楊杰勇

(陽煤集團(tuán)太原化工新材料有限公司，山西 太原 030400)

SOP濕法制硫酸工藝技術(shù)及其應(yīng)用前景

楊杰勇

(陽煤集團(tuán)太原化工新材料有限公司，山西 太原 030400)

介紹了SOP濕法制硫酸工藝的原理、流程、特點(diǎn)、正常操作條件下的控制，分析了SOP濕法制硫酸工藝的應(yīng)用前景。

SOP；硫酸；硫回收

1 SOP硫回收工藝技術(shù)簡介

SOP(sulphur oxidation plant)硫回收工藝是奧地利P&P公司于21世紀(jì)初開發(fā)的一種非常新穎的工藝?？苫厥誋2S和帶有硫的化學(xué)物質(zhì)，對(duì)硫化物的適應(yīng)范圍廣，可以使用H2S體積分?jǐn)?shù)低至0.5%的廢氣生產(chǎn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為92%～98%的硫酸，硫回收率可達(dá)99.9%。最近幾年，該工藝慢慢往國內(nèi)引進(jìn)，廣泛應(yīng)用于石油、化工及冶煉行業(yè)。該工藝將化學(xué)物質(zhì)中含有硫的可燃?xì)怏w經(jīng)過轉(zhuǎn)化得到硫酸，采用的是二級(jí)轉(zhuǎn)化及冷凝工藝技術(shù)。工藝過程為4股酸性廢氣燃燒生成SO2，經(jīng)過換熱器冷卻后先進(jìn)入第一個(gè)反應(yīng)容器，生成SO3；SO3和攜帶的水蒸氣進(jìn)入第一個(gè)冷凝器，冷凝形成硫酸。接著，未轉(zhuǎn)化的SO2進(jìn)入二級(jí)反應(yīng)器，生成SO3；SO3和攜帶的水蒸氣進(jìn)入二級(jí)冷凝器，再次冷卻，形成硫酸。

SOP工藝實(shí)際采用的是催化反應(yīng)過程，對(duì)處理各種濃度的含硫酸性氣體非常實(shí)用，處理廢氣濃度范圍廣，也可以處理水分含量高的廢氣，進(jìn)氣前不需要對(duì)氣體預(yù)先干燥。除此之外，該工藝流程簡單、效率高，即使酸性氣含量很低時(shí)，仍然可以反應(yīng)生成硫酸。

2 SOP硫回收工藝技術(shù)的原理

1) 酸性物質(zhì)的燃燒[見反應(yīng)式(1)]

(1)

2) SO2的催化反應(yīng)[見反應(yīng)式(2)]

(2)

3) SO3水合生成H2SO4(g)[見反應(yīng)式(3)]

(3)

4) H2SO4(g)的冷卻[見反應(yīng)式(4)]

(4)

3 SOP硫回收工藝技術(shù)流程

SOP硫回收工藝技術(shù)主要包括酸性物質(zhì)的燃燒工序、兩級(jí)氧化與冷凝工序、熔融鹽工序、硫酸冷卻與輸送工序、蒸汽工序等。

3.1 酸性廢氣的燃燒工序

主要的廢氣是由低溫甲醇洗單元送來的酸性廢氣，含有體積分?jǐn)?shù)高達(dá)35%的硫化氫和超過60%的二氧化碳。

正常情況下(100%)的低溫甲醇洗流量為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)4 776.7 m3/h(H2S的體積分?jǐn)?shù)為30%)。除了低溫甲醇洗酸性氣，還有由粗苯加氫單元送來的混有酸水汽提酸性氣的氣體、由粗苯加氫單元送來的普通酸性氣和由高閃閃蒸單元送來的酸性氣。

多種酸性廢氣引入燃燒室中，通過二次風(fēng)控制使?fàn)t內(nèi)溫度維持在1 000 ℃左右，由燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的反應(yīng)熱被轉(zhuǎn)化為過熱蒸汽的能量，同時(shí)用于加熱熔融鹽。由燃燒爐出來的氣體溫度約350 ℃，在燃燒爐出口管線上引入蒸汽，用于調(diào)節(jié)工藝氣的水含量，進(jìn)而為下一步濕法制酸反應(yīng)作準(zhǔn)備。

3.2 兩級(jí)氧化與冷凝工序

工藝氣由頂部進(jìn)入反應(yīng)器，到含有3層催化劑的床層。第一床層的陶瓷填料使氣流得以均勻分布，之后，工藝氣進(jìn)入具有白金涂層催化劑的反應(yīng)區(qū)域。經(jīng)過催化床后，大約有60%的SO2被氧化， 而幾乎沒有發(fā)生水合反應(yīng)。工藝氣被翅片換熱器冷卻后，進(jìn)入具有3個(gè)床層的白金催化床中進(jìn)行下一步氧化反應(yīng)。最后，工藝氣被翅片換熱器冷卻至275 ℃。在冷卻的過程中，SO3的水合反應(yīng)逐漸增加，反應(yīng)熱被泵送來的熔融鹽換熱帶走，反應(yīng)器內(nèi)的工藝氣通過管道送入冷凝器的底部。

來自反應(yīng)器的工藝氣通過管道進(jìn)入到冷凝器的底部。在冷凝器中，工藝氣通過換熱器進(jìn)行冷卻，與來自冷凝器頂部的工藝氣進(jìn)行熱量交換，工藝氣進(jìn)一步通過換熱器進(jìn)行冷卻，與吹進(jìn)的新風(fēng)進(jìn)行熱量交換。硫酸直接從工藝氣中冷凝下來，形成工藝氣與硫酸液滴的混合物。在垂直方向上，工藝氣在進(jìn)入到聚丙烯材質(zhì)的靜電除霧器之前被冷卻到80 ℃。從冷凝器頂部出來的飽和氣體被風(fēng)機(jī)鼓入到玻璃管換熱器中，工藝氣進(jìn)入到第二級(jí)反應(yīng)器之前，在該換熱器中被加熱到200 ℃以上。

工藝氣從頂部進(jìn)入到二級(jí)反應(yīng)器。工藝氣經(jīng)過翅片換熱器進(jìn)行加熱。工藝氣被加熱到400 ℃(450 ℃)，從而使SO2在催化劑床層中進(jìn)一步氧化為SO3。經(jīng)過最后的氧化反應(yīng)，工藝氣通過與熔融鹽換熱，冷卻到275 ℃。

來自二級(jí)反應(yīng)器的工藝氣進(jìn)入到二級(jí)冷凝器的底部。在二級(jí)冷凝器中，工藝氣通過換熱后被冷卻，硫酸發(fā)生冷凝。硫酸直接從氣體中冷凝下來，形成過程氣與硫酸液滴的混合物。在垂直方向上，過程氣在進(jìn)入到聚丙烯材質(zhì)的二級(jí)靜電除霧器之前被冷卻到80 ℃，未冷卻的通過煙囪放空。

3.3 熔融鹽工序

首先，熔融鹽在熔鹽槽中通過低壓蒸汽進(jìn)行熔化。蒸汽來自進(jìn)入到熔鹽罐上的表面伴熱管中，以維持熔鹽罐的溫度在開車時(shí)高于170 ℃。熔融后的鹽通過泵輸送至一個(gè)集箱，鹽的壓力由控制器控制泵的轉(zhuǎn)速而得，通過調(diào)節(jié)每一個(gè)換熱器的控制來調(diào)節(jié)流量。所有的換熱管線在進(jìn)入到鍋爐給水預(yù)熱器之前匯聚到一起，鹽在鍋爐給水預(yù)熱器中通過水蒸發(fā)進(jìn)行冷卻，在余熱回收器中與鍋爐水進(jìn)行熱交換。從鍋爐給水預(yù)熱器出來的熔融鹽在重力下進(jìn)入到熔鹽槽。

3.4 硫酸冷卻與輸送工序

來自2個(gè)冷凝器的硫酸溫度約為260 ℃，進(jìn)入到硫酸罐中，熱的硫酸通過下降管直接進(jìn)入到酸罐的中心，與大量已有的硫酸進(jìn)行混合，硫酸通過板式換熱器進(jìn)行冷卻，硫酸溫度為32 ℃～41 ℃，通過循環(huán)酸泵進(jìn)行循環(huán)。在板式換熱器中，與32 ℃的冷卻水進(jìn)行熱量交換。進(jìn)入到換熱器的酸管線上都配有過濾器，防止發(fā)生堵塞。最后生成的產(chǎn)品硫酸通過成品酸泵輸送到界區(qū)外。該酸輸送泵同時(shí)可以打回到一級(jí)冷凝器和二級(jí)冷凝器頂部，目的是給冷凝器提供額外的冷卻，提高酸濃度。

3.5 蒸汽工序

SOP工藝技術(shù)產(chǎn)生熱能，放熱氧化的結(jié)果導(dǎo)致過程氣溫度升高，熱量在裝置中加熱的熔鹽之間進(jìn)行循環(huán)，最后加熱的熔融鹽被用來在鍋爐給水預(yù)熱器中產(chǎn)生飽和蒸汽。來自鍋爐給水預(yù)熱器中的飽和蒸汽直接進(jìn)入燃燒爐中的高溫過熱器，最終產(chǎn)生中壓過熱蒸汽。

4 SOP硫回收工藝技術(shù)特點(diǎn)

4.1 廢氣中的硫回收率非常高

硫回收率高，尾氣的排放總硫在150 mg/m3以下，完全滿足我們國家的排放要求(<200 mg/m3),不需尾氣再次處理。

4.2 對(duì)酸性廢氣的要求低

對(duì)于酸性廢氣的組分含量沒有限制，H2S體積分?jǐn)?shù)可以達(dá)到0.5%以下，而且可以含高濃度的CO2以及烴類的有機(jī)物等雜質(zhì)。

4.3 操作彈性范圍大

SOP裝置操作彈性范圍大，負(fù)荷在15%以下也可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)；酸性廢氣的大范圍波動(dòng)對(duì)裝置影響可以忽略。

4.4 經(jīng)濟(jì)效益明顯

SOP濕法制硫酸工藝可以直接生產(chǎn)商品級(jí)濃硫酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%)，既可以自用，也可對(duì)外出售；同時(shí)，運(yùn)轉(zhuǎn)過程中副產(chǎn)的中壓過熱蒸汽，壓力超過3.82 MPa，可以直接并進(jìn)工廠的蒸汽管網(wǎng)，經(jīng)濟(jì)效益非常明顯。

4.5 裝置結(jié)構(gòu)緊湊

整個(gè)裝置為30余m的框架結(jié)構(gòu)，設(shè)備少、占地面積小，約幾百平方米。

4.6 自動(dòng)化程度高

SOP裝置工藝可以實(shí)現(xiàn)中控一鍵自動(dòng)化開停裝置，操作簡單、經(jīng)濟(jì)，且對(duì)燃燒爐、熔鹽系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)、催化劑系統(tǒng)設(shè)置多重聯(lián)鎖，使裝置可以高效安全地穩(wěn)定運(yùn)行。

4.7 環(huán)境保護(hù)效果好

SOP裝置在生產(chǎn)過程中，消耗非常少的循環(huán)水，不產(chǎn)生廢氣，也沒有固體廢棄物，裝置環(huán)保，裝置區(qū)域非常干凈。

5 正常生產(chǎn)的操作控制

5.1 燃燒爐的控制

多股酸性廢氣進(jìn)入燃燒爐內(nèi)燃燒生產(chǎn)SO2，燃燒爐內(nèi)的溫度控制在800 ℃～1 100 ℃。當(dāng)溫度低于800 ℃時(shí)，反應(yīng)不完全；當(dāng)溫度高于1 100 ℃時(shí)，超過換熱設(shè)備的承受上線，毀壞設(shè)備。

5.2 兩級(jí)反應(yīng)器和兩級(jí)冷凝器的溫度控制

從燃燒爐進(jìn)入一級(jí)反應(yīng)器和二級(jí)反應(yīng)器的入口溫度控制在360 ℃～420 ℃，該段溫度反應(yīng)器中催化劑活性最好，反應(yīng)后的工藝氣進(jìn)入一、二級(jí)冷凝器中。進(jìn)入靜電除霧器的氣體溫度控制小于80 ℃，主要通過噴硫酸或脫鹽水來調(diào)節(jié)。

5.3 熔融鹽的溫度控制

用于SOP裝置系統(tǒng)換熱的熔融鹽系統(tǒng)，溫度控制范圍為225 ℃～250 ℃。低于225 ℃或高于250 ℃，系統(tǒng)不能進(jìn)酸性廢氣。

6 SOP濕法制硫酸技術(shù)的應(yīng)用前景

目前，煤化工裝置的酸性廢氣處理通常采用克勞斯硫回收工藝技術(shù)。SOP濕法制硫酸工藝技術(shù)作為新工藝，國內(nèi)使用該工藝非常少[1]。煤化工裝置的酸性氣中H2S體積分?jǐn)?shù)較低，在1%～35%；其余主要是CO2，體積分?jǐn)?shù)通常在60%～85%。酸性氣來源很復(fù)雜，以低甲酸性氣為主要酸性廢氣，還有其他少量的高閃廢氣和苯加氫廢氣等，除了含有硫化氫和含硫物質(zhì)外，可能還有CO2、N2、HCHO等雜質(zhì)。傳統(tǒng)的克勞斯工藝技術(shù)一般存在以下問題[2]：1) 不僅對(duì)廢氣物質(zhì)的成分要求高，而且H2S體積分?jǐn)?shù)必須在25%之上，更對(duì)烴類、CO2等有嚴(yán)格的要求；2) 對(duì)燃燒爐的操作要求較高，若控制不合理，會(huì)嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量，最終使排放氣體超標(biāo)；3) 裝置彈性小，低負(fù)荷狀態(tài)很難正常生產(chǎn)，進(jìn)料波動(dòng)也會(huì)影響裝置運(yùn)行；4) 硫回收率低，尾氣不能直接排放，需要經(jīng)過再處理才能達(dá)標(biāo)排放。綜上所述，克勞斯硫回收工藝雖然最終能夠達(dá)標(biāo)排放，但工藝流程相對(duì)復(fù)雜，操作要求嚴(yán)格，投資非常大。因此，對(duì)于沒有溶劑吸收裝置的煤化工裝置來說，克勞斯工藝已并不是一個(gè)很好的選擇。

而且采用SOP技術(shù)不僅操作簡單、操作彈性大，對(duì)酸性氣組成沒有限制，H2S濃度可以低至0.5%以下，也可高至90%之上；原料中可以有烴類物質(zhì)和較高濃度的CO2；裝置流程短，設(shè)備布置緊湊，占地少，環(huán)境效果顯著，硫回收率高，尾氣排放完全滿足國家排放標(biāo)準(zhǔn)，無需尾氣處理裝置。

總之，對(duì)選擇SOP硫回收工藝主要應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性和國家現(xiàn)有和未來的環(huán)保指標(biāo)。所以，煤化工酸性廢氣處理裝置采用SOP濕法制硫酸工藝[3]，將是未來非常好的嘗試，和過去的克勞斯硫回收裝置相比，投資更小，且硫回收率有非常高的提高，裝置運(yùn)行成本低，最終可排放達(dá)標(biāo)，因此，SOP硫回收工藝在今后具有非常大的推廣價(jià)值。

[1] 張毅.WSA尾氣直接制酸技術(shù)在化肥企業(yè)的應(yīng)用[J].化肥工業(yè)，2008,35(1)：24-26,57.

[2] 汪家銘.酸性氣硫回收濕法直接制酸工藝及應(yīng)用前景[J].天然氣與石油，2010,49(3)：40-44.

[3] 曹葉霞.硫化氫制酸的生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)展[J].無機(jī)鹽工業(yè)，2006,47(11)：10-12.

Process technology of sulphuric acid preparation by SOP wet process and its application prospect

YANG Jieyon

(Yangquan Coal Industry Group Taiyuan New Chemical Materials Co., Ltd., Taiyuan Shanxi 030400, China)

The principle, process and characteristics of sulphuric acid preparation by SOP wet process and its control under normal operating conditions are introduced. The application prospect of sulphuric acid production by SOP wet process is analyzed.

SOP; sulfuric acid; sulfur recovery

2017-07-20

楊杰勇，男，1987年出生，2013年畢業(yè)于太原理工大學(xué)。研究方向：化工。

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2017.04.22

O611.63;TQ125.1

A

1004-7050(2017)04-0067-03

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