年产20万吨硫酸工程项目工艺毕业设计(编辑修改稿)

　

【文章内容简介】 某一理想的温度下进行。 无论采用何种型式的转化器,都必须充分考虑以下五个因素:1. 转化器设计应该使SO2 转化反应尽可能地在接近于适宜温度条件下进行,单位硫酸产量需用触媒量要少,一段出口温度不要超过600℃。2. 转化器生产能力要大,单台转化器能力要与全系统能力配套,不要搞多台转化器。本世纪初转化器能力仅有15t/d,一套硫酸系列需数台转化器并联操作,操作麻烦不好管理,耗用材料多,占地面积大。气体分布不匀,转化率低。现在单台转化器能力日产硫酸已达到千吨以上,个别厂已高达2000t的规模。3. 靠SO2反应放出的热量,应能维持正常操作,不要从外界补充加热,亦即要求达到”自热”平衡。4. 设备阻力要小,并能使气体分布均匀,以减少动力消耗。5. 设备结构应便于制造、安装、检修和操作，要力求简单，使用寿命要长，投资要少。现在我国两转两吸大多采用“3+1”四段转化和“3+2”五段转化的工艺。在同规模、同转化率的硫磺装置中，这两种转化工艺在设计上的主要区别如下：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上主要有以下不同:1. 催化剂填量不同，SO2 氧化为SO3的化学反应是可逆放热反应，只有在低温下平衡转化率高，由于反应活化能高，因此工业上需要用催化剂使反应在不太高的温度下进行的足够快。对于一定组分的原料气在某一催化剂下反应，为达到一定的SO2转化率，其反应速率有一个极大植，所对应的反应温度为最佳温度。随着反应转化率的提高，最佳温度逐渐下降。因此随着反应的进行，要采取相应的方法来降低反应的温度。转化反应的速度决定了炉气在反应中需要的接触时间，也就决定了催化剂的用量。转化反应分段越多，其反应温度就越接近最佳温度，催化剂的用量在理论上也就越少。采用“3+1”四段转化的催化剂填量比“3+2”五段转化要高一些。2. 工艺流程不同。 “3+2”五段转化为了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。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，用中压蒸汽与四段出口的转化气进行换热，大大降低了进五段的转化气温度，也充分利用了转化气的余热。常见的“3+1”四段转化和“3+2”五段转化工艺流程图如下：图 “3 + 2”五段转化工艺流程示图 “3 + 1”四段转化工艺流程示主要经济指标分析：“3+1”四段转化和“3+2”五段转化从主要技术经济指标考虑，转化工艺不存在大的差异，相同条件下的操作费用相差也不大，只在催化剂填量和工艺流程上略有不同。主要技术经济指标如下表所示： 四段转化和五段转化主要技术经济指标对比表指标名称转化工艺两次转化一次转化最终转化率/l催化剂用量/硫磺制酸%～%170～190%～%190～210炉气中∮（SO2）/l硫磺制酸鼓风机出口压力/kPa尾气中∮（SO2）/装置建设投资/l%～%25～40200～300～%～%20～303500～4500注:表内所列的催化剂用量系列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。目前我国催化剂价格相比具有很大的优势，就一次性投资来说其价格对比如下： 国产钒催化剂的价格优势项目名称SO2转化用钒催化剂国产进口催化剂单位（人民币计）米3催化剂装填量/米3催化剂一次投资(人民币计)/元13000921196000290007220880001. 根据新的国家环保标准规定，硫酸装置排放的尾气中SO2浓度必须低于960 mg／m。(标准状况)，％ 以上。采用“3+1”或“3+2”转化工艺，都可使装置排放的尾气中SO2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，主要取决于所用的钒催化剂和进转化器炉气中SO2浓度的高低。与“3+1”四段转化相比，“3+2”五段转化工艺可在含SO2浓度较高的原料气下获得同样高的最终转化率。在原料气中SO2浓度相同的条件下，“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，应选用“3+1”四段转化；若采用国产催化剂，则适宜选用“3+2”五段转化。 因为本设计所选的催化剂为国产的S107催化剂，故将采用“3+2”五段转化的转化流程。 空气鼓风机位置在干燥塔前或后的流程论证【8】主风机位置布置有两种:一是在干燥塔上游,好处是受腐蚀小,便于选择国产空气鼓风机；二是在干燥塔下游,风机进口为负压,去掉水分后实际状态气量将增加4%5%,且风机需耐硫酸腐蚀,价格较高,其好处是干燥气体经风机加压升温后,进入焚硫炉回收了风机压缩气体产生的热量,多产中压过热蒸汽。两种方式实际上都有采用。 传统的设计是将主鼓风机设置在干燥塔之前，主要考虑到风机处在无腐蚀性的场所。另外设在塔前，干燥塔是正压操作，同样的规模，气量要比负压操作时要小，能耗也低。空气风机置于干燥塔前，虽没有充分利用气体压缩升温的热量，但完全避免了风机的腐蚀。空气鼓风机用蒸汽透平驱动，蒸汽透平装置将蒸汽送入工厂的低压蒸汽管网，提高能源的利用率。整个系统采用较高的压降、气速及二氧化硫浓度。但是在国外普遍将主鼓风机设在干燥塔后，空气通过空气过滤器进入干燥塔，浓硫酸吸收水分后，再送入主鼓风机。干燥塔的显热由空气带出，经主鼓风机的压缩，使空气温度由60℃升高到100℃以上，生产上充分利用这部分的热量，将其送至焚硫炉以多产蒸汽，提高了热能回收率。主鼓风机设置在干燥塔后，空气中所夹带的酸雾可通过干燥塔塔顶的除雾器除去，足以保证一般的钢制风机不受腐蚀。为此，本设计中主鼓风机设在干燥塔后。 采用液硫过滤器还是澄清槽的选择论证若厂区地处内陆，进口硫磺经多次转运和堆存，不可避免地混入灰尘等杂质，加之生产过程中和游离酸形成的固形物，仅设置液硫沉降槽和气体过滤器是不切合实际的，必需选择合适的液硫过滤设备。加压叶式液硫过滤机单台过滤能力大，滤饼卸排容易，操作简单，应推广使用，替代液硫重力沉降槽。 传统的设计是采用澄清槽，澄清时间为72小时以上，为此澄清槽要占用交大的面积，使之沉下9099%的灰分。为了尽量减少液硫中的杂质，国外采用的是液硫过滤器和助滤槽。%（%）。过滤前将一定量的助滤剂投入到助滤槽熔融液硫中，在搅拌器作用下使其和液硫均匀混合，经助滤泵送至液硫过滤器。当助滤槽的液硫变的澄清时，助滤作业完毕，切换为正常生产过滤液硫。采用液硫过滤器占地面积小，可利用空间，效率高，因此在本设计中选用液硫过滤器。 硫磺制酸的废热利用近几年来,由于国际市场硫磺价格下跌，国内企业纷纷改建或新建硫磺制酸装置。硫磺制酸装置蕴藏着大量的废热，如能加以回收利用,经济效益相当可观。在市场经济竞争日趋激烈的今天，废热利用将是提高硫酸产品竞争力的重要途径。以下对硫磺制酸装置所采用的两种废热利用设备做一介绍：1．水管锅炉　 优点：高温水管锅炉检修方便,使用寿命长，运行安全，如果发生缺水事故，先烧坏受热面而不致产生严重后果，烟气流速低，设备阻力小。　 缺点：烟气流速低，传热系数小，冷启动升温慢。开、停车时受热面易附着冷凝酸，且结构复杂，难免存在气体滞留区，导致受热面酸冷凝腐蚀；炉墙密封性差，气体易外泄；受热面一旦泄漏，易造成锅炉自身及后续设备的腐蚀；制造、安装工作量大。　 防护措施：高温水管废热锅炉的蒸汽设计压力应在2145 MPa 以上，开车时应采用串汽的方法将蒸汽压力保持在2145～310 MPa 再接通炉气，停车时应将炉气置换完毕再降低蒸汽压力，这样可有效地防止低温腐蚀。2.　火管锅炉　 优点：⑴．管内炉气流速高达5070 m/ s且无滞流区，故传热系数高达7080 W/ (m2K) ，设备结构紧凑。⑵. 开车升温、升压快,缩短了低温状态下管束与冷凝酸接触的时间；停车时管外汽—水混合物很快便将管内壁烘干，有效防止了受热面的低温腐蚀。如果在开、停车过程中再采取串汽、燃油置换等措施,效果将更佳。⑶. 密封性较好，非常适合硫磺制酸系统炉气正压操作的要求。具有较大的负荷适应范围。⑷. 制造、安装工作量小，占地面积小。　 缺点：高温火管锅炉前管板热应力较大，材料易疲劳产生裂纹。一旦发生缺水事故，后果相当严重；炉气阻力大；转化工序火管锅炉出口温度只能降至220 ℃左右；一旦漏水会造成自身及后续设备腐蚀；检修不方便。　 防护措施：⑴. 在高温侧管口插入一段150～180 mm长的刚玉保护套管，在管板表面涂一层80100mm厚的锆质耐火隔热层，可降低管口及管板处的温度，达到热防护的目的。⑵. 采用胀—焊并用工艺，防止管口松弛和焊口疲劳开裂。⑶. 壳程通过上升管和下降管与上部大容积汽包连接形成自然循环回路，使受热面任何时候都沉浸在水中；提高给水系统和控制系统的可靠性，切实做好突然断水和断电的防护工作。 设备选择论证 废热锅炉的选择【9】废热锅炉有水管锅炉和火管锅炉两种。20世纪90年代中期建成的中小型硫磺制酸装置大多采用水管锅炉。目前一些大型硫磺制酸装置采用强制循环水管锅炉，运行情况较好。火管锅炉具有烟气密封性好、操作弹性大、检修方便、设计制造容易等优点。自20世纪八九十年代北京、上海等厂首批引进火管锅炉后，无锡某厂等硫酸企业相继采用了国产火管锅炉。有的厂家火管锅炉出现了局部泄漏等情况，看来国产火管锅炉制造厂家还需在提高质量、杜绝泄漏上下功夫。水管、火管锅炉各有千秋，大型硫磺制酸装置多选择卧式火管锅炉,由锅壳、气泡、进出口烟道和管系四部分组成。为避免高温烟道气直接冲刷锅壳的前管板,在前管板表面浇筑了耐高温的耐火保护层,并在烟道气管进口处安装了耐高温保护套管,该保护套管材质为刚玉。烟气由烟道分流,纵向冲刷烟管,在出口烟道内汇流引出。锅炉全部重量由与下部炉体想界的两个只座支撑于水泥墩上,其中的一个支座为活动支座以满足炉体膨胀量的要求。焚硫炉是硫磺制酸的关键设备，焚硫炉运行时要保证液硫的雾化效果,即采用高质量的液硫雾化装置；同时也要保证空气与雾化的硫磺充分混合,以使液硫在炉中充分燃烧。目前国内焚硫炉主要有两种形式:一是使用最多的圆桶型卧式焚硫炉,炉头每只磺枪分别配有空气旋硫装置；二是一次扩大型卧式焚硫炉,炉头设有大蜗型旋硫装置,旋硫装置中间放置数根磺枪。大型焚硫炉结构简单、容积强度大，国内外大、小规模的装置都采用卧式钢制圆筒内衬耐火砖和保温砖结构。液硫通过喷枪进入炉内，雾化的硫磺与进炉空气充分混合燃烧。为强化硫磺与空气混合均匀，炉内设置多道挡板，在顶部设置了两个切向进气口，并在挡墙之间设置了二次进风，一是补充空气，二是调节炉内温度，不至使硫升华。 熔硫槽的设计 在硫磺制酸过程中,固体硫磺需经加热熔化,变成液体后才能以雾化的方式与氧发生反应。熔硫槽就是将固体硫磺熔化为液硫并对其进行初步净化的设备。固体硫磺进入熔硫槽中,被蒸汽盘中的饱和蒸汽加热而熔化,同时硫磺中混入的大多数杂质也被分离出来。经初步净化的液体硫磺流向下一道工序,在澄清槽和精硫槽中进一步处理,成为纯净的液硫。熔硫槽分带搅拌器和不带搅拌器两种形式。不带搅拌器的熔硫槽一般为池式,利用均布于槽内的盘管加热,固体硫磺靠自身重量沉入池中,受热熔化。由于设备内的液硫流动滞缓,传热速度较慢,不带搅拌器的熔硫槽一般仅适用于小型装置、熔硫强度不高的情况。带搅拌器的熔硫槽具有较强的湍流扩散能力和对流循环作用,故而传热效果较好,所以又称之为快速熔硫槽,多在大中型装置中使用。 快速熔硫槽一般由槽体、加热盘管组合搅拌装置三部分组成。槽体有也有圆筒形。在槽顶盖板中心设置搅拌器,通过搅拌浆的均匀旋转,使固体和液体充分混合,以加速传热过程,提高熔化速度。搅拌器由减速机直接驱动。搅拌浆周围安放多组蒸汽加热盘管,以提供熔硫所需热量,同时起导流筒和挡板的作用,以减少涡流,强化传热。在快速熔硫槽内,稳定可靠的加热系统和合适的搅拌器对硫磺的快速熔化起着非常重要的作用。 转化器的选择【10】目前我国设计的转化器流速普遍较低,不能保证炉气在催化剂层内均匀分布,应适当提高转化器内炉气的流速。但应注意两点:一是流速增加后,催化剂层的加高,阻力也按比例增加。二是要有足够的高度,如果采用大环状钒催化剂时,由于容积增加,也相当于增加催化剂层的高度。 转化器的内部构件有两种:一种是以耐热铸铁为主要材料的结构；另一种是以普通钢材和少量耐热不锈钢为主要材料的结构。 以钢材和少量耐热不锈钢材为主要材料的无立柱的结构,较适用于小型的转化器。应特别注意第一段催化剂层的篦子板,因其操作温度达600℃,普通钢材在高温下的强度显著减弱,使用一段时间后,会引起中部下陷,严重时将产生篦子板塌陷。故应采用第一种结构的转化器。 填料的选择原则 硫酸工业用的填料,除了要考虑适用于在较高的温度下具有耐腐蚀的性能外,还应具备一般的填料如下的通性：1．通性大，压降小，在一定的淋洒密度下，泛点气速高。2．效率高，传质性能好，传质系数要大。3．操作弹性大，操作性能稳定，能适应操作条件的变化。4．抗污，抗堵的性能好。5．最低湿润率要小，且具有较大的比表面积和空隙率，并能有效地利用。6．强度大，破损小。7．价格低廉，来源容易。 填料的支撑形式 塔内用于承重填料层的形式有条拱、球拱和桥拱等多种。塔的底部多数为平的，也有碟形的。三种支撑形式的开孔率均能达到50%以上。当采用球拱时，有两个力作用于塔，一个是对塔壁的水平推力，一个是对塔底的垂直压力。而塔体有瓷砖、石棉板、碳钢板外壳组成，如果防腐蚀处理不好，会引起砖缝开裂而渗酸，对于条梁支撑结构，塔所承受的力只是对塔底的压力，只要施工严格要求，塔底不会因受压开裂而渗酸。对于大型硫酸装置选用球拱和条拱支撑都可以。 硫酸生产中的三废治理1. 废气中有害物质从吸收塔排出的尾气中,仍还有少量的二氧化硫,%左右(体积分数),尾气中含有微量的三氧化硫和硫酸沫。尾气中二氧化硫的含量与二氧化硫