300kta硫磺制酸装置焚硫转化工段焚硫炉工艺设计.docx
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300kta硫磺制酸装置焚硫转化工段焚硫炉工艺设计
毕业论文（设计）
（2013年）
课题名称300kt/a硫磺制酸装置
焚硫转化工段-焚硫炉工艺设计
300kt/a硫磺制酸装置焚硫转化工段-焚硫炉工艺设计
摘要
本文论述了硫磺制酸生产装置的工艺流程与建设意义。
本文介绍了使用AspenPlus流程模拟软件模拟主要装置的方法，并对整个流程进行了模拟，对整个流程进行了物料衡算和能量衡算。
焚硫工段是本文的重点研究对象，本文给出了焚硫炉的主体尺寸的计算方法和过程，并对焚硫炉进行了详细设计。
此外，本文对主要设备进行了选型，介绍了焚硫工段的设备布置和配管设计，以及该工段的DCS控制系统。
300kt/asulfuricacidplantburningsulfurconversionsection-burningsulfurfurnaceprocessdesign
Abstract
Thisarticlediscussesthesulfuricacidproductionplantprocessesandconstructionofimportance.ThispaperdescribestheuseofAspenPlusprocesssimulationsoftwaretosimulatethemaindevice,andtheentireprocesswassimulated,theentireprocesshasbeenthematerialbalanceandenergybalance.Burningsulfursectionisthefocusofthisstudy,thispaperpresentsthesulfurburningfurnacebodysizecalculationmethodandprocess,andtheburningofsulfurfurnacedesignedindetail.Inaddition,thispaperconductedaselectionofmajorequipment,burningsulfursectiondescribestheequipmentlayoutandpipingdesign,andthesectionoftheDCScontrolsystem.
Keywords:
Sulfuricacidproduction;AspenPlusprocesssimulation;burningsulfurfurnace
第一章文献综述
1.1硫酸简介
硫酸（分子式：
H2SO4）作为广泛用于化肥、纤维、制药等化学工业及钢铁、有色金属、食品等各种工业的基础原料，有工业之母之称。
硫酸按浓度分，一般分为稀硫酸（密度小于1.5g/m3）、浓硫酸（密度约为1.84g/m3）和发烟硫酸（密度大于1.84g/m3）。
常用的稀硫酸浓度为15%和20%左右，浓硫酸浓度一般为93%和98%酸，发烟酸浓度常用为104.5%和106.75%。
生产硫酸的原料主要有硫铁矿、硫磺、石膏、硫化氢、有色金属冶炼烟气、废酸和各种含硫排放物，全世界硫资源近90%用于生产硫酸[1]。
1.2国内外硫酸工业概况
硫酸作为传统的无机基本化工原料，自18世纪中叶工业化生产以来，随着炸药、染料工业的兴起而迅速发展，现今随化肥工业、有色冶金、石油化工、纺织和国防工业、轻工业及其它有关工业的发展而不衰[2]。
世界硫酸的产量增长很快，在20世纪初，其总产量只有几百万吨，到1997年，其产量达155163kt，最近40年的年平均递增率为5.2%[1]。
全球硫酸产量近十多年均是正增长，而到2006年的总产量约196000kt[2]。
生产硫酸的原料以硫磺为主，冶炼烟气次之，两者共占所用原料总量的90%以上，而使用硫铁矿制酸在逐年减少[2]。
如:
1996年，英国占总产量82.9%的硫酸以硫磺为原料、美国占82.0%。
1995年，以硫铁矿为原料的硫酸产量为20000kt左右，占硫酸总产量的13%；1997年，除中国以外，其余地区以硫铁矿为原料的硫酸产量下降了8%[3-4]；1998年全球硫铁矿产量6270kt（折100%硫，
下同），硫铁矿制酸的产量约18000kt；t2006年全球硫铁矿产量降至5730kt，仅为所有形态硫总生产量的8.4%[2]。
我国的硫酸工业起始于19世纪70年代，当时产量很少。
新中国建立后，尤其是20世纪80年代以后，硫酸工业获得了快速地发展[6]。
随着中国高浓度磷复肥和有色金属的发展，硫酸产量迅速增加。
2002年硫酸产量突破3000万吨，达到3051.9万吨[5]。
我国是硫铁矿的最大消费国，20世纪我国硫酸工业主要以硫铁矿为原料。
至2000年我国以硫铁矿为原料的产酸量，仍占国内硫酸产量的3/4左右[1]。
但是，20世纪90年代以后，随着我国有色冶炼行业的发展，以及国际硫磺价格的下降和环保要求的日益严格，我国硫酸生产的原料结构发生了很大的变化，硫磺制酸和冶炼烟气制酸的比例逐渐提高，硫铁矿制酸的产量虽然下降不大，但其所占比例已越来越小，由20世纪七八十年代的80%～90%，到2002年降到50%以下。
至2010年我国硫磺制酸产能已达到38000kt/a，产量为32980kt/a，2006—2010年硫磺制酸产能、产量年均增长率分别为10.0%，10.8%。
预计到“十二五”末期我国硫磺制酸产能将达到47000~50000kt/a，产量约40000kt/a[7]。
目前世界各国硫酸工程都趋向于大型化发展，进入21世纪的几年中，全球建成规模最大的硫酸生产装置，在硫磺制酸方面，单系列最大规模已达4500t/d。
我国硫磺制酸也正在向大型化发展。
到2010年底，我国硫磺制酸单系列最大规模已达到1000kt/a[7]。
随着产业结构的优化和引进国外先进的技术，我国在硫酸工业上得技术装备水平不断在提高。
1.3硫酸市场分析
世界上肥料工业是硫酸的最大用户，约占60%，而磷肥生产又是硫酸的最大消耗部分。
我国硫酸的消费主要用于化肥生产，至1995年的前10年，我国磷酸盐消费量平均年增长率为12.2%。
1995年化肥生产用酸占硫酸总产量的73.2%（其中磷肥占66.1%、硫酸铵占71.5%），1997年占全年硫酸总产量的72.2%。
1998年全国化肥产量273616万吨，比上年增长7.2%，其中磷肥51515929万吨，前7个月磷酸盐产量增长4%，全年硫酸产量比上年增长4.2%。
1999年国家化肥生产计划安排3000万吨（折纯），其中磷肥660万吨[1]。
自21世纪有关部门人士到含硫化肥在粮食生产中的重要作用，并将发展含硫化肥放在了重要地位。
2002年国产和进口硫酸资源总量为323412万吨，消费量为323118万吨。
化肥消费硫酸232319万吨，占硫酸消费量的71.9%[5]。
2007年我国硫酸装置总产能约68000k，t生产量57000k，t占全球产量的25.7%[2]。
综上，我们看以看到，硫酸工业自诞生以来，其规模就一直快速发展。
21世纪的这十年中，特别是我国的硫酸工业更是发展迅速，硫酸产量不断提高。
随着全球对硫酸需求量的不断增加，硫酸产品会有更广的市场前景。
1.4硫磺制酸
正如上一节所提到的，随着我国际硫磺价格的下降和硫磺回收量的增加，硫磺制酸在硫酸产量中所占的比例也越来越大。
特别是我国，硫磺回收和硫磺制酸发展迅速，2010年我国硫磺回收产能在4000~5000kt/a，产量为2870kt[7]。
同时硫磺制酸还有原料清洁，不产生矿渣或酸性污水，气体SO2浓度较高，制酸工艺简单和气体流程简单等优点[8]。
1.4.1硫磺制酸的工艺流程
硫磺制酸一般包括：
原料处理，焚硫，SO2转化和干吸工序[9]。
图1.1硫磺制酸流程框图
Fig1.1Flowdiagramofsulfuricacidfromsulfuric
1.4.2焚硫工段
焚硫工段的目的是将硫氧化生成SO2，将精制液硫通过精硫泵加压后，经硫磺喷枪机械雾化而喷入焚硫炉焚烧，所需的干燥空气来自干燥塔[10]。
液体硫磺雾化、燃烧采用带有机械雾化喷嘴的焚硫炉，具有结构简单、容积热强度高，不需另设加压风机等优点，节省了动力消耗，简化了流程[11]。
根据空气鼓风机的布置不同可分为：
塔前流程，即鼓风机布置在干燥塔上游，风机进口为湿空气，它对鼓风机的耐腐蚀要求低；塔后流程，即将鼓风机布置在干燥塔下游，风机进口为干燥空气（含微量酸雾），它对鼓风机耐腐性要求较高，气量比塔前流程大，相应的干燥塔直径稍大。
塔后流程的优点是鼓风机的压缩热带入焚硫炉，可多产生蒸汽，同时可以减少干燥塔循环水的用量[12]。
这两种路程目前都有使用，南化公司硫磺制酸装置采用的是塔后流程。
1.4.2.1焚硫炉
焚硫炉一般为钢制圆筒内衬耐火砖和保温砖的卧式结构，炉内设置多道挡墙及二次风入口，以增强空气与液硫雾化颗粒的混合，确保液硫在炉内完全燃烧。
目前国内焚硫炉主要有两种形式，一种是圆筒形卧式焚硫炉，炉头每只磺枪分别配有空气旋流装置；另一种是一次扩大型卧式焚硫炉，空气进口采用双螺旋结构的进气装置，炉头设有大蜗形旋流装置，旋流装置中间放置数根磺枪。
在保证液硫充分燃烧的前提下，提高了焚硫炉的容积热强度[12]。
1.4.2.2焚硫炉布置[12]
焚硫炉和废热锅炉是相关设备，需要统一布置，由于两台设备的整体长度都比较长，可根据场地的情况将两台设备平行布置或呈“L”形布置。
由于焚硫炉出口至废热锅炉的气体的温度很高（可达到1100℃左右），该管道一般采用碳钢衬砖结构，施工难度大，因此焚硫炉和废热锅炉应尽量靠近以缩短该管道的长度。
1.4.3转化工段平
转化工段的任务是将SO2转化成SO3，由焚硫炉出来的含有SO2的高温气体，首先进入废热锅炉回收热量，温度降低后进入转化器，在催化剂上反应生成SO3。
自从20世纪60年代以来，硫酸生产中SO2转化工艺的技术进步是采用两次转化、两次吸收工艺，简称两转两吸。
与传统的一转一吸工艺相比，两转两吸工艺具有以下特点：
最终转化率高：
能够处理F（SO2）较高的炉气；
可以减少尾气中SO2的排放量；
所需的换热面积较大；
系统阻力比一转一吸工艺增加4~5kPa。
两转两吸工艺也有多种流程，常见的有“3+2”五段转化，“3+1”四段转化，“2+2”四段转化，“2+1”三段转化。
目前国内硫磺制酸装置大多采用前两种。
分析比较“3+2”五段转化和“3+1”四段转化工艺，研究表明在较高F（SO2）的原料气下获得同样高的最终转化率，前者对催化剂的要求更低一些，并且前者对达到要求的最终转化率更有保障[13]。
南化公司硫磺制酸装置采用的是“3+2”五段转化工艺。
1.4.4干吸工段
干吸工段设有一个干燥塔和两个吸收塔，干燥塔的任务是干燥空气，除去空气中的水分。
吸收塔用来吸收由转化器出来的SO3。
磺制酸装置的干吸工艺流程按设备配置的不同，可分为三大类：
三塔三槽循环流程，三塔两槽循环流程和三塔一槽循环流程[14]。
a）三塔三槽为三塔各自设循环槽，循环流程有：
三塔各自独立循环流程；二吸塔独立循环，干燥塔和一吸塔交叉循环流程；一吸塔独立循环，二吸塔和干燥塔交叉循环流程；干燥塔独立循环，一吸塔和二吸塔交叉循环流程。
b）三塔两槽循环流程有：
干燥塔、一吸塔共槽，二吸塔单独一槽循环流程；干燥塔、二吸塔共槽，一吸塔单独一槽循环流程；两个吸收塔共槽，干燥塔单独一槽循环流程。
c）三塔一槽循环流程有：
循环槽不加隔墙的流程；中间加一道隔墙的流程及中间加两道隔墙的流程。
中间加一道隔墙流程是由三塔两槽流程演变而来，中间加两道隔墙流程是由三塔三槽循环流程演变而来。
关于各种循环流程工艺的详细讲解请参照相关文献[15]。
南化公司硫磺制酸装置采用的是三塔两槽循环流程，其中干燥塔单独一槽，两个吸收塔共槽。
1.4.5废热回收
在硫磺制酸过程中，从硫磺燃烧生产二氧化硫、二氧化硫催化氧化生成三氧化硫到三氧化硫吸收生成硫酸，每一步反应都是放热的，总得反应热约500kJ/mol硫酸。
除装置散热、平排气等损失外，其余热量理论上均可回收利用。
回收的热量中焚硫和转换部分的高温废热约占60%，干吸部分的低温废热约占40%[16]。
我国在硫磺制酸装置的废热回收技术方面起步较晚。
70年代我国硫磺制酸装置废热回收状况：
a.只回收高温废热；b.废热回收设备的使用可靠性差，事故率较高。
80年代我国相继引入国外全套废热利用设备，提高了硫磺制酸装置废热回收的效率[17]。
焚硫和转化工段高中温废热的回收系统一般设置，废热锅炉，过热器和省煤器。
具体根据装置规模的不同，其系统设置也有所差异。
一般在焚硫炉后设有废热锅炉，目前多采用火管锅炉，在转化工段设有过热器和省煤器。
对于干吸工段低温废热的回收，由于品味较低，回收利用在技术上比较困难。
我国80年代前这些热量都是由淋洒式铸铁排管冷却后随冷却水带到环境中。
80年代后期，我国开发了几种回收利用低温废热的方法和技术：
a.加热脱盐水，提高进除氧器的水温，从而减少除氧器蒸汽消耗。
b.生产热水用于其它装置，如：
用于磷酸浓缩或氨蒸发等，但这种方法必须是磷酸和磷酸或合成氨等装置的联合化工企业。
c.生产热水用于居民生活。
孟山都环境化学公司在80年代后期开发了硫酸高温吸收产生低压蒸汽的系统（简称HRS）。
该系统主要由HRS热回收塔、HRS酸循环泵、HRS锅炉及HRS稀释器4台设备组成。
该装置的应用，使得废热的回收率从传统装置的70%提高到93%[18]。
1.5论文设计项目内容与意义
本文设计项目为300kt/a硫磺制酸装置，原料为扬子石化等装置回收下来的液体硫磺。
作为重要的无机基础化工原料，自其工业化生产以来，其生产工艺不断改善和提高，产量更是迅速增长。
到20世纪90年代以后，随着我国有色冶炼行业的发展，以及国际硫磺价格的下降和环保要求的日益严格，硫磺制酸在制酸工业中占据了非重要的地位。
至2010年我国硫磺制酸产能已达到38000kt/a，产量为32980kt/a，2006—2010年硫磺制酸产能、产量年均增长率分别为10.0%，10.8%。
预计到“十二五”末期我国硫磺制酸产能将达到47000~50000kt/a，产量约40000kt/a。
本装置的建成可以吸收周边石油化工装置回收的硫磺，同时可以缓解国内硫酸供给相对紧张的形势。
国内硫酸工业的重心正由硫铁矿制酸一步步转移到硫磺制酸上来，该装置的设计与建成不仅是响应该行业的趋势，更是本着保护环境节能减排的现代工业责任心。
第二章总论
2.1项目概述
本文设计一套年产30万吨的硫磺制酸装置，本装置的原料采用样子石化等装置硫回收下来的液体硫磺，原料的质量和数量有保障。
本装置焚硫采用机械喷嘴雾化的喷雾式焚硫炉，采用国产催化剂、“3+2”两次转化工艺。
采用中压余热回收器、过热器和省煤器回收焚硫和转化工段的废热产生中压过热蒸汽。
本装置的产品是符合一等品指标浓度为98%的浓硫酸。
该装置技术成熟，设备先进，产品收率髙，同时该装置还有原料清洁，不产生矿渣或酸性污水等优点，符合科学发展观。
本文设计装置年产98%工业硫酸30万吨，装置运转市场为8000小时/年。
2.2设计依据
Ø化工工厂初步设计文件内容深度HG/T20688-2000
Ø2013年南京工业大学毕业设计任务书
Ø该装置的可行性评估报告
Ø本项目的环境影响报告书及其批复文件
Ø职业病危害预评价报告及其批复原文件
2.3设计原则
由于化工厂的投资建设，要考虑到环境、国家标准、技术可行性、人员等各方面的因素，所以参照以下设计原则。
2.3.1环境保护条例
（1）地面水环境质量标准GB3838-88
（2）大气环境质量标准GB3095-82
（3）城市区域环境噪声标准GB3096-82
（4）污水综合排放标准GB8978-88
（5）工业“三废”排放试行标准GBJ4-73
（6）锅炉烟尘排放标准GB3841-83
2.3.2约束条件
（1）设计考虑的外部约束条件：
1）政府制定的各种法律、规定和要求；
2）各种自然规律；
3）安全要求；
4）卫生要求；
5）资源情况；
6）各种必须遵循的标准和规范；
7）经济要求，经济可行。
（2）设计考虑的内部约束条件：
1）生产技术：
技术软硬件的来源、技术成熟程度、价格和使用条件；
2）材料：
原材料、建筑材料、关键设备等供应的难易；
3）时间：
允许和需要的设计时间；
4）人员：
素质和数量；
5）产品规格；
6）建设单位的具体要求；
7）建厂地区的具体情况。
2.4项目建设意义
作为重要的无机基础化工原料，自其工业化生产以来，其生产工艺不断改善和提高，产量更是迅速增长。
到20世纪90年代以后，随着我国有色冶炼行业的发展，以及国际硫磺价格的下降和环保要求的日益严格，硫磺制酸在制酸工业中占据了非重要的地位。
至2010年我国硫磺制酸产能已达到38000kt/a，产量为32980kt/a，2006—2010年硫磺制酸产能、产量年均增长率分别为10.0%，10.8%。
预计到“十二五”末期我国硫磺制酸产能将达到47000~50000kt/a，产量约40000kt/a。
本装置的建成可以吸收周边石油化工装置回收的硫磺，同时可以缓解国内硫酸供给相对紧张的形势。
国内硫酸工业的重心正由硫铁矿制酸一步步转移到硫磺制酸上来，该装置的设计与建成不仅是响应该行业的趋势，更是本着保护环境节能减排的现代工业责任心。
2.5原料及产品方案
本套装置的原料采用扬子石化等装置硫回收下来的液体硫磺，原料经精硫槽处理后可以直接使用。
产品规格为98%的工业硫酸，98%工业硫酸质量符合国家标准GB534/T-2002一等品指标。
具体如表2.1。
表2.1工业一等品98%硫酸指标
Tab2.1TheindicatorofindustrialGradesulfuricacidwith98%w/w
项 目
98%工业硫酸指标
H2SO4
≥98%
灰分
≤0.03％
Fe
≤0.01%
As
≤0.005%
透明度
≥50mm
色度
≤2.0ml
Hg
≤0.01%
Pb
≤0.02%
本装置每年生产符合该标准的浓硫酸30万吨（折100%硫酸计）
2.6主要物料规格及消耗
本工艺所需要的原料用量以及公用工程的消耗量列于表2.2。
表2.2主要物料消耗表
Tab2.2Themainmaterialconsumption
序号
项目
规格
数量
备注
1
液硫
按供给
9.82万吨/年
2
空气
环境空气
6.13E8m3/年
3
锅炉给水
104℃/5.5Mpa
37.8万吨/年
4
催化剂
工业等级
288m3
一次装填量
5
电
350/220V
348.8万千瓦时/年
6
冷却水
30℃
1872万吨/年
2.7主要危险品性质
该工艺中所涉及的原料和产品有一定的危险性，其主要危险物品德性质见表2.3。
表2.3主要危险物品性质表
Tab2.3Mainpropertiesofdangerousgoods
危险品
熔点/℃
沸点/℃
闪点/℃
爆炸极限/V%
毒性
可燃性
上限
下线
硫酸
10.5
330
无意义
无意义
无意义
强腐蚀性
不可燃
硫磺
119
444.6
无意义
--
--
可致慢性中毒
易燃
第三章工艺流程
3.1设计目标
3.1.1概述
本文设计论述的是一套硫磺制酸装置，本装置采用机械雾化焚硫，采用“3+2”两转两吸工艺流程。
该套装置可以将扬子石化等装置硫回收下来的液硫转化成98%的硫酸产品。
尽量采取可行的措施回收工艺流程中的余热。
3.1.2生产规模
本文设计30万吨/年硫磺制酸装置以满足各个行业日益增长的需求，同时缓解我国过去以硫铁矿制酸带来的环境和产量的压力。
3.2工艺路线选择
3.2.1工艺路线选择原则
Ø原料来源的可靠性。
化工生产过程大部分是连续的生产过程，原料数量及质量的稳定可靠地供应是进行正常生产的基本条件。
Ø尽可能选择当地或附近的原料。
Ø经济性。
工艺路线影响到拟建厂的技术方案、厂址、环境保护等多个方面，从而对项目的投资、成本、利润产生影响。
Ø资源利用的合理性。
这种合理性是从国民经济角度来考察的，因为国家的资
源有限，要用有限的资源来获得好的经济效益。
Ø工艺技术的先进性。
技术的先进是指项目建设投资后，生产的产品质量指标、
产量、运转的可靠性及安全性等既先进又符合国家标准。
3.2.2工艺路线的比较及选择
目前硫磺的生产工艺主要有硫铁矿制酸、WSA湿法制酸、硫磺制酸、磷石膏制酸等。
硫铁矿制酸是我国硫酸工业最重要的硫酸生产方法之一。
硫铁矿制酸工艺包括焙烧、净化、转化等若干工序，制酸过程中，焙烧工序和吸收工序会排放大量干燥废弃、增湿废气和制酸尾气，严重地危害着周边的环境。
磷石膏是磷化工生产的最大固体废弃物，每生产1t磷酸会产生5~6t磷石膏。
据中国磷肥工业协会统计，2009我国磷石膏排放量约5000万吨占工业副产石膏的70%以上[19]。
所以磷石膏制酸可谓是缓解磷石膏污染的一种有效途径。
1969年Linz化学公司建成第一家利用磷石膏制硫酸并联产水泥的工厂[20]。
1986年Lurgi公司开发成功循环流化床节能型磷石膏热分解法制硫酸和联产水泥技术并进行了中试，其磷石膏分解率达99%。
之后国内外均在磷石膏生产硫酸的技术上有所发展。
但是到目前为止该生产工艺还存在很多实际问题，工艺技术和设备都不够成熟难以大量生产工业所需求得硫酸，并且生产成本也比较高。
c
在最近15年中，托普索公司的WSA（湿法制酸）技术在低浓度SO2气体（SO2不产过6%~7%）制酸方面得到了广泛的应用。
WSA工艺是一种能有效地脱除各种废弃中硫并将其转化成工业成品浓硫酸的工艺。
全世界签的WSA装置已超80套，主要用于石油炼制、煤化工和煤气化、焦化、冶金、粘胶纤维生产等行业[21]。
与传统制酸工艺相比，WSA工艺具有能效高和没有副产品产生的优点，WSA工艺中气体不需要干燥，因而生产中没有酸损失，也不产生酸性废水。
但是WSA工艺也有其局限性。
一是原料气体浓度受限制，考虑到WSA冷却器的结构和材料，不可能处理硫酸露点高于260℃的气体，这相当于进转化器的SO2不能高于6%~7%。
二是SO2转化率受限制，最为一转一吸工艺，WSA工艺的SO2/SO3的平衡曲线将SO2转化率限制在99.4%~99.7%。
随着世界石油化工的发展，化工生产中硫磺的回收量不断增加，硫磺的市场价格也随之下降，在这种环境下，硫磺制酸由于其装置操作简单，并且拥有原料清洁，不产生矿渣或酸性污水，气体SO2浓度较高等优点，因此硫磺制酸在硫酸工业中所占的比重越来越大。
本文的设计选择使用硫磺生产硫酸，生产原料为扬子石化等装置回收的液体硫磺。
目前硫磺制酸工艺的技术已经相当成熟，本文所设计的装置，采用南化公司所使用硫磺制酸技术和设备。
3.3工艺流程介绍
3.3.1焚硫转化工段
精
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