單產(chǎn)發(fā)煙硫酸的硫磺制酸系統(tǒng)酸濃度控制生產(chǎn)實(shí)踐

余邦安

（福建申遠(yuǎn)新材料有限公司，福建福州 350512）

隨著國(guó)內(nèi)己內(nèi)酰胺產(chǎn)能不斷擴(kuò)大、產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高，對(duì)于生產(chǎn)己內(nèi)酰胺必不可少的發(fā)煙硫酸品質(zhì)要求也在不斷提高。福建某公司現(xiàn)有1套配有HRS的硫磺制酸系統(tǒng)，采用“3+1”二轉(zhuǎn)二吸工藝流程，單產(chǎn)500 kt/a發(fā)煙硫酸，生產(chǎn)過(guò)程中酸濃度控制至關(guān)重要。

配套HRS單產(chǎn)發(fā)煙硫酸的硫磺制酸系統(tǒng)，轉(zhuǎn)化煙氣在2#省煤器后可有三個(gè)去處：一是去HRS系統(tǒng)熱回收塔進(jìn)行三氧化硫吸收；二是去發(fā)煙硫酸塔進(jìn)行三氧化硫吸收；三是直接去一吸塔進(jìn)行三氧化硫吸收。通常情況下，經(jīng)過(guò)HRS熱回收塔吸收后的煙氣和經(jīng)過(guò)發(fā)煙硫酸吸收塔吸收后的煙氣匯合后去一吸塔進(jìn)行一次吸收。煙氣走向示意見(jiàn)圖1。

圖1 煙氣走向示意

正常生產(chǎn)過(guò)程中，自2#省煤器進(jìn)一吸塔的3#煙氣閥門不作為常規(guī)調(diào)節(jié)使用，而是通過(guò)HRS熱回收塔1#進(jìn)氣閥門和發(fā)煙硫酸吸收塔2#進(jìn)氣閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)操作。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是單產(chǎn)發(fā)煙硫酸，不生產(chǎn)w(H2SO4)98%硫酸，因而未專門設(shè)置產(chǎn)w(H2SO4)98%硫酸的管道和相應(yīng)的設(shè)備，但系統(tǒng)中存在w(H2SO4)98%硫酸和HRS低溫?zé)峄厥障到y(tǒng)的w(H2SO4)99%的高溫硫酸，這些不同濃度的硫酸都作為生產(chǎn)發(fā)煙硫酸的中間體。該系統(tǒng)中的發(fā)煙硫酸冷卻器出口后硫酸分為三路，其中一路作為發(fā)煙硫酸吸收塔上塔酸，一路作為發(fā)煙硫酸產(chǎn)酸，最后一路則回至干燥一吸循環(huán)槽（干燥塔和一吸塔共用1個(gè)循環(huán)槽）作為串酸使用，該系統(tǒng)干吸工序中二吸塔循環(huán)槽產(chǎn)酸至干燥一吸循環(huán)槽，HRS熱回收系統(tǒng)中的w(H2SO4)99%硫酸也產(chǎn)酸至干燥一吸循環(huán)槽，而干燥一吸循環(huán)槽的酸則全部用于發(fā)煙硫酸濃度調(diào)節(jié)。

1 硫酸濃度調(diào)節(jié)

該系統(tǒng)酸濃度的控制難度較大，其主要原因有以下幾方面：①該系統(tǒng)單產(chǎn)發(fā)煙硫酸；②下游生產(chǎn)對(duì)發(fā)煙硫酸的酸濃度和透明度的穩(wěn)定性要求極其苛刻；③季節(jié)變化對(duì)干燥酸濃度影響巨大；④該系統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)備和管道要求發(fā)煙硫酸的酸濃度盡可能穩(wěn)定，這有利于保護(hù)生產(chǎn)設(shè)備和管道。

該系統(tǒng)酸濃度的控制包括干燥酸濃度控制和發(fā)煙硫酸濃度控制2個(gè)方面。

1.1 干燥酸濃度的控制

干燥酸濃度的穩(wěn)定直接影響發(fā)煙硫酸濃度的穩(wěn)定，系統(tǒng)中使用w(H2SO4)為98%的硫酸干燥空氣，干燥酸作為發(fā)煙硫酸濃度調(diào)控使用。生產(chǎn)發(fā)煙硫酸對(duì)進(jìn)入干燥塔的水分有一定的要求，按下式計(jì)算[1]：

式中：A——不同酸濃度下SO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；

a——生產(chǎn)1 kg SO3時(shí)，隨爐氣進(jìn)入干燥塔的水量，kg。

生產(chǎn) w(H2SO4) 105% 發(fā)煙硫酸，A=0.857 1，可以得到 a=0.166 7 kg，表明每生產(chǎn) 1 kg SO3，隨爐氣進(jìn)入干燥塔水分低于0.166 7 kg才能生產(chǎn)出標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)煙硫酸，如果高于0.166 7 kg則系統(tǒng)必須生產(chǎn)一部分濃度較低的硫酸。以地處福建的該公司為例，夏季空氣潮濕，冬季空氣干燥，所帶來(lái)的結(jié)果是夏季干燥酸濃度不易控制，需要采取必要的措施才能維持干燥酸濃度，而冬季則需要向干吸循環(huán)槽加水保持干燥酸濃度。

夏季干燥一吸循環(huán)槽酸濃度控制主要有2種方法：第一種方法是通過(guò)改變煙氣的路徑來(lái)維持干燥酸濃度，即打開(kāi)圖1中的3#閥門，使一部分三氧化硫在一吸塔被吸收，以提高干燥一吸循環(huán)槽的酸濃度；第二種方法是發(fā)煙硫酸循環(huán)槽串酸至干燥一吸循環(huán)槽，以提高干燥酸濃度。第一種方法最嚴(yán)重的缺陷是一吸塔進(jìn)氣溫度較低，不利于煙氣的吸收，造成一吸塔上端硫酸霧較為嚴(yán)重，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中一吸塔上端人孔視鏡模糊不清。隨著酸霧的增加一吸塔塔頂纖維除霧器的工作負(fù)荷增加，除霧器聚集的硫酸增多，極易形成硫酸二次夾帶，同時(shí)會(huì)降低除霧器的使用壽命。第二種方法存在的安全隱患是發(fā)煙硫酸一旦接觸w(H2SO4)98%硫酸后會(huì)產(chǎn)生大量的硫酸霧，最終造成干燥酸循環(huán)泵泵軸和其他暴露在硫酸霧環(huán)境中的設(shè)備和管道的腐蝕。干燥酸循環(huán)泵泵軸腐蝕見(jiàn)圖2。

圖2 干燥酸循環(huán)泵泵軸腐蝕

由圖2可見(jiàn)，干燥泵的四氟軸套已經(jīng)腐蝕碳化、破碎，泵軸也出現(xiàn)不均勻腐蝕點(diǎn)，致使該泵無(wú)法繼續(xù)使用。2種方法相比，第1種方法更為實(shí)用，即增加一吸塔的進(jìn)氣量，為了保證系統(tǒng)的安全，間斷性地對(duì)一吸塔出口氣體進(jìn)行硫酸霧含量檢測(cè)非常必要。

1.2 發(fā)煙硫酸濃度的控制

發(fā)煙硫酸生產(chǎn)過(guò)程中，酸溫度的控制極其重要，直接決定著發(fā)煙硫酸吸收塔的吸收效果。同時(shí)對(duì)于崗位操作者來(lái)說(shuō)酸溫度更為敏感，因?yàn)樗釡囟戎苯雨P(guān)系著酸濃度的顯示結(jié)果。該公司使用艾默生的酸濃度儀，該酸濃度儀是通過(guò)測(cè)量電導(dǎo)率的方式來(lái)測(cè)量發(fā)煙硫酸濃度，不同溫度下硫酸濃度和電導(dǎo)率對(duì)照見(jiàn)表1。

表1 不同溫度下硫酸濃度和電導(dǎo)率

表1的數(shù)據(jù)和實(shí)踐結(jié)果表明：發(fā)煙硫酸的溫度控制在40 ℃左右酸濃度值顯示穩(wěn)定，可以滿足生產(chǎn)的要求。

該發(fā)煙硫酸生產(chǎn)系統(tǒng)中各個(gè)吸收塔進(jìn)氣閥的控制也非常重要，特別是HRS吸收塔和發(fā)煙硫酸吸收塔整塔氣阻接近時(shí)煙氣進(jìn)塔的選擇性變差，進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)難度增大。硫酸生產(chǎn)系統(tǒng)中，發(fā)煙硫酸吸收塔和HRS吸收塔的進(jìn)氣需要達(dá)到穩(wěn)定的進(jìn)氣平衡：如果發(fā)煙硫酸吸收塔進(jìn)氣量過(guò)多，則進(jìn)HRS吸收塔的煙氣量太小，難以提供足夠的w(H2SO4)98%的硫酸用來(lái)調(diào)控發(fā)煙硫酸的濃度（HRS系統(tǒng)產(chǎn)酸至干燥一吸循環(huán)槽，干燥一吸循環(huán)槽的酸全部串至發(fā)煙硫酸循環(huán)槽用于調(diào)控酸濃度），會(huì)導(dǎo)致發(fā)煙硫酸濃度上升無(wú)法控制；相反如果發(fā)煙硫酸吸收塔進(jìn)氣量太小，則進(jìn)HRS吸收塔的進(jìn)氣量太大，造成系統(tǒng)中w(H2SO4)98%硫酸有富余，導(dǎo)致發(fā)煙硫酸濃度下降無(wú)法控制。對(duì)于HRS吸收系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，煙氣的平衡也至關(guān)重要，該系統(tǒng)安全生產(chǎn)酸濃度范圍小[混合器酸w(H2SO4)99.00%~99.20%，產(chǎn)酸w(H2SO4)99.40%~99.80%]，一旦酸濃度跨過(guò)安全生產(chǎn)范圍，則泄漏的危險(xiǎn)極大，因此，生產(chǎn)過(guò)程中必須保證系統(tǒng)煙氣調(diào)控平穩(wěn)。煙氣管上的煙氣閥通常采用蝶閥，該公司生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)：①當(dāng)HRS吸收塔和發(fā)煙硫酸吸收塔進(jìn)氣閥開(kāi)度值相加比較大時(shí)（閥門開(kāi)度值相加大于140%），HRS吸收塔和發(fā)煙硫酸吸收塔進(jìn)氣量難以有效控制，此時(shí)酸濃度、酸溫度及產(chǎn)酸量都極其不穩(wěn)定；②HRS吸收塔和發(fā)煙硫酸吸收塔進(jìn)氣閥開(kāi)度值相加比較小時(shí)（閥門開(kāi)度值相加小于90%），焚硫爐溫度、轉(zhuǎn)化器前三段溫度隨之上升，且壓力也上升，此時(shí)系統(tǒng)出氣受阻、憋壓，影響到系統(tǒng)煙氣的正常流通，不利于系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)；③當(dāng)2個(gè)閥門的閥開(kāi)度值相加在100%~120%時(shí)，HRS系統(tǒng)和發(fā)煙硫酸系統(tǒng)酸濃度、酸溫度易于控制且生產(chǎn)穩(wěn)定，且此時(shí)系統(tǒng)中不存在系統(tǒng)憋壓的現(xiàn)象，轉(zhuǎn)化溫度、焚硫爐溫度、煙氣管上的煙氣壓力正常。

系統(tǒng)在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)遇到HRS系統(tǒng)需要隔離出來(lái)進(jìn)行檢修的情況，在該過(guò)程中如果操作不當(dāng)后果會(huì)非常嚴(yán)重。HRS系統(tǒng)隔離檢修時(shí)，需要開(kāi)大3#閥門，但如果該閥門開(kāi)度過(guò)大，則會(huì)導(dǎo)致一吸塔吸收失控，極易造成干燥酸濃度呈直線上升，直接成為發(fā)煙硫酸，后果極其嚴(yán)重。尤其是在冬季，此時(shí)空氣中的水分含量低，干吸酸循環(huán)槽原本需要增加大量的水才能維持干吸酸w(H2SO4)為98%。當(dāng)HRS被隔離出來(lái)后大量的煙氣轉(zhuǎn)至一吸塔吸收，此時(shí)更需要密切注意煙氣閥門的開(kāi)度和吸收塔上酸和回酸的溫度差值，這是因?yàn)榘l(fā)煙硫酸吸收塔和HRS熱回收塔為了能夠更好地吸收煙氣中的三氧化硫都在不同程度上裝填了用于吸收的填料，而一吸塔進(jìn)氣直接走的是煙氣空管，一吸塔的煙氣的阻力是要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于發(fā)煙硫酸吸收塔和HRS熱回收塔[2]。在操作過(guò)程中，須將發(fā)煙硫酸塔進(jìn)氣閥門全開(kāi)，適當(dāng)開(kāi)大3#閥門，以發(fā)煙硫酸吸收塔回酸溫度為基準(zhǔn)，參照HRS未隔離時(shí)的回酸溫度對(duì)煙氣進(jìn)行調(diào)配，保證系統(tǒng)在HRS系統(tǒng)需要隔離時(shí)依然能夠持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。

需要特別強(qiáng)調(diào)的是，HRS熱回收系統(tǒng)最顯著的特點(diǎn)是酸濃度高、酸溫度高、腐蝕性極強(qiáng)，所使用的設(shè)備、管材、儀表、儀器都由特殊材料制成，而該材料對(duì)于酸濃度、酸溫度的變化非常敏感，設(shè)備、管材在操作范圍以外腐蝕速率極快，危險(xiǎn)性高，所以在生產(chǎn)過(guò)程中需要嚴(yán)格控制酸濃度，嚴(yán)格監(jiān)測(cè)酸溫度變化。HRS熱回收塔進(jìn)氣量的變化會(huì)直接影響整個(gè)HRS熱回收系統(tǒng)的酸濃度和酸溫度的變化，甚至影響到整個(gè)硫磺制酸系統(tǒng)的正常生產(chǎn)，所以煙氣閥門調(diào)節(jié)對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。

2 運(yùn)行實(shí)踐

在生產(chǎn)前期，干吸工序時(shí)常通過(guò)發(fā)煙硫酸循環(huán)槽酸串至干吸酸循環(huán)槽來(lái)調(diào)控干吸酸循環(huán)槽w(H2SO4)98%的硫酸濃度，但是因?yàn)楦稍锼嵫h(huán)泵泵軸聚四氟乙烯套嚴(yán)重?fù)p毀，造成泵軸嚴(yán)重腐蝕，后期隨著泵振動(dòng)不斷升高，軸承溫度、泵軸溫度也不斷升高，可達(dá)到75 ℃之上，不得不停車檢修，最終更換酸泵和酸泵軸承。更換結(jié)束后近半年的時(shí)間，發(fā)煙硫酸循環(huán)槽未向干吸酸循環(huán)槽串酸，而是通過(guò)圖1中打開(kāi)3#閥門進(jìn)氣的方式調(diào)節(jié)干吸酸循環(huán)槽的酸濃度將干吸酸循環(huán)槽酸w(H2SO4)控制在98.1%~98.4%，符合干吸酸循環(huán)槽酸濃度工藝指標(biāo)的要求。通過(guò)日常監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，干吸酸循環(huán)槽上的一吸塔循環(huán)酸泵和干燥酸循環(huán)泵運(yùn)行平穩(wěn)，軸承溫度保持在60 ℃以下，特別是干燥酸循環(huán)泵軸承溫度維持在50 ℃左右，2臺(tái)泵振動(dòng)僅0.5 mm/s左右，符合該動(dòng)設(shè)備的運(yùn)行要求，此外，日?；?yàn)分析的結(jié)果顯示，一吸塔吸收率可以達(dá)到99.99%，且一吸塔內(nèi)的除霧器進(jìn)出口的壓差沒(méi)有因?yàn)榇蜷_(kāi)3#閥門而升高，而冷熱換熱器也無(wú)冷凝酸排出。生產(chǎn)實(shí)踐表明系統(tǒng)運(yùn)行安全穩(wěn)定。

在系統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程中，發(fā)生過(guò)HRS系統(tǒng)混合器泄漏的情況，在無(wú)法進(jìn)行帶壓堵漏的情況下，技術(shù)人員選擇將低溫?zé)峄厥障到y(tǒng)停下來(lái)進(jìn)行檢修。在切換圖1中的1#閥門和3#閥門時(shí)，通過(guò)發(fā)煙硫酸吸收塔的上酸和回酸的溫度差指導(dǎo)調(diào)節(jié)3#閥門的開(kāi)度，通過(guò)干吸酸循環(huán)槽的酸濃度儀顯示指導(dǎo)調(diào)節(jié)干吸酸循環(huán)槽的加水量，并嚴(yán)格控制一吸塔的上酸溫度，最終的結(jié)果顯示，切換前后發(fā)煙硫酸吸收塔的上酸和回酸溫差相差不大，且干吸酸循環(huán)槽酸濃度等指標(biāo)得到了很好的控制，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于濕度大的夏季，干燥酸濃度可通過(guò)適當(dāng)開(kāi)大一吸塔煙氣閥來(lái)調(diào)節(jié)，特別是在空氣濕度較小的冬季且HRS系統(tǒng)隔離出來(lái)時(shí)更需要及時(shí)有效地調(diào)整一吸塔進(jìn)氣閥門，合理調(diào)節(jié)一吸塔和發(fā)煙硫酸吸收塔的煙氣閥，保證生產(chǎn)的穩(wěn)定。在日常生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)煙硫酸吸收塔和HRS熱回收塔進(jìn)氣閥值需要密切注意，發(fā)煙硫酸的溫度控制也至關(guān)重要，需要嚴(yán)格把控。