国产化800kt/a大型硫磺制酸装置设计技术总结

云南化工设计院有限公司 昆明 650041

1 概况

1.1 项目

我公司承担EPC总承包的云南云天化国际化工股份有限公司红磷分公司800kt/a硫磺制酸装置，是云天化国际化工股份有限公司在云南开远市全额投资建设的节能降耗技术改造项目之主体装置。项目先后经云南省工信委和国家发改委核准，装置于2008年6月开工建设，2009年9月建成，化工投料一次试车成功。2010年2月进行72 h性能考核，并相继于2010年5月完成环保、消防、安全及职业卫生验收。装置建成投产以来，一直处于满负荷、安全、稳定运行之中，发挥了较好的经济、环保和社会综合效益。

1.2 设计范围

装置设计由硫酸主体装置和配套公用工程及辅助设施构成，硫酸装置设计规模800kt/a(100t/h)100%H2SO4，含熔硫过滤100t/h(液硫)、焚硫转化、干吸尾吸及高中低温位热能回收系统。配套公用工程有250 t/h脱盐水站、25MW余热发电、10000t/h循环水站、高低压配电室、供汽(气)等，配套辅助设施有液硫贮槽5000×2m3、成品酸槽5000×2m3及装置保温、绝热、防腐、总图运输等。

2 生产方法

以固体硫磺为原料，采用蒸汽加热熔硫、机械过滤、液硫贮存，采用液硫机械雾化焚硫、干空气焚硫燃烧，转化干吸采用“3+1”两转两吸、塔前风机，采用废热锅炉及高低过热器、省煤器换热回收高中温位热能，副产3.82MPa、450℃中压蒸汽用于驱动风机和发电，采用HRS锅炉及HRS预热器和加热器换热回收低温位热能，副产0.8MPa饱和蒸汽并入全厂管网，尾吸采用氨法吸收制肥的生产方法。经生产实践证明该工艺为先进成熟、优化合理、安全可靠的大型硫酸装置生产方法。

3 工艺流程

硫磺制酸装置工艺流程见图1。

3.1 熔硫过滤

来自硫磺库的固体硫磺经料斗及大倾角胶带机送至快速熔硫槽，经0.7MPa低压蒸汽加热熔融后溢流至粗硫槽，再经粗硫泵送至液硫过滤机机械过滤，滤液进精硫槽，由精硫泵送至液硫贮槽，并自流入液硫地下槽，用液硫输送泵送至炉前槽。收集后的含硫滤渣送硫铁矿制酸厂作原料，富余熔硫能力供其它硫酸装置使用。

3.2 焚硫转化

来自炉前槽的液硫经炉前槽泵送至焚硫炉硫磺喷枪，经机械雾化并与干空气接触燃烧，产生含11%SO21050℃的高温气体，经废热锅炉换热降温后，进转化器Ⅰ段触媒层转化，产生的中温SO3气体经高温过热器换热降温后，进II段触媒层转化，再经热换热器换热降温后，进Ⅲ段触媒层完成第一次转化。出HRS塔的含SO2气体，经冷换热器和热换热器升温后进Ⅳ段触媒层，完成第二次转化。转化系统设有间接升温装置供触媒升温，系统总转化率达99.85%。

图1 800kt/a硫磺制酸装置工艺流程

3.3 干燥吸收

空气经鼓风机加压后进干燥塔，与联合循环酸槽干燥酸泵送入的浓酸在干燥塔填料层发生逆流接触，吸收空气中水份并经丝网除沫后送焚硫炉燃烧。

出Ⅲ段触媒层的SO3气体，依次经冷换热器和省煤器Ⅰ换热降温后进HRS塔，与联合循环酸泵送来并经HRS酸冷器冷却的低温酸和HRS泵送来的高温浓酸分别在HRS塔上下两段填料层逆流接触，完成第一次吸收。吸收酸经HRS酸泵送至HRS锅炉换热后，部分经酸稀释器稀释后进HRS塔循环，部分经HRS加热器及HRS预热器换热后进联合循环酸槽。

出Ⅳ段触媒层的SO3气体，依次经低温过热器和省煤器II换热降温后进二吸塔，并与联合循环酸槽二吸酸泵送来经二吸酸冷却器冷却的浓酸在二吸塔中填料层逆流接触，完成第二次循环吸收，吸收率达99.99%。吸收后的浓硫酸流入联合循环酸槽，由干燥酸泵出口分流至成品酸冷却器冷却后，进成品酸槽。

3.4 尾气吸收

来自二吸塔并经除雾的含SO2尾气进尾吸塔，与循环液槽循环泵送入的稀氨水逆向旋流接触，发生中和反应循环吸收SO2。吸收液为亚硫酸铵溶液流入循环液槽，再经氧化生成硫酸铵溶液用泵送复合肥装置，吸收尾气经除沫后经烟囱排空。

3.5 热力系统

脱盐水经HRS预热器预热,并经除氧器加热至105℃后，大部分经省煤器Ⅰ、Ⅱ升温后进废热锅炉，回收高温位热能后产生4.20MPa，256℃饱和蒸汽，再经低温和高温过热器过热后产生3.82MPa，450℃过热蒸汽，送发电车间发电和硫酸车间驱动风机透平。其余进HRS加热器升温后进HRS锅炉，回收低温位热能后产生0.8MPa饱和蒸汽，送低压蒸汽管网。

4 主要设备选型设计

4.1 选型原则

遵循国产化设计原则，结合装置高温、低压、耐蚀、热应力影响等物性特征及操作参数要求，吸取国内外同类大中型硫酸装置的设计经验和教训，按照先进可靠、性能保证、性价比高、售后服务好的指导思想和选型原则，合理选择标准定型设备。并按《钢制压力容器》GB 150-1998和《钢制焊接常压容器》JB/T 4735-1997等相关设计、制造、检验及验收标准规范，合理选择耐温耐蚀金属和非金属材料，优化非标设备结构设计。使设备选型满足工艺要求，做到安全可靠有效运行，并使其选型和设计达到国内领先、国际先进、国产化率较高的技术水平。

4.2 非标设备设计

4.2.1 熔硫槽

快速熔硫槽为立式圆筒平底平盖容器，内设有硬齿轮减速双层平桨搅拌器，单位容积搅拌强度0.58kW，气液界面加衬耐酸瓷砖，壳体外侧采用角钢或半管式夹套加热保温，主材选用Q235B，具有熔硫快速、槽底不积渣、操作稳定、生产能力大的技术特点。

4.2.2 焚硫炉

焚硫炉为卧式圆形鞍式支座炉，内衬保温砖和耐火砖结构，头部设空气旋流设施和硫磺喷枪，以确保液硫的雾化与混合，炉内设三道耐火挡墙，以使雾化硫磺与干空气充分混合燃烧，炉中与炉尾分设二次进风口，以补充氧气及调节炉温，促使完全燃烧避免硫的升华。由六个鞍式支座组成，以足够的刚性和韧性承载炉体及抗外弯矩，而且只设一个固定其余活动，以保证温度变化时的自由膨胀及消除热应力。炉体主材选用低合金钢及隔热砖、耐火砖、辅以石棉板及水玻璃贴层。具有结构合理、生产负荷大、操作稳定、使用寿命长的技术特点。

4.2.3 转化器

采用新型积木式不锈钢转化器，设备由筒体、支撑柱、短柱、隔板、格栅和底部支撑腿及附件组成，并采用完全焊接结构设计。催化剂床层和隔板由短柱逐级支撑，立柱将设备重量及负荷传至设备基础，并在底部支撑腿设有径向滑动板，以消除设备热膨胀产生的热负荷。转化器顶部采用斜平顶加筋结构，使其三段气体分布均匀、减小段内温差，设备进气口处设有气体导向分布筋板，以使气体分布更加均匀和介质转化更加充分，设备进出口还设置刚性较强的过渡段结构，缓解了管道应力对接口处的损坏。转化器主材选用304H不锈钢，部分部件及附件由厂商预制现场焊接完成。与传统积木式转化器相比，该设备具有结构简单、重量较轻、转化率高、操作稳定的技术特点。

4.2.4 干燥塔和吸收塔

干燥塔和吸收塔为立式圆筒蝶形底，内衬耐酸瓷砖碳钢结构，采用DN76阶梯型瓷环填料，支撑采用条梁，塔顶设金属丝网除雾器或纤维除雾器(二吸塔)，塔上部设国产化阳极保护槽管式分酸器或ZeCrO合金槽管式分酸器(二吸塔)。主材选用碳钢衬耐酸砖，上部除雾筒体采用304L。设备具有高分酸效率、低填料高度、抑制酸雾形成，优化操作状况的优点。

4.2.5 废热锅炉

废热锅炉为卧式双筒自然循环火管锅炉，炉体由平行双锅筒、汽包和进出口烟箱等组成，具有热效率高、安全可靠的技术特点，也具国内大型硫酸装置成功运行业绩经验，由国产化供货商提供。HRS废热锅炉为浮头式螺旋管换热锅炉，为美国孟莫克公司专利设备，由该公司配套提供。

4.2.6 换热器

热换热器和冷换热器为立式圆型蝶环式换热器，结构分管壳两程设计，采用蝶环式管板，且在中心区域不布列管，并以环式挡板替代常规圆缺型折流板，蝶环板管程与壳程流通面积之比约为25%，板间距为1～1.5m，优化流通面积和蝶环板数量可增加介质流速和降低管壳双侧阻力，并可任意调整气体接口方位。壳程主材采用碳钢，换热管为渗铝钢管，具有传热效率高、双侧阻力小、一次投资省、设备安全可靠的技术特点。

4.2.7 高温过热器

高温过热器为立式箱型换热设备，分别由低、高温段组成，两段间设喷水减温器，进出口设集箱，换热管采用螺旋鳍片管。高温段管及鳍片采用304不锈钢、低温段采用12Cr1MoV材质，集箱、框架及护板采用304不锈钢，换热管及焊缝均进行100%涡流探伤加100%超声波探伤检验，所有不锈钢部件均进行酸洗钝化处理，具有较好的密封、稳固和安全可靠性。

4.2.8 省煤器

省煤器为立式箱型设备，内设换热管及翅片结构，低温部分采用并流流程，使其与炉气接触的管壁温度高于露点以防露点腐蚀。热管主材为20GB3087，翅片为Q195、壳体为Q235材质，热管及焊缝要求100%涡流加100%超声波探伤检验，具有较好的密封、稳固和安全可靠性。

主要工艺设备一览表见表1。

表1 主要工艺设备一览表

5 自控技术

5.1 技术水平

根据《分散型控制系统工程设计规定》HG/T 20573-2000及《控制室设计规定》HG/T 20508-2000等规范规定，吸收目前国内外同类大中型硫酸装置自控设计成功经验，结合装置物料特性及操作参数控制要求，本着技术先进、经济适用、安全可靠的原则，自控设计采用先进的DCS/FCS控制系统，远程I/O站和现场总线混合运用，通过现场仪器仪表对工艺生产全过程以及相关设施进行测量、控制、调节和数据采集，并通过OPC协议使硫酸装置监控数据和信息与工厂MES系统连接，完成装置信息化建设，确保装置连续、高效、可靠运行和设备财产及人员安全，达到装置节能减排，降低人工操作成本，提高资源综合利用的目的。

5.2 主要仪表选型

遵循《自动化仪表选型规定》HG/T 20507-2000等标准规范，结合硫酸装置及辅助设施各工序所处环境条件特征，按照装置生产过程高温、低压、酸蚀、易堵塞等操作控制要求，硫酸主装置采用FF总线仪表，其它设施和工序采用常规信号仪表。

温度仪表集中检测采用热电阻(偶)感温元件，就地采用万向型双金属温度计指示。

压力仪表集中检测采用压力变送器及传感器，就地采用不锈钢压力表指示。

流量仪表集中检测采用差压变送器配节流装置流量计及电磁旋涡流量计等，就地采用金属管转子流量计指示。

液位仪表连续测量采用差压法测量仪表或雷达液位计等非接触式传感器等，就地采用磁翻板液位计和玻璃液位计指示。

过程分析仪表根据不同介质要求分别采用无电极电导率浓度分析仪、pH测量仪、钠离子分析仪和电导率测量仪、红外线气体分析仪、顺磁式或外置式氧化锆分析仪等进行测量。

机械检测仪表涡轮发电机及蒸汽透平风机配置专用汽机和风机监测仪表系统(TST)进行特殊转接处理，检测仪表主要采用电涡流位置传感器、电磁式加速震动传感器、线性差动式位移传感器、磁阻式转速传感器等。

6 工艺技术特点

6.1 装置系统完整

装置为国内第一套同时采用低温位热能回收(HRS)和尾气吸收(氨肥法)系统，并与硫酸主体装置同时设计、建设和顺利建成投产的国产化大型硫磺制酸装置。装置由熔硫过滤、焚硫转化、干吸尾吸组成，并首次引进消化吸收美国孟莫克(MECS)公司HRS低温热能回收技术，配套有液硫贮槽、成品酸槽、脱盐水、余热发电及供水、供电、供汽(气)、车间分析、中心控制、综合办公室等公用工程及辅助生产设施，是典型的国产化大型硫磺制酸装置，在国内硫酸磷肥企业和化工设计行业具有典型的示范参考和学习借鉴作用。

6.2 工艺技术先进

装置采用的快速熔硫、机械过滤，“3+1”两转两吸加尾吸，以及高中低温位热能回收技术，实现总转化率99.85%，总吸收率99.99%，产品产能109t/h、酸浓度为98.02%(wt)、回收中压蒸汽123.70t/h、低压蒸汽41.70t/h，尾气中SO2平均排放浓度28.11mg/Nm3、排放速率5.745kg/h，NH3平均排放浓度为41.73 mg/Nm3，各项技术指标均达到设计值，并达到国家和行业有关标准，为国内领先和国际先进水平。

6.2.1 采用联合酸槽

装置采用的低温位热能回收(HRS)技术，在国外相同装置干吸系统均采用一塔对一槽的双槽流程，设计中大胆创新采用干燥塔、二吸塔共用一台联合循环酸槽流程。HRS系统来酸可根据空气中的水份含量，分别进联合循环酸槽的干燥酸侧和二吸酸侧，串酸在联合循环酸槽的下部完成，从而大大减少了串酸量，循环酸泵流量也由1200m3/h降为1000m3/h，降低了相应的能耗，保证了送至HRS系统的酸浓度大于98.5%、酸温低于60℃的要求。

6.2.2 优化酸槽布置

联合循环酸槽采用高位布置，干燥塔、二吸塔底与联合循环酸槽共同存酸，因此简化了工艺流程，减少了设备投资和装置占地面积，同时降低酸泵扬程，节约了能耗，装置投运后效果良好。

6.2.3 降低系统阻力

王老师：可是学生们无论是在课堂对话还是日常交流中出现的英语语法错误，已经到了非常严重的地步。要么缺主语，要么少谓语，词不达意、歧义迭出、搭配不当等问题比比皆是。比如说，该用现在完成时的地方，用了一般过去时；该用on campus才符合表达习惯，却写成了at the campus；be动词和实意动词同时出现在一个句子中，而实意动词没有加ing……虽然作为英语教师，我能明白他们想表达的意思，但是总觉得很别扭。

HRS系统气体阻力降为6.4kPa，较常规采用的一吸塔流程增加2.5kPa，尾吸系统阻力降增加4.0kPa，系统阻力降共增加6.4kPa，国内相同规模装置不带HRS系统和尾吸系统的阻力为46～47kPa，这样该装置阻力降将达到52.4～53.4kPa。设计中对总图布置、工艺配管和热热换热器、冷热换热器、转化器等设备结构进行了减少阻力优化设计，目前装置满负荷运行的系统阻力降为42kPa，在行业内为先进水平。

6.2.4 强化节能措施

将二吸塔气体入口温度由通常的170℃降低到140℃，使省煤器中脱盐水带走更多的热量，经计算可多回收热量8.5942×106kJ/h，多产中压蒸汽2.58t/h，每年节约标煤2352t，并可减少循环水量257m3/h，节能效果好。

6.2.5 优化设备结构

转化器采用全不锈钢积木式结构，并消化吸收国外先进技术对该设备的细部结构进行优化，使其在生产过程中安全、稳定、可靠，气体分布均匀、工艺适应性好，保证了转化率达99.85%。

6.3 设备安全可靠

装置选用的标准定型和非标设备，选型先进、结构合理、材质可靠、使用安全，除HRS塔、HRS锅炉、HRS酸稀释器、HRS塔内分酸器及布林克(Brink)除雾器由美国孟莫克(MECS)公司供货外，其余均为国产化设备，设备国产化率较高。装置开车投产以来，设备完好率100%，无设备泄漏点，且处于长周期、满负荷、安全、稳定运行，达到国内同行业同类装置领先技术水平。

6.4 自动化水平高

装置采用的自控技术方案和仪表选型的技术先进、选型合理，材质可靠，使用安全，控制系统和仪表选型全部采用消化吸收技术和国产化仪表。装置开车以来，仪表投用率为98.17%、完好率为98.17%，控制回路投用率为100%，并长期处于安全可靠和稳定运行中，达到国内同行业同类装置领先技术水平。

6.5 节能减排显著

装置采用高中温位和低温位热能回收技术，以及工艺系统的优化、熔硫系统冷凝水回收利用和电器设备变频调节等措施，实现回收3.82MPa、450℃中压蒸汽123.7t/h用于发电，0.8MPa饱和低压蒸汽41.7t/h并网，回收冷凝水17.8m3/h补充脱盐水，装置节能减排效果显著，达到国内同行业同类装置领先技术水平。

6.6 国产化率高

除低温位热能回收(HRS)技术和与其配套的关键设备从美国孟莫克(MECS)公司引进外，装置采用的工艺设备及自控仪表均为国产化设备及自控仪表，设备及仪器仪表国产化率较高，并长期保持先进成熟、安全可靠、经济适用、稳定运行，达到国内同行业同类装置国产化领先水平。

7 装置性能考核

7.1 试车考核

装置于2009年9月建成投产，化工投料一次开车成功。2010年2月进行72h性能考核，产品产量、质量、消耗、环保、消防、安全、职业卫生等各项技术经济指标均达到和超过设计值，并于2010年5月由政府相关部门完成了环保、消防、安全及职业卫生验收。实现了国内国产化大型硫酸装置工艺技术先进、建设工期短、投资控制好(招标确定)、装置性能优的设计建设业绩。

7.2 装置性能指标

硫酸装置产量、质量、技术、消耗、环保、噪声和职业卫生等性能指标见表2～表8。

表2 装置产量性能指标 (t/h)

表3 装置质量性能指标

注：表中指标均达到国标值。

表4 装置技术性能指标 (%)

注：表中性能指标达到或超过设计值。

表5 装置吨产品消耗性能指标

表6 装置环保性能指标

表7 装置噪声性能指标 (dB(A))

表8 装置职业卫生性能指标 (mg/Nm3)

8 项目综合效益

8.1 经济社会效益

装置设计概算投资3.2748亿元，项目竣工投产决算投资3.35亿元。建设过程实施EPC总承包，引进HRS技术及关键设备投资约0.93亿元，国产化设计及配套部分2.1818亿元，递延资产及其它费用约为2382万元。项目的建成投产将对云天化国际和红磷分公司转变经济增长方式，调整产业结构，推动新一轮的经济增长和可持续发展发挥重要的作用和产生较好的效益。并对拉动建厂地区经济发展，增加地方财政税收，解决就业，促进当地经济社会的发展，发挥较好的社会效益。

8.2 节能减排效益

装置建成投产后每年实现节能4.33658×109MJ，每年节省标煤148.1kt，节能效果显著。实现SO2平均排放浓度28.11 mg/Nm3，排放速率5.745kg/h，平均排放NH3浓度为41.73 mg/Nm3，远远低于国家规定的环保排放标准要求，每年减少SO2排量1314t，减排效果明显。节能减排设计指标的如期实现，将对建厂地区煤炭资源的开发利用和大气环境的改善，宜居环境质量的提高产生巨大而又深远的综合效益。