國產化800kt/a大型硫磺制酸裝置設計技術總結

云南化工設計院有限公司 昆明 650041

1 概況

1.1 項目

我公司承擔EPC總承包的云南云天化國際化工股份有限公司紅磷分公司800kt/a硫磺制酸裝置，是云天化國際化工股份有限公司在云南開遠市全額投資建設的節能降耗技術改造項目之主體裝置。項目先后經云南省工信委和國家發改委核準，裝置于2008年6月開工建設，2009年9月建成，化工投料一次試車成功。2010年2月進行72 h性能考核，并相繼于2010年5月完成環保、消防、安全及職業衛生驗收。裝置建成投產以來，一直處于滿負荷、安全、穩定運行之中，發揮了較好的經濟、環保和社會綜合效益。

1.2 設計范圍

裝置設計由硫酸主體裝置和配套公用工程及輔助設施構成，硫酸裝置設計規模800kt/a(100t/h)100%H2SO4，含熔硫過濾100t/h(液硫)、焚硫轉化、干吸尾吸及高中低溫位熱能回收系統。配套公用工程有250 t/h脫鹽水站、25MW余熱發電、10000t/h循環水站、高低壓配電室、供汽(氣)等，配套輔助設施有液硫貯槽5000×2m3、成品酸槽5000×2m3及裝置保溫、絕熱、防腐、總圖運輸等。

2 生產方法

以固體硫磺為原料，采用蒸汽加熱熔硫、機械過濾、液硫貯存，采用液硫機械霧化焚硫、干空氣焚硫燃燒，轉化干吸采用“3+1”兩轉兩吸、塔前風機，采用廢熱鍋爐及高低過熱器、省煤器換熱回收高中溫位熱能，副產3.82MPa、450℃中壓蒸汽用于驅動風機和發電，采用HRS鍋爐及HRS預熱器和加熱器換熱回收低溫位熱能，副產0.8MPa飽和蒸汽并入全廠管網，尾吸采用氨法吸收制肥的生產方法。經生產實踐證明該工藝為先進成熟、優化合理、安全可靠的大型硫酸裝置生產方法。

3 工藝流程

硫磺制酸裝置工藝流程見圖1。

3.1 熔硫過濾

來自硫磺庫的固體硫磺經料斗及大傾角膠帶機送至快速熔硫槽，經0.7MPa低壓蒸汽加熱熔融后溢流至粗硫槽，再經粗硫泵送至液硫過濾機機械過濾，濾液進精硫槽，由精硫泵送至液硫貯槽，并自流入液硫地下槽，用液硫輸送泵送至爐前槽。收集后的含硫濾渣送硫鐵礦制酸廠作原料，富余熔硫能力供其它硫酸裝置使用。

3.2 焚硫轉化

來自爐前槽的液硫經爐前槽泵送至焚硫爐硫磺噴槍，經機械霧化并與干空氣接觸燃燒，產生含11%SO21050℃的高溫氣體，經廢熱鍋爐換熱降溫后，進轉化器Ⅰ段觸媒層轉化，產生的中溫SO3氣體經高溫過熱器換熱降溫后，進II段觸媒層轉化，再經熱換熱器換熱降溫后，進Ⅲ段觸媒層完成第一次轉化。出HRS塔的含SO2氣體，經冷換熱器和熱換熱器升溫后進Ⅳ段觸媒層，完成第二次轉化。轉化系統設有間接升溫裝置供觸媒升溫，系統總轉化率達99.85%。

圖1 800kt/a硫磺制酸裝置工藝流程

3.3 干燥吸收

空氣經鼓風機加壓后進干燥塔，與聯合循環酸槽干燥酸泵送入的濃酸在干燥塔填料層發生逆流接觸，吸收空氣中水份并經絲網除沫后送焚硫爐燃燒。

出Ⅲ段觸媒層的SO3氣體，依次經冷換熱器和省煤器Ⅰ換熱降溫后進HRS塔，與聯合循環酸泵送來并經HRS酸冷器冷卻的低溫酸和HRS泵送來的高溫濃酸分別在HRS塔上下兩段填料層逆流接觸，完成第一次吸收。吸收酸經HRS酸泵送至HRS鍋爐換熱后，部分經酸稀釋器稀釋后進HRS塔循環，部分經HRS加熱器及HRS預熱器換熱后進聯合循環酸槽。

出Ⅳ段觸媒層的SO3氣體，依次經低溫過熱器和省煤器II換熱降溫后進二吸塔，并與聯合循環酸槽二吸酸泵送來經二吸酸冷卻器冷卻的濃酸在二吸塔中填料層逆流接觸，完成第二次循環吸收，吸收率達99.99%。吸收后的濃硫酸流入聯合循環酸槽，由干燥酸泵出口分流至成品酸冷卻器冷卻后，進成品酸槽。

3.4 尾氣吸收

來自二吸塔并經除霧的含SO2尾氣進尾吸塔，與循環液槽循環泵送入的稀氨水逆向旋流接觸，發生中和反應循環吸收SO2。吸收液為亞硫酸銨溶液流入循環液槽，再經氧化生成硫酸銨溶液用泵送復合肥裝置，吸收尾氣經除沫后經煙囪排空。

3.5 熱力系統

脫鹽水經HRS預熱器預熱,并經除氧器加熱至105℃后，大部分經省煤器Ⅰ、Ⅱ升溫后進廢熱鍋爐，回收高溫位熱能后產生4.20MPa，256℃飽和蒸汽，再經低溫和高溫過熱器過熱后產生3.82MPa，450℃過熱蒸汽，送發電車間發電和硫酸車間驅動風機透平。其余進HRS加熱器升溫后進HRS鍋爐，回收低溫位熱能后產生0.8MPa飽和蒸汽，送低壓蒸汽管網。

4 主要設備選型設計

4.1 選型原則

遵循國產化設計原則，結合裝置高溫、低壓、耐蝕、熱應力影響等物性特征及操作參數要求，吸取國內外同類大中型硫酸裝置的設計經驗和教訓，按照先進可靠、性能保證、性價比高、售后服務好的指導思想和選型原則，合理選擇標準定型設備。并按《鋼制壓力容器》GB 150-1998和《鋼制焊接常壓容器》JB/T 4735-1997等相關設計、制造、檢驗及驗收標準規范，合理選擇耐溫耐蝕金屬和非金屬材料，優化非標設備結構設計。使設備選型滿足工藝要求，做到安全可靠有效運行，并使其選型和設計達到國內領先、國際先進、國產化率較高的技術水平。

4.2 非標設備設計

4.2.1 熔硫槽

快速熔硫槽為立式圓筒平底平蓋容器，內設有硬齒輪減速雙層平槳攪拌器，單位容積攪拌強度0.58kW，氣液界面加襯耐酸瓷磚，殼體外側采用角鋼或半管式夾套加熱保溫，主材選用Q235B，具有熔硫快速、槽底不積渣、操作穩定、生產能力大的技術特點。

4.2.2 焚硫爐

焚硫爐為臥式圓形鞍式支座爐，內襯保溫磚和耐火磚結構，頭部設空氣旋流設施和硫磺噴槍，以確保液硫的霧化與混合，爐內設三道耐火擋墻，以使霧化硫磺與干空氣充分混合燃燒，爐中與爐尾分設二次進風口，以補充氧氣及調節爐溫，促使完全燃燒避免硫的升華。由六個鞍式支座組成，以足夠的剛性和韌性承載爐體及抗外彎矩，而且只設一個固定其余活動，以保證溫度變化時的自由膨脹及消除熱應力。爐體主材選用低合金鋼及隔熱磚、耐火磚、輔以石棉板及水玻璃貼層。具有結構合理、生產負荷大、操作穩定、使用壽命長的技術特點。

4.2.3 轉化器

采用新型積木式不銹鋼轉化器，設備由筒體、支撐柱、短柱、隔板、格柵和底部支撐腿及附件組成，并采用完全焊接結構設計。催化劑床層和隔板由短柱逐級支撐，立柱將設備重量及負荷傳至設備基礎，并在底部支撐腿設有徑向滑動板，以消除設備熱膨脹產生的熱負荷。轉化器頂部采用斜平頂加筋結構，使其三段氣體分布均勻、減小段內溫差，設備進氣口處設有氣體導向分布筋板，以使氣體分布更加均勻和介質轉化更加充分，設備進出口還設置剛性較強的過渡段結構，緩解了管道應力對接口處的損壞。轉化器主材選用304H不銹鋼，部分部件及附件由廠商預制現場焊接完成。與傳統積木式轉化器相比，該設備具有結構簡單、重量較輕、轉化率高、操作穩定的技術特點。

4.2.4 干燥塔和吸收塔

干燥塔和吸收塔為立式圓筒蝶形底，內襯耐酸瓷磚碳鋼結構，采用DN76階梯型瓷環填料，支撐采用條梁，塔頂設金屬絲網除霧器或纖維除霧器(二吸塔)，塔上部設國產化陽極保護槽管式分酸器或ZeCrO合金槽管式分酸器(二吸塔)。主材選用碳鋼襯耐酸磚，上部除霧筒體采用304L。設備具有高分酸效率、低填料高度、抑制酸霧形成，優化操作狀況的優點。

4.2.5 廢熱鍋爐

廢熱鍋爐為臥式雙筒自然循環火管鍋爐，爐體由平行雙鍋筒、汽包和進出口煙箱等組成，具有熱效率高、安全可靠的技術特點，也具國內大型硫酸裝置成功運行業績經驗，由國產化供貨商提供。HRS廢熱鍋爐為浮頭式螺旋管換熱鍋爐，為美國孟莫克公司專利設備，由該公司配套提供。

4.2.6 換熱器

熱換熱器和冷換熱器為立式圓型蝶環式換熱器，結構分管殼兩程設計，采用蝶環式管板，且在中心區域不布列管，并以環式擋板替代常規圓缺型折流板，蝶環板管程與殼程流通面積之比約為25%，板間距為1～1.5m，優化流通面積和蝶環板數量可增加介質流速和降低管殼雙側阻力，并可任意調整氣體接口方位。殼程主材采用碳鋼，換熱管為滲鋁鋼管，具有傳熱效率高、雙側阻力小、一次投資省、設備安全可靠的技術特點。

4.2.7 高溫過熱器

高溫過熱器為立式箱型換熱設備，分別由低、高溫段組成，兩段間設噴水減溫器，進出口設集箱，換熱管采用螺旋鰭片管。高溫段管及鰭片采用304不銹鋼、低溫段采用12Cr1MoV材質，集箱、框架及護板采用304不銹鋼，換熱管及焊縫均進行100%渦流探傷加100%超聲波探傷檢驗，所有不銹鋼部件均進行酸洗鈍化處理，具有較好的密封、穩固和安全可靠性。

4.2.8 省煤器

省煤器為立式箱型設備，內設換熱管及翅片結構，低溫部分采用并流流程，使其與爐氣接觸的管壁溫度高于露點以防露點腐蝕。熱管主材為20GB3087，翅片為Q195、殼體為Q235材質，熱管及焊縫要求100%渦流加100%超聲波探傷檢驗，具有較好的密封、穩固和安全可靠性。

主要工藝設備一覽表見表1。

表1 主要工藝設備一覽表

5 自控技術

5.1 技術水平

根據《分散型控制系統工程設計規定》HG/T 20573-2000及《控制室設計規定》HG/T 20508-2000等規范規定，吸收目前國內外同類大中型硫酸裝置自控設計成功經驗，結合裝置物料特性及操作參數控制要求，本著技術先進、經濟適用、安全可靠的原則，自控設計采用先進的DCS/FCS控制系統，遠程I/O站和現場總線混合運用，通過現場儀器儀表對工藝生產全過程以及相關設施進行測量、控制、調節和數據采集，并通過OPC協議使硫酸裝置監控數據和信息與工廠MES系統連接，完成裝置信息化建設，確保裝置連續、高效、可靠運行和設備財產及人員安全，達到裝置節能減排，降低人工操作成本，提高資源綜合利用的目的。

5.2 主要儀表選型

遵循《自動化儀表選型規定》HG/T 20507-2000等標準規范，結合硫酸裝置及輔助設施各工序所處環境條件特征，按照裝置生產過程高溫、低壓、酸蝕、易堵塞等操作控制要求，硫酸主裝置采用FF總線儀表，其它設施和工序采用常規信號儀表。

溫度儀表集中檢測采用熱電阻(偶)感溫元件，就地采用萬向型雙金屬溫度計指示。

壓力儀表集中檢測采用壓力變送器及傳感器，就地采用不銹鋼壓力表指示。

流量儀表集中檢測采用差壓變送器配節流裝置流量計及電磁旋渦流量計等，就地采用金屬管轉子流量計指示。

液位儀表連續測量采用差壓法測量儀表或雷達液位計等非接觸式傳感器等，就地采用磁翻板液位計和玻璃液位計指示。

過程分析儀表根據不同介質要求分別采用無電極電導率濃度分析儀、pH測量儀、鈉離子分析儀和電導率測量儀、紅外線氣體分析儀、順磁式或外置式氧化鋯分析儀等進行測量。

機械檢測儀表渦輪發電機及蒸汽透平風機配置專用汽機和風機監測儀表系統(TST)進行特殊轉接處理，檢測儀表主要采用電渦流位置傳感器、電磁式加速震動傳感器、線性差動式位移傳感器、磁阻式轉速傳感器等。

6 工藝技術特點

6.1 裝置系統完整

裝置為國內第一套同時采用低溫位熱能回收(HRS)和尾氣吸收(氨肥法)系統，并與硫酸主體裝置同時設計、建設和順利建成投產的國產化大型硫磺制酸裝置。裝置由熔硫過濾、焚硫轉化、干吸尾吸組成，并首次引進消化吸收美國孟莫克(MECS)公司HRS低溫熱能回收技術，配套有液硫貯槽、成品酸槽、脫鹽水、余熱發電及供水、供電、供汽(氣)、車間分析、中心控制、綜合辦公室等公用工程及輔助生產設施，是典型的國產化大型硫磺制酸裝置，在國內硫酸磷肥企業和化工設計行業具有典型的示范參考和學習借鑒作用。

6.2 工藝技術先進

裝置采用的快速熔硫、機械過濾，“3+1”兩轉兩吸加尾吸，以及高中低溫位熱能回收技術，實現總轉化率99.85%，總吸收率99.99%，產品產能109t/h、酸濃度為98.02%(wt)、回收中壓蒸汽123.70t/h、低壓蒸汽41.70t/h，尾氣中SO2平均排放濃度28.11mg/Nm3、排放速率5.745kg/h，NH3平均排放濃度為41.73 mg/Nm3，各項技術指標均達到設計值，并達到國家和行業有關標準，為國內領先和國際先進水平。

6.2.1 采用聯合酸槽

裝置采用的低溫位熱能回收(HRS)技術，在國外相同裝置干吸系統均采用一塔對一槽的雙槽流程，設計中大膽創新采用干燥塔、二吸塔共用一臺聯合循環酸槽流程。HRS系統來酸可根據空氣中的水份含量，分別進聯合循環酸槽的干燥酸側和二吸酸側，串酸在聯合循環酸槽的下部完成，從而大大減少了串酸量，循環酸泵流量也由1200m3/h降為1000m3/h，降低了相應的能耗，保證了送至HRS系統的酸濃度大于98.5%、酸溫低于60℃的要求。

6.2.2 優化酸槽布置

聯合循環酸槽采用高位布置，干燥塔、二吸塔底與聯合循環酸槽共同存酸，因此簡化了工藝流程，減少了設備投資和裝置占地面積，同時降低酸泵揚程，節約了能耗，裝置投運后效果良好。

6.2.3 降低系統阻力

王老師：可是學生們無論是在課堂對話還是日常交流中出現的英語語法錯誤，已經到了非常嚴重的地步。要么缺主語，要么少謂語，詞不達意、歧義迭出、搭配不當等問題比比皆是。比如說，該用現在完成時的地方，用了一般過去時；該用on campus才符合表達習慣，卻寫成了at the campus；be動詞和實意動詞同時出現在一個句子中，而實意動詞沒有加ing……雖然作為英語教師，我能明白他們想表達的意思，但是總覺得很別扭。

HRS系統氣體阻力降為6.4kPa，較常規采用的一吸塔流程增加2.5kPa，尾吸系統阻力降增加4.0kPa，系統阻力降共增加6.4kPa，國內相同規模裝置不帶HRS系統和尾吸系統的阻力為46～47kPa，這樣該裝置阻力降將達到52.4～53.4kPa。設計中對總圖布置、工藝配管和熱熱換熱器、冷熱換熱器、轉化器等設備結構進行了減少阻力優化設計，目前裝置滿負荷運行的系統阻力降為42kPa，在行業內為先進水平。

6.2.4 強化節能措施

將二吸塔氣體入口溫度由通常的170℃降低到140℃，使省煤器中脫鹽水帶走更多的熱量，經計算可多回收熱量8.5942×106kJ/h，多產中壓蒸汽2.58t/h，每年節約標煤2352t，并可減少循環水量257m3/h，節能效果好。

6.2.5 優化設備結構

轉化器采用全不銹鋼積木式結構，并消化吸收國外先進技術對該設備的細部結構進行優化，使其在生產過程中安全、穩定、可靠，氣體分布均勻、工藝適應性好，保證了轉化率達99.85%。

6.3 設備安全可靠

裝置選用的標準定型和非標設備，選型先進、結構合理、材質可靠、使用安全，除HRS塔、HRS鍋爐、HRS酸稀釋器、HRS塔內分酸器及布林克(Brink)除霧器由美國孟莫克(MECS)公司供貨外，其余均為國產化設備，設備國產化率較高。裝置開車投產以來，設備完好率100%，無設備泄漏點，且處于長周期、滿負荷、安全、穩定運行，達到國內同行業同類裝置領先技術水平。

6.4 自動化水平高

裝置采用的自控技術方案和儀表選型的技術先進、選型合理，材質可靠，使用安全，控制系統和儀表選型全部采用消化吸收技術和國產化儀表。裝置開車以來，儀表投用率為98.17%、完好率為98.17%，控制回路投用率為100%，并長期處于安全可靠和穩定運行中，達到國內同行業同類裝置領先技術水平。

6.5 節能減排顯著

裝置采用高中溫位和低溫位熱能回收技術，以及工藝系統的優化、熔硫系統冷凝水回收利用和電器設備變頻調節等措施，實現回收3.82MPa、450℃中壓蒸汽123.7t/h用于發電，0.8MPa飽和低壓蒸汽41.7t/h并網，回收冷凝水17.8m3/h補充脫鹽水，裝置節能減排效果顯著，達到國內同行業同類裝置領先技術水平。

6.6 國產化率高

除低溫位熱能回收(HRS)技術和與其配套的關鍵設備從美國孟莫克(MECS)公司引進外，裝置采用的工藝設備及自控儀表均為國產化設備及自控儀表，設備及儀器儀表國產化率較高，并長期保持先進成熟、安全可靠、經濟適用、穩定運行，達到國內同行業同類裝置國產化領先水平。

7 裝置性能考核

7.1 試車考核

裝置于2009年9月建成投產，化工投料一次開車成功。2010年2月進行72h性能考核，產品產量、質量、消耗、環保、消防、安全、職業衛生等各項技術經濟指標均達到和超過設計值，并于2010年5月由政府相關部門完成了環保、消防、安全及職業衛生驗收。實現了國內國產化大型硫酸裝置工藝技術先進、建設工期短、投資控制好(招標確定)、裝置性能優的設計建設業績。

7.2 裝置性能指標

硫酸裝置產量、質量、技術、消耗、環保、噪聲和職業衛生等性能指標見表2～表8。

表2 裝置產量性能指標 (t/h)

表3 裝置質量性能指標

注：表中指標均達到國標值。

表4 裝置技術性能指標 (%)

注：表中性能指標達到或超過設計值。

表5 裝置噸產品消耗性能指標

表6 裝置環保性能指標

表7 裝置噪聲性能指標 (dB(A))

表8 裝置職業衛生性能指標 (mg/Nm3)

8 項目綜合效益

8.1 經濟社會效益

裝置設計概算投資3.2748億元，項目竣工投產決算投資3.35億元。建設過程實施EPC總承包，引進HRS技術及關鍵設備投資約0.93億元，國產化設計及配套部分2.1818億元，遞延資產及其它費用約為2382萬元。項目的建成投產將對云天化國際和紅磷分公司轉變經濟增長方式，調整產業結構，推動新一輪的經濟增長和可持續發展發揮重要的作用和產生較好的效益。并對拉動建廠地區經濟發展，增加地方財政稅收，解決就業，促進當地經濟社會的發展，發揮較好的社會效益。

8.2 節能減排效益

裝置建成投產后每年實現節能4.33658×109MJ，每年節省標煤148.1kt，節能效果顯著。實現SO2平均排放濃度28.11 mg/Nm3，排放速率5.745kg/h，平均排放NH3濃度為41.73 mg/Nm3，遠遠低于國家規定的環保排放標準要求，每年減少SO2排量1314t，減排效果明顯。節能減排設計指標的如期實現，將對建廠地區煤炭資源的開發利用和大氣環境的改善，宜居環境質量的提高產生巨大而又深遠的綜合效益。