硫磺制酸装置_3_1_与_3_2_两种转化工艺分析

硫磷设计与粉体工程

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S P &BM H RELAT ED ENG IN EERING

　　　　　　　　　

2002年第5期

硫磺制酸装置“3+1”与“3+2”两种转化工艺分析

杜　翔

(南化集团设计院, 江苏南京　210048)

针对新的国家环保标准要求, 硫酸装置排放的尾气中SO 2浓度应低于960mg /m 3。分析　　摘　要:了常用的“3+1”和“3+2”两种转化工艺的特点, 结合硫磺制酸工艺指出:在采用现一种催化剂的情况

下,“3+2”转化工艺原料气的φ(SO 2) 比“3+1”的更高时, 仍可获得同样高的最终转化率; 在原料气中φ(SO 2) 相同的条件下,“3+2”转化工艺对达到要求的最终转化率会更有保障。并建议:采用国产催化剂时宜选用“3+2”五段转化; 采用进口催化剂时可选用“3+1”四段转化。

关键词:硫酸生产+硫磺; 工艺; 转化十二氧化硫; 分析

T Q 111. 16　　　　　　　　　　　　　　文献标识码:B 中图分类号:

1009-1904(2002) 05-0034-04文章编号:

表1　两种转化工艺的主要技术经济指标

转化工艺

指标名称

两次转化

最终转化率/1

催化剂用量/L ·t -1·d -1　硫磺制酸　硫铁矿制酸炉气中φ(SO 2) /1　硫磺制酸　硫铁矿制酸鼓风机出口压力/kPa 尾气中φ(SO 2) /cm 3·m -3装置建设投资/1

10. 0%～10. 5%8. 5%～9. 0%

25～40200～3001. 1～1. 2

9. 0%～9. 5%8. 0%～8. 5%

20～303500～4500

1. 0

170～190200～210

190～210220～250

99. 7%～99. 8%

一次转化96. 5%～97. 5%

1　概述

自20世纪60年代以来, 硫酸生产中SO 2转化工艺最大的技术进步是采用了两次转化、两次吸收工艺, 简称两转两吸。该工艺流程中, 含SO 2的炉气通过前几段催化剂床层转化为SO 3后, 送去第一

次吸收, 吸收掉SO 3后的气体再送到其余的催化剂床怪, 使尚未转化的SO 2转化为SO 3, 然后送去第二次吸收。与传统的一转一吸工艺相比, 两转两吸工艺具有以下特点:①最终转化率高; ②能够处理φ(SO 2) 较高的炉气; ③可减少尾气中SO 2的排放量; ④所需的换热面积较大; ⑤系统阻力比一转一吸工艺增加4～5kPa 。现将两次转化与一次转化工艺的主要技术经济指标列于表1。

初始时, 这项新技术仅着眼于充分利用硫资源和减少尾气中的SO 2排放量, 保护环境, 此后在世界各国迅速得到了推广, 近30年新建的硫酸装置几乎都采用两转两吸工艺。该工艺的关键是保持转化工序的热量平衡, 使转化反应维持在某一理想的温度下进行。由于含SO 2的原料气来源多种多样, 为使最终转化率能尽量提高, 两转两吸工艺出现了多种流程。例如:在第一吸收塔之前原料气进行转化的催化剂层的段数为3, 其后的段数为2, 则可表示为“3+2”五段转化; 此外还有“3+1”四段转化, “2+2”四段转化,“2+1”三段转化等。目前国内硫磺制酸装置大多采用“3+1”四段转化和“3+2”五段转化, 本文着重对硫磺制酸装置中这两种转化工艺进

　　注:表内所列的催化剂用量系采用进口催化剂的数据; 装置建设投资以一次转化工艺为基准。

行分析。

2　“3+1”与“3+2”转化工艺的主要区别

在同等规模、最终转化率相等的硫磺制酸装置中, 采用这两种转化工艺在设计时主要有以下不同。2. 1　催化剂装填量不同

SO 2氧化为SO 3的化学反应是可逆的放热反应, 高温下的平衡转化率低, 低温下的平衡转化率高。由于反应活化能高, 这个反应在常温下进行得极慢。工业生产上为加快其反应速度, 必须采用催化剂, 使该反应能在不太高的温度下进行得足够快。对一定组分的原料气在某一催化剂中反应, 为2转化率, 其极大

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值, 与此对应的反应温度称为最佳反应温度。随着反应的继续, 转化率不断提高, 最佳反应温度则逐渐下降。因此, 为使转化反应能以最快的速率进行, 就应在反应过程中随着转化率的升高, 须采取相应的降温措施, 不断降低反应温度。

降温的方法有两种, 一种是利用热交换器让冷、热气体在两段催化剂床层之间进行换热(俗称中间换热式) , 另一种是在两段催化剂床层间直接搀入冷气体(俗称冷激式) 。转化反应的速度决定了含SO 2炉气在转化反应时需要的接触时间, 由此也就决定了催化剂的用量。如果转化反应的段数分得越多, 其反应温度就越接近最佳温度, 催化剂用量在理论上就会越少。但是分段多了使设备增多, 流程变复杂。

根据新的国家环保标准及发展要求, 新建的硫酸装置允许其尾气排放的SO 2浓度最高为960mg /m (标准状况) , 相应要求SO 2总转化率应达到99. 75%以上。硫磺制酸装置在原料气(炉气) 中φ(SO 2) 为9%～11%的条件下, 使用进口的普通钒催化剂, 采用“3+1”四段转化工艺, 其最终转化率可达到99. 8%或更高。采用“3+2”五段转化工艺, 四段出口的转化气经换热降温后进入五段进行转化, 从平衡转化率的角度考虑, 有利于平衡转化率的提高。一些硫磺制酸装置(如山东红日、昆阳磷肥厂等) 在“3+2”转化工艺中采用了国产的催化剂, 它们的最终转化率也达到了上述指标。但就催化剂装填量而

3

言, 同一种催化剂在同等装置规模、最终转化率相等的条件下, 采用“3+1”四段转化其装填量略高于“3

+2”五段转化。2. 2　工艺流程不同

显而易见, 采用“3+2”五段转化, 为控制转化器五段的进口转化气温度, 需要增加四段出口转化气的换热设备, 或者采用冷激式转化流程(通常采用冷激式的) 。

冷激式转化流程按所用的冷激气分为SO 2气和空气两种。SO 2冷激气转化流程是往转化反应后的热转化气中补充一定量的冷SO 2气(冷的原料气) , 使转化气的温度降低。该流程与外部换热的转化流程相比, 催化剂的用量要增加, 且冷激气补入的位置(催化剂层的段数) 越往后, 催化剂的增加量越多。它的优点是不必为此增设换热器。

空气冷激是在转化器五段催化剂床层的进口转化气中补加干燥空气, 它不但降低了该转化气的温度, 还为其补充了氧量, 对提高最终转化率非常有利。空气冷激也不必为其增加换热器, 但由于冷空气的加入, 系统的气量增大, 空气鼓风机的负荷须增大。

目前, 国内外硫磺制酸装置大多在转化器的四段出口设置中温蒸汽过热器, 用中压过热蒸汽与四段出口的转化气进行换热, 既降低了进五段的转化气温度, 又充分利用了转化气的余热。

常用的“3+2”与“3+1”转化工艺流程见图1和图2示意

。

图1　“3+2”五段转化工艺流程

示意

1”

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3　“3+1”与“3+2”转化工艺主要技术经济分析

从主要技术经济指标考虑, “3+1”与“3+2”两种转化工艺间不存在大的差异, 在相同的基本条件下两者的操作费用相差也不大, 仅在催化剂装填量和工艺流程上有一些小的差异。现以1000t /d (100%H 2SO 4计) 的硫磺制酸装置分别采用“3+1”、“3+2”转化工艺, 且原料气的φ(SO 2) 和最终转化率均相同为例, 两者的主要技术经济分析列于表2。

表2　硫磺制酸两种转化工艺主要技术经济分析

项目名称

催化剂装填量①/m 3

增加换热器及管道阻力/Pa 催化剂投资增加不锈钢转化器投资增加换热器及管道投资增加总投资增加

电耗增加引起操作费增加②催化剂消耗引起操作费增加

③

制酸装置, 已投产三年, 运行平稳, 最终转化率达99. 76%;山东红日化工股份有限公司400kt /a 硫磺制酸装置亦已平稳运行两年余。由上可见, “3+1”与“3+2”这两种转化工艺在国内的硫磺制酸装置中同时并存, 说明它们各有所长。笔者认为, 采用何种催化剂是选用哪一种转化工艺的重要影响因素。

从国内硫酸装置中积累的催化剂装填量的经验数据可知, 国产催化剂的装填量一般为280～300L /(t ·d ) , 进口催化剂的装填量一般为200L /(t ·d ) 。说明国产催化剂的质量与进口的对比尚存在一些差距, 主要反映在催化剂的活性和机械强度上。国产催化剂的耐热温度一般为600℃,进口催化剂则可达到620℃。国产催化剂的机械强度不够, 使用过程中容易粉化, 导致催化剂层阻力增大。由于这些原因, 上述提供的国产催化剂的装填量数据已考虑了必要的富裕。某360t /d (98%H 2SO 4计) 硫磺制酸装置采用“3+2”五段转化, 装填国产环型钒催化剂, 实际的催化剂装填量未考虑富裕度, 为256L /(t ·d ) , 也取得了较好的效果。说明国内的钒催化剂生产厂已在努力提高产品质量和稳定性, 相信在不久的将来国产的钒催化剂质量能赶上国际先进水平。

关于钒催化剂的价格, 国产的一般为1. 3万元(人民币) /米3, 进口的折人民币约为2. 65万元/米3, 若加上关税将接近3万元/米3, 是国产钒催化剂价格的二倍多。上述360t /d 硫磺制酸装置曾对钒催化剂的选用作了投资比较(见表3) 。由表3可见, 就一次性投资而言, 选用国产催化剂是具有一定价格优势的。

表3　国产钒催化剂的价格优势

项目名称

催化剂单位(人民币计) /元·米-3催化剂装填量/m 3

催化剂一次投资(人民币计) /元

SO 2转化用钒催化剂国产[1**********]000

进口[1**********]000

1000t /d 硫磺制酸转化工艺“3+1”22762万元

60万元④10万元8万元8. 16万元/年

8. 86万元/年

“3+2”203687

　　注:①按进口普通钒催化剂考虑装填量; ②电价按0. 3元/(千瓦·时) , 气体阻力增加约需增加功率34kW ; ③进口催化剂的平均使用寿命按7年计; ④不锈钢转化器投资按我院最近设计的两套大型硫磺制酸装置的中标价估算, 其中一套已投资。

由表2可见, 在同一规模、相同的原料气、相同

的催化剂, 且最终转化率相同的条件下, 以不锈钢转化器为例, 硫磺制酸装置采用“3+1”四段转化与采用“3+2”五段转化的总投资相差不大, 两者的操作费用相差也不大。

4　两种转化工艺在国内硫磺制酸中的应用

“3+1”四段转化和“3+2”五段转化, 这两种转化工艺在国内的硫磺制酸装置中目前都得到了应用。采用“3+1”的典型装置是苏州精细化工集团股份有限公司的300kt /a 硫磺制酸装置, 已连续运行两年多, 年开车率高于99%,最终转化率达99. 8%,日产量超过1000t (100%H 2SO 4计) , 排放的尾气中SO 2浓度低于730mg /m 、酸雾含量小于25mg /m 3(标准状况) ; 涪陵化工股份有限公司的300kt /a 硫磺制酸装置也已投入正常运行, 中石化南京化学工业有限公司磷肥厂的200kt /a 硫铁矿制酸装置已改造为250kt /a 硫磺制酸, 2000年底投入运行, 最终转化率达99. 75%。采用“3+2”的昆阳磷肥厂由40kt /a 硫铁矿制酸装置改造为120kt /a 的硫磺

3

5　结束语

1、根据新的国家环保标准规定, 硫酸装置排放的尾气中SO 2浓度必须低于960mg /m (标准状况) , 为此要求装置的最终转化率应达到99. 75%以上。采用“3+1”或“3+2”转化工艺, 都可使装置排放的尾气中SO 2浓度符合新标准规定的指标。

2、转化流程的选择除要考虑环境保护外, 主要

3

硫磷设计与粉体工程

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带搅拌的熔硫槽传热计算探析

徐文芹

(南化集团设计院, 江苏南京　210048)

带搅拌的熔硫槽其总传热系数K 值以往多按经验数据选取, 不能反映设备放大以及设　　摘　要:备结构与传热之间的关系。结合工程数据推荐了N u 数的计算式, 由此得出的K 值与实际的熔硫能力基本吻合, 并指出了影响熔硫能力的其他主要因素。

熔硫槽+搅拌器; 传热计算; 影响; 分析关键词:

T Q 111. 1:T Q 021. 3　　　　　　　　　文献标识码:B 中图分类号:

文章编号:1009-1904(2002) 05-0037-03

1　概述

在以硫磺为原料的硫酸装置中, 基于原料来源、运输和贮存等原因, 许多厂家选择固体硫磺为原料。早期的硫磺制酸装置规模较小, 多采用不带搅拌的

蒸汽间接加热使固体硫磺熔化, 也有采用带搅拌的小型熔硫槽。采用带搅拌的熔硫槽投资少、操作和维修人员少、生产率高, 已得到推广、应用。在放大设计时, 对总传热系数K 值, 许多设计者按经验数据选取, 无法反映设备放大以及设备结构与传热之间的关系。随着硫磺制酸装置向大型化发展, 带搅拌的大型熔硫槽的传热计算及设备设计就成为一个新课题。

热量传递一般以辐射、传导、对流或三者相结合的形式进行。带搅拌的熔硫槽的热量传递方式主要是传导和强制对流, 传热速率取决于被搅拌的液体硫磺和加热源介质的物理性质, 以及设备的几何形状和搅拌强度等因素。由于没有进行模拟试验的条件, 设计时我们按搅拌传热计算确定合适的设备参数, 并得出与实践比较符合的总传热系数。下面以实例对熔硫槽的搅拌传热计算进行探析。

取决于所用的钒催化剂和进转化器炉气中φ(SO 2) 的高低。与“3+1”四段转化相比, “3+2”五段转化工艺可在较高φ(SO 2) 的原料气下获得同样高的最终转化率; 在原料气中φ(SO 2) 相同的条件下, “3+2”流程对达到要求的最终转化率更有保障。

3、在当前的条件下, 如果采用进口催化剂, 建议

2　熔硫槽的搅拌传热计算

2. 1　主要参数

某熔硫槽直径3. 8m , 换热面积56. 7m 2, 双层4平直叶桨式搅拌器, 桨叶直径1. 2m 、宽0. 25m ,

搅拌器转速63r /min , 见图1。

该槽设计的熔硫能力为6000kg /h [以ω(H 2O ) =1%计], 实际运行中的熔硫能力达7500kg /h [以ω(H 2O ) =1%计]。槽内加热用蛇管共8组, 按周向均布排列, 每一组加热管的长度L =35m

,

图1　某熔硫槽结构示意

选用“3+1”四段转化; 若采用国产催化剂, 建议选用“3+2”五段转化。

作者简介:杜　翔(1973-) , 男, 江苏南京人, 助理工程师, 学

士, 从事硫酸工艺设计和建设工作。

(收稿日期:2002-05-10)

S P &B MH RELATE D ENGINEERING

Bimon th ly Total No . 50, No . 52002; Publi s hed on Sep . 30, 2002

　　　　(Initial Issue in Dec . of 1991)

AB STRACTS

which shows that the dense ph ase pulse fluid conveying ca n be adopted for long -di sta nce pneumatic conve ying and corr e -spondingly can be applied for mor e r ange . Key words :　pneum atic c onve ying +de nse phase +pulse fluid ; long -distance ; f luidizing ; air -adding pr opelling

The Tre atme nt and A nalysis for H ole Formin g in th e Coolin g Bun dle s of the Flu id ized B ed Roaste r in

Sulfu ric Acid Plant

HU Xiang -t ang (Chem ical F actor y of Yunfu Pyr ite Enterpr ise Group Company , Yunf u 527343, China )

Ab stract :　Hole f or ming in the c ooling bundles of the fluidized bed r oaster in sulf ur ic a cid plant is ver y h armf ul . I t intr o -duces the eme rgency tr eatme nt method . Af ter the analy sis to the bundles , it thinks that the hole f or ming is ca u sed by steam erosion or wate r impact . The asymm etr ic ar r angement of the cooling bundles is the main c ause for hole form ing . Af ter changing into symmetr ic arr angem ent , the hole form ing pr oblem of the cooling bundles i s comple tely eliminated . Key words :　f luidized bed roaste r ; sulfur ic acid pr oduction ; cooling bundles ; hole f or ming ; tr eatm ent ; analysis Y ANG Guo -hua 1, CHE N J in -l iang 2, ZHANG Hui -hua 3(1、Ningbo Univer sity , Ningbo 315211, China ;

2、Nanjing Chemical I ndu str y Gr oup Design I nstitute , Nanjing 210048, Ch ina ; 3、Jiangyin Longhua Mining Equipme nt F actor y , Jiangyin 214432, China )

Ab stract :　The impor tance of r aw coal prepar ing for gasf ica tion pr ocess is an alyzed . I t introduces the pr ocess of scree ning , classif ica tion and m olding of the ra w coal which is pr epare d to be r aw m ater ial coal f or gasif ica tion . The critic al technology of coal classification , in which the vibr ating fluidizing bed h as bee n adopted f or separ ating 3mm coals , is specially intr o -duced . Technical and economic analy sis of the technology has been conduc te d with r egard to actual proje cts , which shows the economic profit is signif icant . Key words :　r aw coal +scr eening +classific ation +molding ; vibr ating fluidizing bed ; coal gasif ica tion

Raw Coal Pre paring Proce ss and Its Critical Te chn ology in Fe rtilizer Factory

CHE N Shan -j i (Nanjing Chem ical Industrial Gr oup Design Institute , Nanjing 210048, China ) Ab stract :　Soder berg e lec tr ode is the one of the critical technologies for lar ge -sc aled electric phosphor us fur nace . The elec -tr ode c onsumption of unit product is much lower than that of pre -sinter ing ele ctrode . I t gives br ief intr oduc tion to the elec -tr ode selection of the electr ic ph osphorus furnaces at h ome and abroad . I t a nalyzes the physic change of electr ode paste dur -ing sintering and the re quir ement f or the electr ic phosphorus pr oduction fur nace to the electr ode paste . F r om the perspec tive of de cre asing the production cost of the electr ic phosphor us production f ur nace a nd the domestic applic ation experiences of Sode rber g electr ode , it suggests to promote the a pplica tion in the electr ic phosph or us pr oduc tion furnaces . Key words :　electr ic f ur nace +phosphor us pr oduc tion ; S oder ber g electr ode ; application

The Ap p lication an d Featu res of So derb e rg Ele ctro de in Electric Ph osp horu s Prod uction

Fu rnace (to be continued )

The An alysis fo r “3+1”and “3+2”Con versio n Processe s in the Su lfuric Acid Plan t Base d on Sulfur

Du Xiang (Nanjing Che mical Industrial Group Design Institute , Nanjing 210048, China )

Ab stract :　Accor ding to the new national environmental protection standard , SO 2content in the tail gas emitted f rom the sulfuric acid plant shall be lower th an 960mg /m 3. I t analyzes the f eatures of “3+1”and “3+2”conversion pr ocesses and points out when using one kind of ca talyst , φ(SO 2) in “3+2”f eed gas conversion is higher than that in “3+1”f eed gas con -version , the sa me final conversion r ate can be r eached . When φ(SO 2) in “3+2”feed gas conversion is the same as that in “3+1”conversion process gas , “3+2”conv ersion process can ensure the required final conversion rate . I t suggests that it is better to use domestic catalyst fo r “3+2”conversion and the impor ted catalyst for “3+1”conversion . Key words :　sulf ur ic acid production +sulf ur ; pr ocess ; conver sion +SO 2; a nalysis

The H eat Tran sfer Calculation for the Su lfur M eltin g Tan k with Agitato r

XU Wen -qin (Nanjing Chemic al I ndustr ial Group Design I nstitute , Nanjing 210048, China ) Ab stract :　The total he at tr ansfe r coef fic ient K of the sulf ur melting t ank with agitator s is de ter mined on the exper ie nce da ta , which can not re flect the r elationship of the equipment enlar ging and equipm ent str uctur e with heat tr ansfe r . Com -bine d with e ngineer ing data , it r ecom mends the calculation f or mula of Nu value , fr om which the calculated K is basically i -dentical to the actual sulf ur melting c apacity . I t also points out other m ain f actors influe ncing the sulfur melting capacity . Key words :　sulf ur melting tank +agitator ; hea t tr ansfer calculation ; influe nce ; analysis

The Stren gth Calcu lation of the M anifold Flan ge of Tub e -shell H eat Exchange r with M ulti -tu b e Passes

GUO Qing -s ong (Nanjing C hemic al I ndustr ial Group Design I nstitute , Nanjing 210048, China ) Ab stract :　The gasket sealing f or the m anif old flange of high temper atur e and high pr essure he at e xchange r with m ulti -tube passes h as inf luence to the flange stre ngth , but ther e is no r elated sta te ment in r ela ted standar ds and codes , it is e asily ne -glec te d in the design . Through the calculation and analysis of the ac tual e xample , it f inds tha t the inf luence is big sometimes . I t suggests th at the str ength calcula tion i s m ade through converting to ensure the saf ety and r eliability . Key words :　tube -shell hea t e xchange r +m ulti -tube passes ; manifold gasket ; f lange ; stre ngth ; c alcula tion

Pneu m atic Con veying Techno lo gy for Po wd er an d Granular M aterials

L I Y ong (Mechanical Engineer ing C ollege of Qingda o Science a nd Technology University , Qingdao 266042, China ) Ab stract :　I n r ecent ye ars , the pneumatic conveying technology has bee n exte nsively applied and r apidly developed in the powder and gr anular conveying field . The histor y and pr ese nt situation of the te chnology have bee n descr ibed . The classif i -ca tion , a dvantages and disa dvantages of diffe rent conveying types ha ve be en introduced , as well as the f actors which shall be taken into account in selecting conveying type . The commonly u sed nega tive and positive pr essur e pne uma tic conveying sy s -te m have bee n described in de tail . atic ; classif ; pr esent