一、概述

        我國硫鐵礦資源較豐富，國內的硫酸企業(yè)50%以上采用礦石制酸工藝。但隨著(zhù)社會(huì )對環(huán)境質(zhì)量要求的不斷提高，人們的環(huán)保意識越來(lái)越強，礦石制酸工藝存在的對環(huán)境污染大的問(wèn)題越來(lái)越突出，對硫磺制酸和礦石制酸兩種硫酸生產(chǎn)工藝進(jìn)行分析研究，應選擇更為清潔的生產(chǎn)工藝——硫磺制酸，為順應時(shí)代要求，行業(yè)重點(diǎn)研究與設計了硫磺制酸的工藝流程，其包括原料的預處理，二氧化硫的催化氧化，三氧化硫的吸收及尾氣與熱量的回收與利用。以下裝置控制為例。

        裝置范圍：硫酸裝置界區包括：熔硫工序、焚硫轉化工序、干吸工序、余熱鍋爐工序，此外還包括配電室、循環(huán)水站和化驗室等配套的輔助設施。

        產(chǎn)品方案、裝置設計能力：杭州優(yōu)穩UW500集散控制系統在自動(dòng)化領(lǐng)域已有廣泛應用，利用UW500集散控制系統對硫磺制酸進(jìn)行監控，能大幅度提高控制精度。
        二、工藝簡(jiǎn)介

        經(jīng)汽車(chē)運來(lái)的固體硫磺通過(guò)人工卸車(chē)，貯存至硫磺袋堆庫；固磺再通過(guò)人工轉運、拆袋由皮帶輸送機送至快速熔硫槽內，采用蒸汽間接加熱熔化成液硫，經(jīng)液硫過(guò)濾機除去雜質(zhì)后，送至焚硫爐燃燒，制取SO2氣體或通過(guò)精硫泵直接送至精硫貯槽內備用。

        液硫通過(guò)精硫泵加壓，分別經(jīng)兩支磺槍機械霧化后噴入焚硫爐內，與干燥空氣混合燃燒生成SO2煙氣。高溫煙氣進(jìn)入余熱鍋爐降溫后，進(jìn)入轉化器第一段觸媒層進(jìn)行轉化反應，之后進(jìn)入高溫過(guò)熱器進(jìn)行降溫，降溫后的反應氣體進(jìn)入轉化器第二段觸媒層進(jìn)行再次轉化反應，溫度升高后進(jìn)入熱熱換熱器進(jìn)行降溫，再進(jìn)入到轉化器第三段觸媒層繼續進(jìn)行氧化反應。反應后依次進(jìn)入冷熱換熱器A/B和三段省煤器進(jìn)行降溫，降溫后的一次氣進(jìn)入第一吸收塔吸收SO3，未被吸收的SO2氣體經(jīng)冷熱換熱器B/A、熱換熱器換熱后進(jìn)入轉化器第四段觸媒層進(jìn)行轉化反應，再進(jìn)五段反應后的二次轉化氣進(jìn)入低溫過(guò)熱器和五段省煤器降溫后進(jìn)入第二吸收塔吸收SO3。余氣通過(guò)復擋除沫器進(jìn)入煙囪放空。

        干吸循環(huán)酸槽內的開(kāi)車(chē)母酸由干吸酸循環(huán)泵經(jīng)干燥酸冷卻器冷卻后從干燥塔塔頂分酸器進(jìn)塔噴淋，與空氣風(fēng)機送來(lái)的濕空氣在塔內進(jìn)行逆流洗滌，干燥后的空氣經(jīng)塔頂除霧器除去酸霧后送入焚硫轉化系統，循環(huán)酸從塔底進(jìn)入干吸循環(huán)酸槽。

        轉化器三段出來(lái)的一次氣體經(jīng)換熱器冷卻后進(jìn)入一吸塔與干吸循環(huán)酸槽內一吸泵打入一吸酸冷卻器冷卻后的酸從塔頂分酸器噴啉逆向吸收 SO3 氣體，未被吸收的 SO2 及少量 SO3 經(jīng)塔頂除霧器除去酸霧后進(jìn)轉化系統進(jìn)行二次轉化。

        轉化器五段出來(lái)的二次轉化氣經(jīng)低溫過(guò)熱器和五段省煤器降溫后進(jìn)入二吸塔與干吸循環(huán)酸槽內二吸循環(huán)酸泵打入塔內的濃酸從塔頂分酸器噴淋逆向吸收 SO 3 ，尾氣經(jīng)塔頂除霧器除去酸霧后，由煙囪放空。循環(huán)酸從塔底進(jìn)入干吸循環(huán)酸槽，槽內靠加入工藝水調節酸濃，各塔回酸在干吸循環(huán)酸槽內自動(dòng)混酸。成品酸由干吸酸循環(huán)泵打入成品酸冷卻器降溫至 40 ℃以下時(shí)流至卸酸地槽，再通過(guò)卸酸泵送往貯罐。

        從化水站來(lái)的脫鹽水，本裝置熔硫工序、凝結水，分別由離心加壓水泵、凝結水泵送入除氧器，經(jīng)蒸汽加熱除氧后，由鍋爐給水泵依次將除氧水送至五段省煤器、三段省煤器吸收一、二次轉化氣的中溫余熱后進(jìn)入余熱鍋爐。爐水與焚硫爐出口高溫爐氣換熱后產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入低溫過(guò)熱器與四段出來(lái)的轉化氣換熱，然后進(jìn)入高溫過(guò)熱器與一段出來(lái)的轉化氣再次換熱。達到指標要求的過(guò)熱蒸汽送至汽輪發(fā)電機機，多余部分送車(chē)間利用。

        原料工段

        固體硫磺由火車(chē)運至硫磺倉庫，采用人工上料方式，通過(guò)一大傾角膠帶式輸送機將硫磺輸送至快速熔硫槽加料口處。

        熔硫工段

        來(lái)自原料工段的固體散裝硫磺由膠帶輸送機送入快速熔硫槽內熔化，經(jīng)熔化后的熔融液硫自溢流口自流至過(guò)濾槽中，由過(guò)濾泵送入帶助濾劑預涂層的液硫過(guò)濾器內過(guò)濾后流入液硫中間槽內，再由液硫輸送泵輸送到液硫貯罐內，液硫由液硫貯罐經(jīng)精硫泵（屏蔽泵）送到焚硫轉化工段的焚硫爐內燃燒?？焖偃哿虿?、助濾槽、液硫貯罐、精硫槽等內均設有蒸汽加熱管，用0.5～0.6MPa蒸汽間接加熱，使硫磺保持熔融狀態(tài)。助濾槽內設有助濾泵將助濾劑硅藻土預涂到液硫過(guò)濾器上。
        焚硫及轉化工段

        液硫由精硫泵加壓經(jīng)磺槍機械霧化而噴入焚硫爐焚燒，硫磺燃燒所需的空氣經(jīng)空氣過(guò)濾器過(guò)濾后，再經(jīng)空氣鼓風(fēng)機加壓、干燥塔干燥后送入焚硫爐。
        干吸及成品工段

        空氣鼓風(fēng)機設在干燥塔上游，即硫磺焚燒及轉化所需空氣經(jīng)過(guò)濾器過(guò)濾、鼓風(fēng)機加壓后進(jìn)入干燥塔塔底，用98％硫酸吸收掉空氣中的水分使出塔干燥空氣中水分0.1g/Nm³，經(jīng)塔頂除霧器除去酸霧后的干燥空氣進(jìn)入焚硫爐。從干燥塔出來(lái)的濃度約97.8%的硫酸流入干吸塔循環(huán)槽中，與來(lái)自第一吸收塔的吸收酸混合后，經(jīng)干燥塔酸循環(huán)泵加壓后送入干燥塔酸冷卻器中，經(jīng)冷卻至約70℃后送到塔頂進(jìn)行噴淋。

        由轉化器第三段出口的氣體經(jīng)冷熱換熱器和省煤器II回收熱量、溫度降為172℃后一部分進(jìn)入第一吸收塔塔底，塔頂用來(lái)溫度75℃、濃度為98.0％的硫酸噴淋，吸收氣體中SO3 后的酸自塔底流出進(jìn)入干吸塔循環(huán)槽中，與來(lái)自干燥塔的干燥酸進(jìn)行混合并用工藝水調節循環(huán)酸濃度至98％后，再由一吸塔酸循環(huán)泵依次送入一吸塔酸冷卻器冷卻后，送至一吸塔塔頂進(jìn)行噴淋。另一部分一次轉化氣進(jìn)入煙酸塔。塔內用104.5％發(fā)煙硫酸進(jìn)行噴淋，吸收轉化器中的SO3后，由塔底流入發(fā)煙酸循環(huán)槽，通過(guò)來(lái)自一吸塔酸冷卻器出口的98%硫酸調節濃度為104.5％，然后經(jīng)煙酸塔循環(huán)泵送入煙酸塔酸冷卻器，冷卻后的發(fā)煙酸一部分作為產(chǎn)品送至成品工段，另一部分送入煙酸塔塔頂進(jìn)行噴淋。吸收后的爐氣與另一部分氣體混合后再進(jìn)入第一吸收塔。

        由轉化器四段出來(lái)的二次轉化氣經(jīng)低溫過(guò)熱器/省煤器換熱降溫后進(jìn)入第二吸收塔塔底。該塔用溫度為75℃，濃度為98％的硫酸噴淋，吸收SO3后的硫酸自塔底流入吸收塔循環(huán)槽。而后經(jīng)二吸塔酸循環(huán)泵加壓，并經(jīng)二吸塔酸冷卻器冷卻后進(jìn)入第二吸收塔噴淋。

        98%成品硫酸由干燥酸循環(huán)泵出口引出，再經(jīng)成品酸冷卻器冷卻至40℃后進(jìn)入成品酸貯罐。
        三、控制策略

        隨著(zhù)硫磺制酸工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，其生產(chǎn)設備和規模不斷擴大，生產(chǎn)過(guò)程的強化，對自動(dòng)控制技術(shù)的要求越來(lái)越迫切，對生化過(guò)程實(shí)行優(yōu)化控制，可穩定生產(chǎn)，提高得率，降低消耗，增加效益。

        空氣風(fēng)機的升壓

        盡管硫酸裝置的產(chǎn)品是液體，但在工藝過(guò)程中主要處理的是氣體，且其中80%左右為不參與反應的氮氣。增大空氣風(fēng)機的升壓，即增加系統的氣體阻力，就可以提高氣體操作速度，從而提高設備的生產(chǎn)強度、增大氣體換熱設備的傳熱系數，結果是使裝置設備管道規格減少，裝置投資下降。

        系統壓降最優(yōu)化問(wèn)題，在國外一直是相關(guān)裝置投資效益的主要因素之一。隨著(zhù)裝置規模的增大，選取的風(fēng)機升壓也越來(lái)越高。對同一規模的裝置，選取的風(fēng)機升壓也在不斷提高。特別對用蒸汽透平驅動(dòng)空氣風(fēng)機，風(fēng)機升壓的汽耗在系統中又將壓力損失轉變?yōu)闅怏w升溫，這其中多數又經(jīng)換熱器、省煤器回收后變?yōu)檎羝?，基本?shí)現了蒸汽循環(huán)。

        轉化流程

        轉化流程的選擇，主要根據所采用的催化劑、進(jìn)轉化器的SO2濃度及所要求的總轉化率。根據國家新的環(huán)保標準及發(fā)展要求，新建硫酸裝置的總轉化率要達到99.8%以上。

        隨著(zhù)硫磺制酸裝置規模的增大，所選取的二氧化硫濃度也在不斷增加。從副產(chǎn)蒸汽回收、設備規格等綜合考慮，60萬(wàn)噸/年規模所選取的二氧化硫濃度在10～12%， 若考慮采用不含銫催化劑，二氧化硫濃度可選擇10.5%左右。

        采用“3+1”四段轉化可以達到99.8%以上的總轉化率，若采用“3+2”五段轉化將能達到99.8%以上及更高的總轉化率，但3+2”五段轉化增加了第四段出口換熱器、并增加了一段轉化器的設備投資，但催化劑的裝填量會(huì )略低于“3+1”四段轉化流程。

        低溫位廢熱回收利用

        低溫位廢熱回收技術(shù)在國際上開(kāi)發(fā)應用十多年，美國孟山都、德國魯奇、加拿大Chemetics都開(kāi)發(fā)成功該項技術(shù)。其原理是通過(guò)提高吸收循環(huán)酸溫度，用循環(huán)酸吸收SO3后的反應熱來(lái)產(chǎn)生低壓蒸汽。循環(huán)酸溫度提高后，酸的腐蝕性加劇，則必須相應提高循環(huán)酸濃度及開(kāi)發(fā)更優(yōu)秀的耐腐蝕材料，孟山都、魯奇、Chemetics均研制成功各自的專(zhuān)利材料。孟山都HRS技術(shù)已有16個(gè)裝置的業(yè)績(jì)，運行時(shí)間最長(cháng)已超過(guò)11年。

        對于年產(chǎn)60萬(wàn)噸硫磺制酸的規模來(lái)說(shuō)，采用低溫廢熱回收技術(shù)回收吸收酸中的低溫位廢熱產(chǎn)生低壓蒸汽，已經(jīng)達到了國際上的經(jīng)濟規模的裝置能力。采用低溫廢熱回收，可增產(chǎn)低壓蒸汽37.5t/h，并相應減少了干吸部分所需循環(huán)冷卻水的70％左右，從而相應減少循環(huán)水站的投資、運行費用及占地規模。

        我國吸收酸中的低溫位熱量的回收利用也已起步，用于加熱鍋爐給水、采暖以及加熱工業(yè)用水和生活用水。如果不采用進(jìn)口的低溫廢熱回收技術(shù)，可采用第一吸收塔下塔酸的熱量加熱進(jìn)除氧器的脫鹽水。

        干吸流程的選擇

        硫磺制酸與礦制酸和冶煉氣不同，干燥的是空氣而不是含二氧化硫氣體，不存在二氧化硫在干燥酸中溶解在吸收酸中解吸的情況，因此可以干吸酸同槽、用98％酸干燥。

        硫磺制酸用98％酸干燥比用93％酸干燥有許多優(yōu)點(diǎn)：98％酸的水蒸汽分壓低，干燥速率快；98％酸干燥不需串酸，配管及控制簡(jiǎn)單；98％酸干燥可以提高干燥塔進(jìn)塔酸溫，減少循環(huán)水用量，提高蒸汽產(chǎn)量；98％酸的腐蝕性比93％酸小得多。

        干吸工序陽(yáng)極保護不銹鋼濃硫酸冷卻器、管道控制分析，陽(yáng)極保護技術(shù)是60年代建立起來(lái)的新興材料保護技術(shù)，UW500在與南漳龍蟒磷化工生產(chǎn)線(xiàn)中實(shí)例。

        當某種金屬浸入電解質(zhì)溶液時(shí)，金屬表面與溶液之間就會(huì )建立起一個(gè)電位，腐蝕電化學(xué)中把這個(gè)電位稱(chēng)為自然腐蝕電位。不同的金屬在一定的溶液中的電位是不一樣的， 而同一種金屬由于其各部位間存在著(zhù)電化學(xué)不均一性而造成不同部位間產(chǎn)生一定的電位差值，正是這種電位差值導致了金屬在電解質(zhì)溶液中的電化學(xué)腐蝕。（下圖為鈍性金屬陽(yáng)極化曲線(xiàn)）
        四、控制工程

        UW500集散控制系統在硫磺制酸已經(jīng)得到廣泛的應用。在與國內最大的磷化工生產(chǎn)廠(chǎng)家龍蟒集團合作多條硫磺制酸生產(chǎn)線(xiàn)，并且取得很好的口碑，優(yōu)秀的雙重化冗余設計，使控制系統更加穩定可靠。