硫磺法硫酸生产工艺设计概要.docx
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硫磺法硫酸生产工艺设计概要
1.硫酸生产工艺简介（4
1.1硫铁矿制硫酸（4
1.2硫磺制酸（4
1.3冶炼烟气制酸（4
1.4硫酸盐制酸（4
2.产品级原料物化数据（5
2.1二氧化硫（SO2（5
2.2三氧化硫（SO3（5
2.3硫酸（H2SO4（6
3.工艺设计部分（8
3.1原料熔硫工段（9
3.2焚硫工段（11
3.3余热锅炉系统（13
3.4转化工段（15
3.5干吸工段（17
3.6成品工段（18
3.7污水处理系统（20
4.物料及热量衡算（22
4.1设计要求（22
4.2硫磺焚烧的物料衡算（22
4.3转化器物料衡算（22
4.4转化器热量衡算（24
5.主要设备的工艺计算和设备选型（24
5.1主要设备转化器的设计（24
5.2催化剂的装填量（25
5.3各段触媒需用量VK、触媒层厚度H（26
6.设计总结及致谢（27
参考文件（28
附件（29
硫磺法硫酸生产工艺设计
摘要:
以硫磺为原料生产硫酸不需要净化,大大简化了工艺过程,节省投资费用,且产品质量高。
设计了以硫磺为生产原料生产硫酸（300kt/a的工艺流程,描述了硫酸一些性质级制酸过程的反应原理,对焚硫、转化、吸收三个工段以及整个工艺流程做了阐述。
重点分析了焚硫和转化工段的各个工艺指标,工艺条件。
对焚硫工段的焚硫炉、转化工段的转化器和换热器三个设备做了宏观的设备选型,并且对焚硫炉和转化器做了物料衡算。
为了使设计更加合理与完善,在设计中还解决了废水的处理问题。
关键词:
硫酸;硫磺制酸;焚硫炉;转化器
中图分类号:
TQ44.2
Sulfurmethodofsulphuricacidproductionprocess
design
Pengfang（instructsteacher:
chenyongzhou
（Hubeinormaluniversityandenvironmentengineeringdepartmentappliedchemistry0703classesHangshiHbeiprovince435002
Abstract:
Rawmaterialsfortheproductionofsulfurtosulfuricacidwithoutpurification,greatlysimplifiedtheprocess,saveinvestmentcostsand
highquality.Designedtoproducerawsulfuricacidsulfur（300kt/a
theprocess,describesthenatureofsomesulfuricacidandacid
reactionoftheprincipleofburningsulfur,transformedandabsorbed
threeSectionandtheentireprocesshassetouttodo.Analyzedand
transformedintoaburningsulfurSectionofthevarious
indicators,technologicalconditions.TheburningofsurfurSectionof
theburningofsulfurfurnace,fortheconversionofthechenicaland
heattransferequipmentforthedoneamacroequipmentselection,
andtheburningofsulfurfurnaceandaconvertertodothematerial
balance.Inordertomakemorrrationalandsounddesign,thedesign
alsosolvedtheproblemofwastewatertreatment.
Keywords:
SulfuricAcid;ProducingSulfuricAcidbySulfur;Thestoveofsulfur;Conver
Centerchartcategorynumber:
TQ44.2
1.硫酸生产工艺简介
1.1硫铁矿制硫酸
以硫铁矿为原料生产硫酸,共有九种流程,他们的共同特点是均采用沸腾焙烧,干法除尘,酸洗净化,两转两吸,回收高低温位余热技术方案。
设计采用的流程为:
焙烧炉→废热锅炉→旋风除尘器→电除尘器→Swemco洗涤塔→电除雾器→干燥塔→主鼓风机（2+2两转两吸。
该流程首先对硫铁矿进行预处理,对于块状硫铁矿则要粉碎加工成粉矿,对于硫精砂则要进行干燥。
若矿的品种较多,入炉前还要按杂质含量要求进行掺配。
其主要工序有:
硫铁矿焙烧、炉气净化、二氧化硫转化及三氧化硫吸收。
1.2硫磺制酸
根据硫磺原料的品质来确定制酸工艺流程,若硫磺中含有砷,硒等杂质并危及触媒中毒时,则必须设置转化工序。
对于一般纯净的硫磺仅需要三个工序（焚硫、转化与吸收即可完成制酸全过程。
1.3冶炼烟气制酸
冶炼烟气即含硫的有色金属在冶炼中产生的废气,其中SO33%~13%,用此气制成硫酸,称冶炼烟气制酸。
流程也有多种形式,主要差别表现在净化工序上,比如常见的水洗流程、稀酸洗流程,热浓硫酸洗流程及干法净化流程等。
1.4硫酸盐制酸
有代表性的硫酸盐是硫酸钙（石膏或磷石膏制酸。
其主要原料为石膏（磷石膏、焦碳、一定比例将不同原料加入球磨机中,将细磨的混合物料转入粘土、砂、硫铁矿渣等。
这些原料分别经颚式破碎机破碎、双辊破碎机（或反击式破碎机细破,干燥脱水后转入各自原料储斗中。
按回转窑内与高温燃煤烟气逆向接触,经预热,在900~1200℃下,按下式反应进行还原分解,生成二氧化硫、二氧化碳与氧化钙。
2CaSO4+C=2CaO+2SO2+CO2
进一步在1200~1450℃高温下煅烧,进行矿化反应生成水泥熟料。
产生的二氧化硫烟气可达7%~9%,从窑头排出并转入制酸系统。
制酸流程与硫铁矿制酸过程基本相同,仅是窑气中氧含量较低,转化时需加入适量空气。
6
2.产品级原料物化数据
2.1二氧化硫（SO2
SO2由焚硫工段焚硫炉燃烧产生,其主要理化性质如下:
分子量:
64.06比重:
1.43（液体
熔点:
-12.7℃沸点:
-10℃
蒸汽密度:
2.92蒸汽压力:
337.5×103Pa（21℃时易溶解于水,溶解于有机溶剂与硫酸,无色且不燃烧气体,有刺激性酸味;容易与水化合,生成亚硫酸（H2SO3,并且因氧化而慢慢转化成硫酸（H2SO47
2.2三氧化硫（SO3
SO3在硫酸生产过程中来源于两个工段:
一是焚硫工段焚硫炉内,二是转化工段转化器内。
其主要理化性质:
分子量:
80.06比重:
固体1.97液体1.92固体晶形αβγ
熔点:
62.3℃32.5℃16.8℃沸点:
44.8℃升华（Subl44.8℃蒸汽密度:
2.762.762.76
蒸汽压力:
13.3×103Pa10.5℃14.3℃62.1℃溶解于二硫化碳和硫酸,气体三氧化硫以单体形式存在时,无味并且比空气重。
只有刚配制的无色液体是单独存在的,与水接触则固体聚合物形成。
固体三氧化硫以三种不同形式存在,稳定的α-形（棱柱晶体,由液体凝固而成;β-形（白色类似石棉的纤维,以及γ-型（玻璃状后两者都是亚稳定的。
2.3硫酸（H2SO4
硫酸在生产中来源于干吸工段,转化工段反应生成的SO3进入吸收工序中间吸收塔、最终吸收塔,由浓硫酸吸收加水配制成96%~98%的成品酸。
2.3.1硫酸的化学组成
分子式:
H2SO4分子量:
98.08
O
分子结构:
HOSOH
2.3.2硫酸的物理性质
可以任何比例溶解于水,伴随大量的热产生。
纯净的硫酸是清澈、无色透明的油状液体,但不纯时为棕色或灰白色液体,无气味但有明显的酸味。
⑴硫酸的密度
随着浓度和温度的变化而不同。
当酸浓小于98.3%时硫酸的水溶液的密度随着硫酸浓度的增加而增大,于98.3%时达到最大值,当酸浓在98.3%至100%时随着酸浓增大而下降。
发烟硫酸随着其中游离的SO3含量增加而增
H2SO4%结晶温度℃图中点组成
037.5557.6467.8073.1373.6884.4893.77100
-73.10
-28.36
-47.46
-39.51
-39.87
8.56
-34.86
10.37
A
B
C
D
E
F
G
H
I
H2O（冰
低共熔物,H2O+H2SO4·4H2O（介稳定状态
H2SO4·4H2O（熔化点
低共熔物H2SO4·4H2O+H2SO4·2H2O（介稳定状态
H2SO4·2H2O（熔化点
低共熔物,H2SO4·2H2O+H2SO4·H2O
H2SO4·H2O（熔化点
低共熔物,H2SO4·H2O+H2SO4
H2SO4（熔化点
游离
SO3%
结晶温度℃图中点固相组成
15.6144.7962.0100-10.15
35.15
1.2
16.8
J
K
L
M
低共熔物,H2SO4+H2S2O7
H2S2O7（熔化点
低共熔物,H2S2O7+H2SO4·2SO3;H2SO4·2SO3（熔化点
SO3（熔化点
掌握了硫酸结晶温度具有下述意义:
A.为硫酸贮存输送提供了防止发生冻酸的温度控制依据。
B.为了确定产品浓度范围提供了依据。
C.对处于不正常情况下发生的酸冻结原因分析提供了理论依据。
2.3.3硫酸的化学性质
硫酸是最重要的无机强酸之一,浓硫酸具有强酸性、强氧化性、强的吸水性、强的磺化性等。
当加热到30℃以上放出蒸气,加热到200℃以上,散发出三氧化硫。
⒈硫酸是一种强酸,具有酸的特性,它的化学性质非常活泼,根据硫酸的浓度和温度及金属的种类不同,而生成H2、H2S、SO2、S及金属的硫化物和硫酸盐。
a、稀硫酸能与金属直接反应,放出氢气,所以它对金属具有强烈的腐蚀性。
Fe+H2SO4=FeSO4+3H2↑
b、与金属氧化物作用,生成硫酸盐。
Fe2O3+3H2SO4=Fe2（SO43+3H2O
⒉浓硫酸具有强的氧化性。
Cu+2H2SO4（浓=CuSO4+SO2↑+2H2O
⒊浓硫酸具有强的吸水性。
浓硫酸对水有大力亲和力,吸收大气水分,从有机物中提取水份导致碳化。
利用其这一性质可用来作干燥剂,如硫酸生产中用其干燥湿的SO2炉气。
浓硫酸不仅能够吸收游离水份,而且可以把碳水化合物中的氢和氧按2:
1的比例以水的形式脱下,这是硫酸伤人的主要途径。
⒋浓硫酸具有强的磺化性。
C6H6+H2SO4（浓=C6H5SO3H+H2O
2.3.4工业硫酸质量标准
本硫磺制酸装置硫酸产品质量,应符合国家标准GB534-2002规定
项目特种工业
硫酸
浓硫酸发烟硫酸
优等品一等品合格品优等品一等品合格品
浓度%≥
游离SO3%灰分%≤铁（Fe%≤砷（As%≤铅（Pb%≤汞（Hg%≤
氮氧化物（以N计%≤氯（CL%≤透明度mm≥
色度ml≤二氧化硫%≤
92.5
或98
0.02
0.005
0.00008
0.001
0.0005
0.0001
0.001
160
1.0
0.01
92.5
/98
0.02
0.010
0.0001
0.01
0.001
50
2.0
92.5
/98
0.03
0.010
0.005
50
2.0
92.5
/98
0.10
20.0
0.03
0.010
0.0001
0.01
0.001
20.0
0.03
0.010
0.0001
0.10
0.010
3.工艺设计部分
主要工艺技术以固体硫磺为原料,采用湿式搅拌快速熔硫、液硫石灰中和、叶片式机械过滤机过滤精制液硫、机械雾化焚烧、III、II—IV、I3+1两次转化两次吸收,接触法制造硫酸。
中压余热锅炉回收高、中温热能,
副产过热蒸汽供动力车间。
3.1原料熔硫工段
3.1.1岗位职责
3.1.1.1岗位任务
1.按规定指标进行操作,制备合格液体硫磺;维护好本岗位设备。
及时清除熔硫槽悬浮物和大颗粒不熔固体杂质。
2.保证固体硫磺、石灰下料均匀、稳定。
根据固体硫磺的酸度分析,计算石灰粉的加入量,调节螺旋输送机出口开启度定量加入石灰中和硫磺中的酸度。
3.设备管道不堵、不漏。
勤检查;固体硫磺、石灰进料稳定,蒸汽流量稳定;液位变化及时调节;跑冒滴漏及时处理;设备管道堵塞及时疏通;滤渣及时除卸。
3.1.1.2所管范围
硫磺库硫磺料斗、石灰料斗、螺旋给料机、胶带输送机、熔硫槽、预涂槽、预涂泵、过滤机、一级液硫输送槽、一级液硫输送泵、精硫槽、凝结水回收器、熔硫蒸汽和保温蒸汽的减温减压系统,以及所属仪表电气设备。
3.1.2工艺流程
市场固体硫磺中杂质组分主要为游离酸、烃类、灰分。
为保证硫酸装置长周期、稳定生产减少投资、减少维护,改善熔硫工序操作环境,本装置采用石灰中和酸度,湿式搅拌快速熔硫,硅藻土助滤,叶式过滤机精制液硫,过滤后的液硫灰份含量小于0.003%,PH≈7。
解决了进焚硫炉焚烧液硫中的酸度和固体杂质问题,取消了焚硫工段庞大的气体过滤器。
硫磺中的沥青是不能沉降和完全过滤掉的杂质,在燃烧过程中,沥青会生成灰渣和烟气,灰渣会沉降在钒触媒表面,引起压降升高,烟气会使烟囱中排放的废气酸度升高,产生可见的烟雾,并且可能在转化工序温度低的设备产生严重的发烟硫酸冷凝腐蚀。
通过液硫过滤,可除去30%左右的沥青,减少上述危害。
新型湿式搅拌快速熔硫槽液硫界面采用内防腐结构,避免了游离酸对设备槽体和加热盘管的腐蚀。
同时,设备高于地坪布置,便于设备维修时
残余液硫的排放,降低劳动强度,减少维修时间;硫磺熔融过程中产生的蒸汽集中排气筒排放,考虑了预防硫蒸汽堵塞的措施,同时在槽内设置了蒸汽灭火措施。
在熔硫槽液硫出口设置液硫过滤网,除去编织袋碎片、封口绳等轻质杂物,避免它们缠绕到预涂槽泵轴上造成泵的损坏。
精硫槽为保温的立式圆形容器,配有盘管式加热器,在槽的四周有空气入口,中心有放空口,且带有蒸汽伴热,以防硫冷凝堵塞,四周入口和中心出口的高度差保证了气体的流动,防止硫化氢气体在罐中累积导致爆炸。
槽内设有蒸汽灭火装置。
散装硫磺直接由装载机上料或袋装硫磺经人工拆包倒入硫磺料斗经胶带输送机L1101/L1103并加入石灰送到熔硫槽V1103/V1104。
硫磺经皮带输送机送入熔硫槽,在熔硫槽中固体硫磺在搅拌器作用下用0.6-0.8MPa（表左右的饱和蒸汽熔为液硫。
液硫由熔硫槽自流入预涂槽V1105,预涂槽处于搅拌和保温状态。
由预涂槽中预涂泵P1101A/B将液硫送入过滤机M1102A/B/C,过滤后所得合格液硫进入一级液硫输送槽V1106,再经一级液硫输送泵P1102送入精硫槽V1107备用。
精硫槽的液硫经精硫泵槽V1108A/B,由精硫输送泵P1103A/B（P1103C/D送入焚硫工段的焚硫炉F1201/F2201。
过滤机所滤的滤饼由汽车运出。
3.1.3生产过程中的化学反应和工艺指标
3.1.3.1生产过程中的化学反应
H2SO4+CaO→CaSO4↓+H2O…………………………………式3-1
H2SO3+CaO→CaSO3↓+H2O…………………………………式3-2
2HCL+CaO→CaCL2↓+H2……………………………………式3-33.1.3.2操作工艺指标
序号设备名称
操作压力
（MPa表
操作温度
（℃
介质备注
1熔硫槽常压135-150液硫
其中:
蒸汽0.7~0.8179
2预涂槽常压135-145液硫PH7-8
其中:
蒸汽0.41513过滤机
内筒0.4145液硫
PH7-8≤30ppm
外筒0.4151蒸汽
4一级液硫输送槽常压135-14
5液硫PH6-7
其中:
蒸汽0.4151
5精硫槽常压135-145液硫PH6-7
其中:
蒸汽0.4151
3.2焚硫工段
3.2.1岗位职责
3.2.1.1岗位任务
1.按规定指标进行操作,制备合格SO2炉气,维护好本岗位设备。
2.保证设备、管道不堵、不漏,做到有堵必通,有漏必补。
3.勤检查,保证液体硫磺进料稳定、SO2炉气浓度稳定。
精硫泵槽液位变化及时调节,跑冒滴漏及时处理,管道堵塞及时疏通。
3.2.1.2所管范围
精硫泵槽、精硫泵、焚硫炉、升温风机、油槽、油泵以及所属电气、仪表、设备管线等。
3.2.2工艺流程
精硫泵加压后的液硫,经二根液硫喷枪M1202A/B（M2202A/B喷入焚硫炉,在焚硫炉F1201/F2201中雾化的液硫与来自主鼓风机C1301/C2301的干燥空气进行反应,氧化为二氧化硫,放出大量热量,控制焚硫炉出口炉气SO2浓度10.5%,温度在1000℃左右进入余热锅炉F1202/F2202,回收热量后,炉气经三通阀调节气体温度后在425℃左右去转化工段。
由主鼓风机联锁精硫泵的自动停机,由焚硫炉出口温度调节精硫泵的液硫量。
来自精硫贮槽的液硫进入精硫泵槽,经精硫泵加压由磺枪喷入焚硫炉与来自主风机的干燥空气混合燃烧生成SO2炉气,高温SO2炉气经余热锅炉回收热能副产蒸汽后降温进入转化工段。
采用液硫机械雾化,火管式中压余热锅炉回收焚硫高位热能,结合转化工段余热回收,副产过热蒸汽供动力车间发电,取消传统气体过滤器。
焚硫炉装有二个高压雾化喷嘴,可根据生产负荷选择投用一个或两个,从而保证在较宽的工况下有很好的雾化效果。
采用火管式余热锅炉,无炉墙的砌筑工作,使筑炉和维修工作减少,气流通过锅炉的结构安排得很简单,气体通过换热管的流速较高,形成气体滞留区的可能性很小,可避免硫酸冷凝,从而减少腐蚀。
如果传热面有污垢,很容易清理。
生产装置的负荷变化以后,产生的水循环问题较少。
无炉气过滤器,降低系统阻力,延长运行时间,减少投资。
采用独有的三通调温阀:
将锅炉出口360~380度左右炉气经管道返回焚硫炉出口到锅炉进口管道上顶部座板阀,调温后再进入转化器一段,解决了炉气调温问题,该阀主体（阀杆和密封通过的气温在435℃左右,因而材质要求降低,使用寿命增长,且价格低廉。
3.2.3生产过程中的化学反应和工艺指标
3.2.3.1生产过程中的化学反应
S+O2→SO2+Q…………………………………………式4-1
3.2.3.2操作工艺指标
序号设备名称
操作压力
（MPa表
操作温度
（℃
组分含量备注
1精硫泵槽常压135-145液硫PH6-7
其中:
蒸汽0.4151
2精硫泵0.8135-145液硫PH6-7
其中:
蒸汽0.4151
3焚硫炉0.035950-1050SO2:
10±0.5%
4油槽常压常温柴油
5油泵2.5常温柴油
6升温风机0.004常温空气
3.3余热锅炉系统
3.3.1岗位职责
3.3.1.1岗位任务
1.管好余热锅炉区域所有电气、仪表和机械设备,并保证区域环境卫生。
2.管好用好加药泵、保证炉水指标满足锅炉安全运行的技术要求和过热蒸满足汽轮机发电的技术要求。
3.严格按照各项工艺指标操作,确保余热锅炉安全经济运行。
3.3.1.2管辖范围
余热锅炉、一段过热器、三段省煤器、四段过热器、四段省煤器、加药装置及所有附属阀门、管线、电气、仪表等。
3.3.2工艺流程
焚硫炉出口温度为950~1050℃的炉气进入锅炉,经锅炉蒸发管换热降温后,其出口炉气温度在380-420℃,进入转化工序。
动力车间将除氧后的合格脱盐水经给水泵送至硫磺制酸装置转化工段四段省煤器低温区吸热升温,再进入三段省煤器吸热升温,然后进入四段省煤器高温区吸热升温后进入汽包,通过泡包与锅筒连接的下降管,炉水流至锅筒,通过锅炉蒸发管吸收焚硫炉出口炉气热量产生汽水混合物,经汽包与锅筒连接的上升管进入汽包。
在汽包进行汽水分离后,排出的饱和蒸汽进入转化工段四段过热器过热后经一级喷水减温器降温进入一段蒸汽过热器低温区,再次过热,经二级喷水减温器降温进入一段蒸汽过热器高温区,制取合格过热蒸汽经管网送动力车间发电。
为保证炉水、饱和蒸汽、过热蒸汽品质符合要求,根据分析结果,一方面用加药泵将合格的磷酸三纳溶液按时按量地注入汽包内,进行炉内水处理;另一方面合理地控制炉水的排污量,以确保余热锅炉安全经济运行。
8
3.3.3工艺流程框图
3.3.4操作工艺指标及水质指标
3.3.
4.1水汽控制指标及分析频率
序号项目单位指标
1给水
硬度μmol/L≤1.5含氧量μg/L≤15PH值8.5-9.2
2炉水
磷酸根含量（PO43-mg/L5~15PH值10~12
总碱度mg/L2~8
总固体mg/L≤1200二氧化硅含量（SiO2mg/L≤25
3饱和蒸汽SiO2ug/Kg≤20Na+ug/Kg≤15
3.3.
4.2操作工艺指标
序号项目单位指标允许波动范围
1饱和蒸汽压力MPa4.1±0.1
2汽包工作压力MPa4.1±0.1
3过热蒸汽压力MPa3.82±0.2
4过热蒸汽安全阀起跳压力MPa3.97
5过热蒸汽温度℃450-15
6汽包正常水位mm汽包中心线±50
7锅炉进口炉气压力kPa35
8锅炉进口炉气温度℃1030±50
9锅炉出口炉气温度℃400±20
10给水压力MPa5.6±0.2
3.4转化工段
3.4.1岗位职责
3.4.1.1岗位任务
1.按规定指标进行操作,最大限度提高SO2总转化率,为吸收岗位提供SO3,减少SO2的排量;维护好本工段设备。
2.保证转化器一段出口炉气不超温,总转化率合乎要求。
3.勤检查Ⅲ换热器、低温过热器、三段省煤器、四段省煤器的积酸并及时排除;保证转化器各段温度、总转化率稳定,符合操作指标。
3.4.1.2管辖范围
负责自干燥塔及主鼓风机入口至尾气烟囱,以及预热系统范围内属于气体回路方面的一切设备、管线、阀门、电气、仪表和所使用的工器具及岗位卫生区。
3.4.2工艺流程
由焚硫工段来的SO2炉气以适宜温度进入转化器,在钒触媒的作用下氧化为SO3,释放出的热量维持二次转化的热量,富裕热量回收副产蒸汽。
在转化系统采用3+1二转二吸流程,即焚硫工段SO2炉气→转化器一
段→一段过热器管外→转化器二段→二段换热器管内→转化器三段→三段换热管内→三段省煤器管外→中间吸收塔→三段换热器管外→二段换热管外→转化器四段→四段过热器管外→四段省煤器管外→最终吸收塔→烟囱→放空。
9
3.4.3流程框图
3.4.4生产过程中的化学反应和工艺指标
3.4.4.1生产过程中的化学反应
SO2+1/2O2→SO3+Q………………………………式6-1
3.4.4.2操作工艺指标
1.转化器各段进出口气体温度
名称一段二段三段四段
进口（℃420±5450±54
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