硫磺造粒設(shè)備選型研究

劉益弘，邢桂坤，董奇

（中國(guó)寰球工程有限公司北京分公司，北京 100012）

作為化工行業(yè)重要的基礎(chǔ)原料，硫磺普遍應(yīng)用于化肥、精細(xì)化工、清潔劑、顏料染料、橡膠、道路建設(shè)、采礦業(yè)及水處理等工業(yè)。目前，硫磺的生產(chǎn)主要來(lái)自原油及天然氣的凈化回收，通過(guò)硫磺回收處理，原油及天然氣含有的硫化物可脫除形成液態(tài)硫磺，由于硫磺熔點(diǎn)為115 ℃，在常溫下會(huì)結(jié)晶固化，給儲(chǔ)存和使用帶來(lái)了困難，因此硫磺回收裝置設(shè)有液硫成型工段，將回收的液態(tài)硫磺制成固態(tài)產(chǎn)品，以利于下游運(yùn)輸及使用[1]。

1 硫磺回收裝置工藝流程簡(jiǎn)介

硫磺回收裝置主要由制硫、尾氣處理、尾氣焚燒、液硫成型四部分組成，主要流程如圖1 所示。

圖1 硫磺回收裝置主要流程Fig.1 Main process of sulfur recovery

原油或煤中的硫化物在加工過(guò)程會(huì)中轉(zhuǎn)化為H2S，由于H2S 是劇毒物質(zhì)，對(duì)人體和環(huán)境有極大的毒害作用，因此需要進(jìn)行無(wú)害化處理。自從20 世紀(jì)30 年代克勞斯（Claus）法實(shí)現(xiàn)工業(yè)化以后，克勞斯工藝成為主要采用的硫磺回收工藝。克勞斯工藝首先將含有H2S 的酸性氣與氧氣在燃燒爐中進(jìn)行燃燒，通過(guò)嚴(yán)格控制氧氣量，使三分之一的H2S 燃燒生成SO2，然后剩余的H2S 與SO2進(jìn)入反應(yīng)器，在催化劑作用下進(jìn)行克勞斯反應(yīng)制得液態(tài)硫磺和水。反應(yīng)完成后的剩余氣體可以進(jìn)行再次二級(jí)、三級(jí)反應(yīng)以繼續(xù)回收其中含有的硫磺，提高回收率。通常兩級(jí)催化轉(zhuǎn)化的克勞斯工藝硫回收率為90% ～ 95%，三級(jí)轉(zhuǎn)化克勞斯工藝硫磺回收率為95% ～ 98%[2]。

隨著對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視，我國(guó)對(duì)SO2排放規(guī)定日益嚴(yán)格。根據(jù)GB 31570—2015《石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，酸性氣回收裝置的SO2質(zhì)量濃度排放限值為400 mg/m3，特別地區(qū)SO2質(zhì)量濃度排放限值為100 mg/m3。為了達(dá)到排放要求，需要在克勞斯工藝的基礎(chǔ)上增加尾氣處理與尾氣焚燒技術(shù)，目前使用較為廣泛的尾氣處理技術(shù)為SCOT 工藝。經(jīng)過(guò)SCOT 工藝處理后，硫磺回收率可達(dá)到99.8%。

為了便于安全運(yùn)輸，制硫工藝與尾氣處理得到的液態(tài)硫磺需要進(jìn)行固化成型。主要的液硫固化成型工藝主要分為造粒工藝和結(jié)片工藝，由于良好的產(chǎn)品質(zhì)量，目前造粒工藝應(yīng)用最為廣泛[1]。

2 固體硫磺顆粒的標(biāo)準(zhǔn)與要求

對(duì)于固體硫磺顆粒，國(guó)內(nèi)及國(guó)外都制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以規(guī)范其質(zhì)量要求。國(guó)內(nèi)硫磺顆粒標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 2449.1—2014《工業(yè)硫磺 第1 部分：固體產(chǎn)品》[3]，其主要指標(biāo)要求如表1 所示。

表1 GB/T 2449.1—2014 固體工業(yè)硫磺質(zhì)量要求主要指標(biāo)Table 1 GB/T2449.1-2014 solid sulfur industrial product main characters

國(guó)外主要采用SUDIC（Sulphur Development Institute of Canada）[4]標(biāo) 準(zhǔn) 衡 量 硫 磺 顆 粒 質(zhì) 量。SUDIC 標(biāo)準(zhǔn)由加拿大硫磺開(kāi)發(fā)研究所制定，目前已在北美及歐洲廣泛使用，SUDIC 標(biāo)準(zhǔn)主要指標(biāo)如表2 所示。

表2 SUDIC 標(biāo)準(zhǔn)主要指標(biāo)Table 2 SUDIC main characters

通過(guò)對(duì)比可以看出，SUDIC 標(biāo)準(zhǔn)要求硫磺顆粒水分含量小于自重的0.5%，相較于GB/T 2449.1—2014《工業(yè)硫磺 第1 部分：固體產(chǎn)品》含水量2%的要求更加嚴(yán)格，因此在選擇硫磺造粒設(shè)備時(shí)需特別注意產(chǎn)品含水量的要求。此外，SUDIC 標(biāo)準(zhǔn)包括對(duì)硫磺顆粒尺寸分布的要求，在使用SUDIC 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)需要確定造粒設(shè)備能否滿足相關(guān)粒徑分布指標(biāo)。

3 典型硫磺造粒設(shè)備介紹及比較

目前使用較為廣泛的硫磺造粒設(shè)備主要有三種，分別是回轉(zhuǎn)鋼帶造粒、轉(zhuǎn)筒噴漿造粒及水下濕法造粒[5]，其中回轉(zhuǎn)鋼帶造粒采用間接換熱，轉(zhuǎn)筒噴漿造粒和水下濕法造粒采用直接換熱。

3.1 回轉(zhuǎn)鋼帶造粒

回轉(zhuǎn)鋼帶造粒采用冷卻水與液態(tài)硫磺間接換熱的方式造粒，主要造粒設(shè)備為鋼帶機(jī)，工藝流程如圖2 所示。硫磺回收裝置生產(chǎn)的液態(tài)硫磺由硫磺泵經(jīng)蒸汽夾套伴熱管線輸送至過(guò)濾器進(jìn)行過(guò)濾，過(guò)濾后的液態(tài)硫磺經(jīng)蒸汽夾套伴熱管線進(jìn)入鋼帶造粒機(jī)轉(zhuǎn)筒布料器定子中的物料流道，布料器轉(zhuǎn)筒繞定子旋轉(zhuǎn)，液態(tài)硫磺經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)筒上的開(kāi)孔呈液滴狀滴落到下方運(yùn)行的鋼帶，滴落后的硫磺液滴受到液體表面張力的作用，在鋼帶上形成2 ～ 5 mm 的半球形液滴，鋼帶由電機(jī)驅(qū)動(dòng)向前運(yùn)行，鋼帶下方的冷卻水噴嘴在移動(dòng)過(guò)程中持續(xù)向鋼帶背面噴水進(jìn)行冷卻，該過(guò)程中冷卻水與鋼帶上方的硫磺液滴不直接接觸，液滴冷卻固化后形成半球形顆粒，運(yùn)行至鋼帶造粒機(jī)末端脫落輸送至下游設(shè)備。硫磺顆粒脫落后，鋼帶繼續(xù)回轉(zhuǎn)至轉(zhuǎn)筒布料器冷卻滴落的硫磺液滴，在鋼帶回轉(zhuǎn)至轉(zhuǎn)筒布料器前，脫模劑系統(tǒng)在鋼帶表面均勻涂抹一層脫模劑（通常為有機(jī)硅油，例如C6H18OSi2），用于冷卻凝固后的硫磺顆粒更容易從鋼帶表面脫落[6]。

液態(tài)硫磺溫度將會(huì)直接影響造粒質(zhì)量，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，液態(tài)硫磺在125 ℃能夠獲得最佳的造粒效果，因此，回轉(zhuǎn)鋼帶造?？膳鋫湟簯B(tài)硫磺預(yù)處理系統(tǒng)，其作用是將進(jìn)入造粒機(jī)的液態(tài)硫磺精確冷卻至125 ℃，使液態(tài)硫磺能夠更好地結(jié)晶，獲得更優(yōu)質(zhì)的硫磺顆粒產(chǎn) 品。

回轉(zhuǎn)鋼帶造粒主要設(shè)備包括鋼帶造粒機(jī)、預(yù)處理系統(tǒng)（可選配）、風(fēng)機(jī)、脫模劑系統(tǒng)，冷卻水系統(tǒng)等。

回轉(zhuǎn)鋼帶造粒的主要特點(diǎn)是：

圖2 回轉(zhuǎn)鋼帶造粒工藝流程Fig.2 Process flow of rotating steel belt granulation

（1）回轉(zhuǎn)鋼帶造粒過(guò)程中冷卻水與硫磺顆粒不直接接觸，硫磺產(chǎn)品含水量低（0.5%以下）。冷卻水可循環(huán)使用，無(wú)環(huán)境污染；

（2）回轉(zhuǎn)鋼帶造粒生產(chǎn)的半球形硫磺顆粒具有較好的外觀形狀和硬度，易于包裝運(yùn)輸，在市場(chǎng)上具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力；

（3）由于采用間接換熱方式，回轉(zhuǎn)鋼帶換熱效率較差，冷卻速度較慢，需要的鋼帶長(zhǎng)度較長(zhǎng)，造粒過(guò)程需要配備的輔助系統(tǒng)較多，占地面積較大；造粒能力受鋼帶寬度與速度的影響；

（4）造粒過(guò)程以動(dòng)設(shè)備為主，投資較高，易損件較多，需要大量維護(hù)工作?；剞D(zhuǎn)鋼帶由于撕裂及運(yùn)行疲勞等原因需要定期更換，成本較高[7]。

3.2 轉(zhuǎn)筒噴漿造粒

轉(zhuǎn)筒噴漿造粒采用霧化冷卻水與液態(tài)硫磺直接換熱的方式造粒，主要造粒設(shè)備為噴漿轉(zhuǎn)筒，工藝流程如圖3 所示。液態(tài)硫磺經(jīng)蒸汽夾套伴熱管線輸送至轉(zhuǎn)筒造粒機(jī)霧化噴嘴，轉(zhuǎn)筒內(nèi)同時(shí)設(shè)有高壓冷卻水霧化噴嘴，霧化的硫磺液滴與冷卻水接觸后冷卻固化，形成球形硫磺顆粒。轉(zhuǎn)筒內(nèi)壁設(shè)有若干組抄板，隨著轉(zhuǎn)筒的旋轉(zhuǎn)，球形硫磺顆粒不斷被抄起，霧化的液態(tài)硫磺不斷附著在已形成的球形顆粒表面，粒徑進(jìn)一步增大，直至受重力作用不能再被抄板抄起為止，通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)筒速度，噴漿轉(zhuǎn)筒可生產(chǎn)2 ～ 8 mm 的球狀硫磺顆粒，造粒后的硫磺顆粒通過(guò)轉(zhuǎn)筒一端的開(kāi)口進(jìn)入下游設(shè)備儲(chǔ)存包裝。轉(zhuǎn)筒噴漿造粒過(guò)程中由于霧化水與液態(tài)硫磺直接接觸，將會(huì)產(chǎn)生大量含硫水蒸氣，水蒸氣需要通過(guò)風(fēng)機(jī)引至水膜除塵器處理后排放，水膜除塵器過(guò)濾后產(chǎn)生的硫磺顆粒沉降在沉淀池底部，并通過(guò)螺旋輸送機(jī)排出回收利用[8]。

圖3 轉(zhuǎn)筒噴漿造粒工藝流程Fig.3 Process flow of rotary drum spraying granulation

轉(zhuǎn)筒噴漿造粒主要設(shè)備包括轉(zhuǎn)筒造粒機(jī)、水膜除塵器、螺旋輸送機(jī)、高壓水系統(tǒng)等。

轉(zhuǎn)筒噴漿造粒的主要特點(diǎn)是：

（1）液態(tài)硫磺與冷卻水直接換熱，傳熱速度較快，單臺(tái)轉(zhuǎn)筒生產(chǎn)能力可達(dá)40 t/h。

（2）已成形的硫磺顆粒在滾筒內(nèi)不斷與霧化硫磺附著，粒徑不斷增大，該造粒過(guò)程無(wú)法進(jìn)行精確控制，因此生產(chǎn)的球形硫磺顆粒粒徑分布不均勻；由于轉(zhuǎn)筒中霧化高壓水直接與硫磺接觸，含水量為0.5% ～ 1%。

（3）設(shè)備組成較為簡(jiǎn)單，布置緊湊，占地面積較小。

（4）造粒過(guò)程中霧化液態(tài)硫磺極易凝固附著在轉(zhuǎn)筒內(nèi)壁抄板，影響造粒效果，需要人工定期清理轉(zhuǎn)筒內(nèi)壁。

3.3 水下濕法造粒

水下濕法造粒采用冷卻水與液態(tài)硫磺直接傳熱的方式造粒，主要造粒設(shè)備為分布成型盤(pán)及成型罐，工藝流程如圖4 所示。液態(tài)硫磺經(jīng)蒸汽夾套伴熱管線輸送至分布成型盤(pán)，在分布成型盤(pán)內(nèi)液態(tài)硫磺受重力與表面張力作用形成小液滴后進(jìn)入成型罐，成型罐內(nèi)裝有冷卻水，液態(tài)硫磺液滴在滴入冷卻水中后迅速冷卻凝固，形成粒徑1 ～ 6 mm 的球形硫磺顆粒。硫磺顆粒在成型后沉積至成型罐底部，并通過(guò)成型罐下方的出口排出。由于排出的硫磺顆粒帶有大量水分，因此需要設(shè)置振動(dòng)脫水篩，經(jīng)過(guò)脫水后輸送至下游進(jìn)行儲(chǔ)存包裝。成型罐設(shè)有冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，由于硫磺顆粒在水中冷卻時(shí)會(huì)由于破碎或碰撞產(chǎn)生細(xì)顆粒，因此需要將成型罐溢流的冷卻水輸送至沉降池進(jìn)行沉降，沉降后的冷卻水經(jīng)換熱后由水泵循環(huán)至成型罐內(nèi)繼續(xù)使用，沉降的硫磺細(xì)顆粒通過(guò)沉降池底設(shè)置的螺旋輸送機(jī)排出池外回收利用[9-10]。

圖4 水下濕法造粒工藝流程Fig.4 Process flow of underwater wet granulation

水下濕法造粒主要設(shè)備包括成型罐、分布成型盤(pán)、振動(dòng)脫水篩、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、螺旋輸送機(jī)等。

水下濕法造粒的主要特點(diǎn)是：

（1）液態(tài)硫磺在冷卻水中直接換熱，傳熱速度最快，產(chǎn)量較高，單套設(shè)備生產(chǎn)能力可達(dá)90 t/h；

（2）液態(tài)硫磺液滴可在分布成型盤(pán)內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，粒徑分布較為均勻，球狀硫磺顆粒外觀形狀較好，由于直接在水中冷卻，含水量較高，為2%左右，如需降低含水量，則需要進(jìn)行進(jìn)一步干燥；

（3）造粒過(guò)程在水中進(jìn)行，無(wú)粉塵產(chǎn)生，工藝流程較為復(fù)雜，需要進(jìn)行脫水篩分，投資較高；

（4）造粒過(guò)程以靜設(shè)備為主，易損件較少，維護(hù)運(yùn)行成本較低。

可以看出，回轉(zhuǎn)鋼帶造粒、轉(zhuǎn)筒噴漿造粒及水下濕法造粒在冷卻方式、造粒效果、生產(chǎn)能力、設(shè)備組成及占地規(guī)模都各有不同，以上三種主要造粒設(shè)備的對(duì)比如表3 所示。

4 國(guó)產(chǎn)硫磺造粒設(shè)備介紹

目前，回轉(zhuǎn)鋼帶造粒、轉(zhuǎn)筒噴漿造粒與水下濕法造粒設(shè)備均已實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。

表3 硫磺造粒設(shè)備對(duì)比Table 3 Comparison of sulfur granulation equipment

1978 年，瑞典Sandvik 公司開(kāi)發(fā)了回轉(zhuǎn)鋼帶造粒機(jī)，并于20 世紀(jì)80 年代進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，目前國(guó)產(chǎn)鋼帶造粒機(jī)單臺(tái)生產(chǎn)能力為6 t/h。此外，國(guó)內(nèi)相關(guān)廠商研制了尖嘴式滾筒造粒機(jī)，在轉(zhuǎn)筒布料器上用尖嘴取代了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)筒的小孔。與小孔相比，尖嘴頂端殘留面積小，液滴脫落后不留殘液，不影響液滴下一次成型，現(xiàn)已在工業(yè)生產(chǎn)上開(kāi)始應(yīng)用[11]。

轉(zhuǎn)筒噴漿造粒設(shè)備由加拿大Enersul 公司于1960年起開(kāi)始推廣，國(guó)內(nèi)研制了RDG 型硫磺轉(zhuǎn)筒噴漿造粒機(jī)，于2009 年5 月在連云港成功開(kāi)車[9]。目前，國(guó)產(chǎn)轉(zhuǎn)筒噴漿造粒機(jī)的生產(chǎn)能力可達(dá)25 t/h。

水下濕法造粒設(shè)備在國(guó)內(nèi)開(kāi)始應(yīng)用時(shí)間較晚，2009 年投產(chǎn)的普光氣田采用了美國(guó)DEVCO 公司的水下造粒設(shè)備，國(guó)內(nèi)于2014 年成功研制了國(guó)產(chǎn)水下濕法造粒設(shè)備，目前國(guó)產(chǎn)設(shè)備單套生產(chǎn)能力可達(dá)90 t/h。

5 結(jié)論

通過(guò)上文研究可以看出，回轉(zhuǎn)鋼帶造粒、轉(zhuǎn)筒噴漿造粒與水下濕法造粒由于工藝原理及設(shè)備配置的不同，適用于不同的工況與裝置。

從造粒質(zhì)量的角度，回轉(zhuǎn)鋼帶造粒設(shè)備由于造粒大小較為均勻、造粒過(guò)程液態(tài)硫磺不與水分直接接觸從而含水量低，通過(guò)配備預(yù)處理器可精準(zhǔn)控制液態(tài)硫磺溫度，從而獲得較好的粒徑分布，適用于采用SUDIC 標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)外工程；轉(zhuǎn)筒噴漿造粒設(shè)備與水下濕法造粒設(shè)備均需要冷卻水直接與液態(tài)硫磺接觸，含水量可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，其中轉(zhuǎn)筒造粒設(shè)備粒徑分布不均勻，不適用于對(duì)粒徑分布要求較高的工況。

從生產(chǎn)能力的角度，回轉(zhuǎn)鋼帶造粒設(shè)備由于受到鋼帶寬度與回轉(zhuǎn)速度的限制，單臺(tái)設(shè)備最大造粒能力為20 t/h，適用于小型硫磺回收裝置，在用于大型硫磺回收裝置時(shí)需要設(shè)置多臺(tái)設(shè)備，占地面積較大，經(jīng)濟(jì)性較差；轉(zhuǎn)筒噴漿造粒設(shè)備能力取決于轉(zhuǎn)筒大小及旋轉(zhuǎn)速度，單臺(tái)設(shè)備最大造粒能力為40 t/h，適用于產(chǎn)量較大的硫磺回收裝置；水下濕法造粒設(shè)備換熱效率最高，生產(chǎn)能力最大，單套設(shè)備造粒能力可達(dá)90 t/h，適用于大型硫磺回收裝置。

從設(shè)備組成的角度，回轉(zhuǎn)鋼帶造粒設(shè)備需要配備冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、脫模劑系統(tǒng)等輔助設(shè)備，配套公用工程較多，設(shè)備組成較為復(fù)雜，造粒鋼帶需要定期更換（運(yùn)行兩百萬(wàn)次），維護(hù)成本較高；轉(zhuǎn)筒噴漿造粒設(shè)備組成簡(jiǎn)單，但生產(chǎn)過(guò)程中需要定期清理轉(zhuǎn)筒；水下濕法造粒需要配備冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，設(shè)備組成較回轉(zhuǎn)鋼帶造粒設(shè)備簡(jiǎn)單，維護(hù)成本較低。

目前隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源需求不斷增長(zhǎng)，能源結(jié)構(gòu)中含硫原油及天然氣的比例不斷上升[12]。由于油品及天然氣中的硫化物在燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量有害氣體，因此需要進(jìn)行脫硫處理，脫除的硫磺通常需要進(jìn)行固化造粒。作為普遍應(yīng)用的硫磺造粒設(shè)備，回轉(zhuǎn)鋼帶造粒、轉(zhuǎn)筒噴漿造粒及水下濕法造粒在工藝原理和生產(chǎn)特點(diǎn)都有所不同，適用于不同工況。在選擇硫磺造粒設(shè)備時(shí)，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量要求、產(chǎn)量以及投資等各因素，因地制宜選擇合適的造粒設(shè)備，以滿足差異化的生產(chǎn)需求。