難度就大大增加。特別是，第一段溫升的增加使得出口溫度會超過催化劑的耐熱極限，但含銫催化劑的出現(xiàn)解決了這一技術(shù)難題（含銫催化劑降低了催化劑層的進(jìn)口溫度）。

SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，體現(xiàn)在吸收塔上的困難是出塔酸溫的提高。一吸塔的出口溫度會高達(dá)115℃，帶陽極保護(hù)的316不銹鋼經(jīng)受不了這樣的高溫。高硅不銹鋼材料，如孟莫克的ZeCor－Z合金以及國產(chǎn)的合金材料，都能很好地經(jīng)受這樣的環(huán)境，有著長期運(yùn)行的經(jīng)驗。

耐腐蝕合金材料的出現(xiàn)，是制酸技術(shù)進(jìn)步的又一體現(xiàn)，它為干吸塔及管道的大型化解決了關(guān)鍵問題?，F(xiàn)在，高硅不銹鋼不僅用于酸管道，而且已經(jīng)用于所有與酸接觸的部件，如分酸器、除霧器、填料支撐等。不襯磚的大型干吸塔已經(jīng)在國外多個裝置使用了十多年。

槽式分酸器的應(yīng)用是干吸塔的重大技術(shù)進(jìn)步，除了保持每平方米43個以上分酸點(diǎn)外，分酸更均勻、酸沫量更少、酸量變化范圍更大，這就免去了填料層的二次分酸功能，使得主填料高度降到2.5 m以下。填料高度降低，填料層的阻力降相應(yīng)降低，就可以相應(yīng)提高空塔氣速、減少塔徑?？账馑偬岣撸沟锰盍系囊耗ず穸仍黾?，從而增強(qiáng)吸收效果。

3 熱能回收

焚硫及轉(zhuǎn)化的中高溫?zé)崮芑径家呀?jīng)回收，主要用于產(chǎn)生中壓及次中壓蒸汽。對于規(guī)模較大的裝置，廢熱鍋爐已經(jīng)設(shè)計成雙鍋筒單汽包型式，這為硫磺制酸裝置進(jìn)一步大型化奠定了基礎(chǔ)。高壓、高溫過熱器位于轉(zhuǎn)化器第1層出口，為帶翅片管的全不銹鋼設(shè)備。轉(zhuǎn)化器第4層出口為低溫過熱器和兩個省煤器組成，該3臺設(shè)備外殼一體化、上下站立式布置，即節(jié)省了占地空間，又減少了氣體管道。

對于吸收SO3產(chǎn)生的低溫位熱能，回收后用于產(chǎn)生低壓蒸汽。主要技術(shù)有孟莫克的HRS技術(shù)、中石化南京工程公司的低溫位熱回收技術(shù)以及奧格利的低溫位熱回收技術(shù)。在國內(nèi)的幾十套帶低溫位熱回收系統(tǒng)的裝置中，這3種技術(shù)都有應(yīng)用，且都在運(yùn)行。不過，在我國近400套的硫磺制酸裝置中，帶低溫位熱回收系統(tǒng)的裝置比例還是很低的。這是因為低溫位熱回收系統(tǒng)的投資較大，且裝置規(guī)模越小，單位投資越大。

能量回收在硫酸裝置中占有的份量越來越重，而硫酸漸漸失去了主產(chǎn)品的地位，如雙獅的兩套100萬t／a裝置，其目的就是發(fā)電，硫酸只是其副產(chǎn)品而已。從能源角度來看，硫酸裝置是不排放二氧化碳的綠色能源工廠。帶低溫位熱回收系統(tǒng)的硫酸裝置，對環(huán)境效益來說是雙重的——既回收了蒸汽，又減少了循環(huán)水用量。因此，隨著能源價格的增加，提高能量回收利用率將是提升硫酸裝置效益及市場競爭力的有效途徑。

4 再大型化

目前，國際上已經(jīng)建成多套150萬t／a硫磺制酸裝置，且有很好的運(yùn)行業(yè)績。如澳大利亞Anaconda Nickel的4 400 t／d裝置、美國PCS的4 100 t／d裝置、摩洛哥OCP的4 200 t／d裝置。

表2是國內(nèi)大型硫磺制酸裝置主要設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)。由于大氣壓力不同，在昆明地區(qū)80萬t／a硫磺制酸裝置的設(shè)備指標(biāo)，相當(dāng)于沿海地區(qū)100萬t／a硫磺制酸裝置的設(shè)備指標(biāo)。如果在昆明地區(qū)建設(shè)一套120萬t／a硫磺制酸裝置，那其設(shè)備就相當(dāng)于在沿海地區(qū)建設(shè)了一套150萬t／a裝置的。

表2 大型硫磺制酸裝置主要設(shè)備的指標(biāo)Table 2 Index for major equipments of large sulfuric acid plants

目前許多企業(yè)有著多套中小型的硫磺制酸裝置。由于建設(shè)年代較早，技術(shù)水平相對落后，維修費(fèi)用較大，維修周期較長。將這些中、小裝置合并成一套大型裝置是技術(shù)升級改造不錯的選擇。用2套40萬t／a裝置的投資建設(shè)一套120萬t／a裝置，不僅多得到了三分之一的產(chǎn)能，而且減少了近一半的操作人員和場地，經(jīng)濟(jì)效益可想而知。

5 模塊化

硫酸裝置已經(jīng)從過去粗放地追求建設(shè)速度到了關(guān)注裝置運(yùn)行的連續(xù)性和可靠性，國外很多硫磺制酸裝置的年平均停車時間只有兩三天。建設(shè)質(zhì)量是裝置連續(xù)長周期運(yùn)行的可靠保證，而全現(xiàn)場制作模式則是制約裝置建設(shè)質(zhì)量的重要原因。

模塊化就是最大可能地在車間制作，盡量減少現(xiàn)場的焊接工作量。車間不僅僅是預(yù)制，而是最大化地組裝，然后再拆開運(yùn)往現(xiàn)場。對于小型裝置，整臺轉(zhuǎn)化器，整個塔，甚至整個轉(zhuǎn)化工段、干燥工段都在車間組裝完成后整體運(yùn)往現(xiàn)場。

模塊化對海外項目更具有競爭性，因為外國業(yè)主更注重裝置的整體質(zhì)量。而且，海外項目中，現(xiàn)場合格工人的來源困難、人工費(fèi)用高，這是制約海外項目質(zhì)量、費(fèi)用及進(jìn)度控制的關(guān)鍵。

不過，模塊化不是簡單地提高車間制作比例，需要設(shè)計協(xié)調(diào)好組裝、運(yùn)輸、拼裝之間的相互關(guān)系，才能達(dá)到提高裝置整體質(zhì)量的目的。我院在初步嘗試總承包模式后，將進(jìn)一步提高管理水平，為提高硫酸裝置建設(shè)質(zhì)量作貢獻(xiàn)。

［1］ 孫正東.800kt／a硫磺制酸裝置設(shè)計概要［J］.硫酸工業(yè)，2005（6）：

［2］ 丁華.雙獅精細(xì)化工3000t／d帶HRS硫磺制酸裝置［J］.硫酸工業(yè)，2008（1）：

Discussion on Large－scale Sulfuric Acid Plants

LI Ruo－song

（Yunnan Chemical Design Institute Co.，Ltd.，Kunming 650041，China）

A summary of the current situation and development process of China＇s sulfuric acid and the typical size of the sulfuric acid plants were briefly introduced，while the technical development of sulfuric acid，and heat recycling quality cases，large－scale device management measures were analyzed.

sulfur；sulfuric acid plant；large－scale

TQ111.1

A

1004-275X（2014）06-0043-04

12.3969／j.issn.1004-275X.2014.06.011

*特約稿件

收稿：2014-09-25

李若松（1969-），男，云南昆明人，高級工程師，中國硫磷技術(shù)委員，主要從事化工建設(shè)項目總承包管理工作。