CN102320579A - 硫化氢制备硫酸的工艺方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种硫化氢制备硫酸的工艺方法。该方法包括如下步骤：(1)将含H2S原料气与富氧空气中的氧气进行氧化还原反应制备SO2，控制该步骤后的氧气残余量摩尔百分比≥2％，其中，当H2S摩尔百分比为≥8％时，反应为燃烧反应，反应温度≥900℃；当H2S摩尔百分比为＜8％时，反应为催化反应，反应起燃温度≥200℃；(2)将所得产物冷却至390℃～430℃，然后与氧气进行催化氧化反应，该反应分级进行至其中SO2转化率≥98.7％或者SO2出口浓度≤550mg/Nm3；(3)将所得产物冷却至温度为≥H2SO4露点温度以上10℃，然后再冷却至60℃～120℃，并收集H2SO4产品，冷却后的气体经过聚结分离，即可直接排空。该方法H2S脱除效率高，工艺流程简单，且能实现装置经济效益和能量合理利用。

Description

硫化氢制备硫酸的工艺方法
技术领域
本发明涉及一种硫化氢制备硫酸的工艺方法。
背景技术
硫化氢(H2S)是煤炭、天然气和石油等一次性能源利用过程中的伴生产物，一般在天然气净化、石油精炼、煤气化利用以及炼焦等过程中均有大量H2S产生。H2S是一种无色有臭鸡蛋气味的剧毒气体，是强烈的神经毒素，对粘膜有强烈的刺激作用。
H2S酸性废气不可直接排放环境，中国环境标准《工业企业设计卫生标准》TJ36-79中规定H2S最高容许浓度为10mg/Nm3。现有技术工业上，一般采用克劳斯工艺处理H2S并回收得到硫磺，即将H2S与空气中氧气反应，部分氧化为SO2，进一步地，在H2S和SO2摩尔(体积)比为2∶1的条件下催化反应生成硫磺。然而，对于克劳斯工艺方法，由于其工艺条件复杂，流程长，设备多，同时该反应又受工艺条件限制，尾气污染物残留量高，不能满足环保标准排放，还另需配套建设庞大的尾气处理装置，由此可见，克劳斯法装置投资高，运行费用高，操作困难。考虑到经克劳斯法高成本生产出的硫磺中约90％均用于生产硫酸，若能将H2S直接制备浓硫酸，相比通过克劳斯装置制备硫磺、再由硫磺制备浓硫酸的工艺，具有装置投资低，运行成本低的综合优势。但是，现有技术中并没有一种有效脱除H2S、工艺流程简单，设备简单，且能实现装置经济效益和能量合理利用的H2S直接制备浓硫酸的工艺方法。该现状亟待解决。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服了现有技术中的处理硫化氢废气的克劳斯工艺方法存在投资高、运行费用高和操作困难的缺陷，提供了一种H2S脱除效率高，工艺流程简单，且能实现装置经济效益和能量合理利用的硫化氢制备硫酸的工艺方法。
本发明的硫化氢制备硫酸的工艺方法包括如下步骤：
(1)将含H2S原料气与富氧空气中的氧气进行氧化还原反应制备SO2，控制该氧化还原反应步骤后的氧气残余量摩尔百分比≥2％，其中，当含H2S原料气中的H2S摩尔百分比为≥8％时，氧化还原反应为燃烧反应，反应温度≥900℃；当含H2S原料气中的H2S摩尔百分比为＜8％时，氧化还原反应为催化反应，反应起燃温度≥200℃；
(2)将步骤(1)所得产物冷却至390℃～430℃，然后与氧气进行催化氧化反应，该催化氧化反应分级进行至其中SO2的转化率≥98.7％或者SO2出口浓度≤550mg/Nm3；
(3)将步骤(2)所得产物冷却至温度为≥H2SO4露点温度以上10℃，然后再进一步冷却至60℃～120℃，并收集H2SO4产品，冷却后得到的气体经过聚结分离，即可直接排空。
下面，进一步对本发明的硫化氢制备硫酸的工艺方法进行详细介绍：
(1)将含H2S原料气与富氧空气中的氧气进行氧化还原反应制备SO2，控制该氧化还原反应步骤后的氧气残余量摩尔百分比≥2％，其中，当含H2S原料气中的H2S摩尔百分比为≥8％时，氧化还原反应为燃烧反应，反应温度≥900℃；当含H2S原料气中的H2S摩尔百分比为＜8％时，氧化还原反应为催化反应，反应起燃温度≥200℃。
本发明中，所述的含H2S原料气为本领域常规所说的含H2S的废气，一般在煤炭、天然气和石油等一次性能源利用过程中，或者在天然气净化、石油精炼、煤气化利用以及炼焦等过程中产生获得，其H2S的含量一般在摩尔百分比1％～90％，较佳的为5.2％～28.9％。
其中，当含H2S原料气中含有NH3时，其中的NH3含量一般在摩尔百分比≤15％，较佳的为1.2％。当含H2S原料气中含有NH3，H2S摩尔百分比为≥8％时，燃烧反应的反应温度较佳的为≥1250℃；H2S摩尔百分比为＜8％时，氧化还原反应为催化反应，NH3也进行催化反应，其反应条件与H2S催化反应条件一致，所述的催化反应使用催化剂为本领域常规使用催化剂。由此可实现完全裂解NH3，防止铵盐堵塞催化剂床层。
本发明中，所述的富氧空气为本领域常规所说的氧气浓度可在摩尔百分比20.8％～100％之间调节的空气，可通过纯氧和空气混合制备，例如，当需要摩尔百分比30％的富氧空气，可将空气与氧气按照7∶1的比例混合即可。本发明使用的富氧空气中氧气的具体浓度使用，本领域技术人员会根据含H2S原料气中H2S含量以及本发明设定的反应后的氧气残余量相应计算调整，例如，当H2S摩尔浓度为8％-15％时，使用的富氧空气中氧气摩尔百分比为28％。
本发明中，所述的氧化还原反应为燃烧反应时，反应温度较佳的为1050℃，含H2S原料气中的H2S含量优选为摩尔百分比8％～90％。所述的氧化还原反应为催化反应时，含H2S原料气中的H2S含量优选为摩尔百分比1％～8％。
本发明中，所述的催化反应的催化剂可为本领域常规使用，一般为γ-氧化铝基催化剂，且采用固定床式反应器，即催化剂装填于反应器底部的催化剂栅板上进行，均市售可得。
本发明中，所述的氧化还原反应步骤后的氧气残余量较佳的为摩尔百分比2％～10％，更佳的为2％～6％，进一步更佳的为2％～3％。
本发明中，所述的含H2S原料气与富氧空气中的氧气进行氧化还原反应涉及的设备为本领域常规使用设备均可实施。此步骤，不需要另行添加燃料等物，能耗低。
(2)将步骤(1)所得产物冷却至390℃～430℃，然后与氧气进行催化氧化反应，该催化氧化反应分级进行至其中SO2的转化率≥98.7％或者SO2出口浓度≤550mg/Nm3。
本发明中，所述的将步骤(1)所得产物冷却的温度较佳的为410℃～420℃。
本发明中，所述的步骤(2)的催化氧化反应中的氧气的含量较佳的为摩尔百分比≥5％，更佳的为5％～7％，SO2的含量较佳的为摩尔百分比≤4％。所述的氧气的量本领域技术人员知道根据步骤(1)中残余量和本步骤的要求调整。
本发明中，所述的催化氧化反应分级进行的级数较佳的为2～5级，更佳的为3～4级。
本发明中，所述的催化氧化反应分级进行至其中SO2的转化率较佳的≥99％。
本发明中，所述的催化氧化反应的催化剂可为本领域常规使用，一般为钒基催化剂，且采用固定床式反应器，即催化剂装填于反应器底部的催化剂栅板上。
本发明中，空气中的氮气在高温环境下与氧气结合反应生成少量的NO2，且当含H2S原料气中含有NH3时，NH3在高温环境中生成NO2，因此，经本发明人大量实验研究发现，当含H2S原料气中含有NH3时，所述的催化氧化反应较佳的加入50-100ppmV的气氨，使气氨与NO2进行反硝化反应转化为N2。所述的反硝化反应为催化反应，催化剂为本领域常规使用催化剂，一般钒基催化剂(如V2O5等)和WO3催化剂，催化剂可装填于固定床式反应器中。该催化剂均市售可得。
本发明中，所述的冷却步骤可用本领域常规所用方式冷却，较佳的为换热器进行冷却或直接添加空气降温，当使用换热器降温较佳的还使用冷的工艺气或中低压饱和蒸汽作为冷却介质用于热量回收，以生产过热蒸汽，做为动力蒸汽推动压缩机透平做功，以节约能耗。所述的催化氧化反应涉及的设备为本领域常规使用设备如多级段间换热反应器均可实施，较佳的为卧式多级反应器。
(3)将步骤(2)所得产物冷却至温度为≥H2SO4露点温度以上10℃，然后再进一步冷却至60℃～120℃，并收集H2SO4产品，冷却后得到的气体经过聚结分离，即可直接排空。
本发明中，所述的将步骤(2)所得产物冷却温度较佳的为H2SO4露点温度以上10℃～30℃，更佳的为H2SO4露点温度以上15℃～17℃。所述的露点温度为本领域技术术语，是指恒定气压条件下，H2SO4蒸汽冷却到饱和时的温度。所述的温度为≥H2SO4露点温度以上10℃即指温度≥(H2SO4露点温度+10℃)，H2SO4露点温度以上10℃～30℃即指温度范围为(H2SO4露点温度+10℃)至(H2SO4露点温度+30℃)。
本发明中，所述的再进一步冷却的温度较佳的为105℃～120℃。
本发明中，所述的步骤(2)所得产物冷却至温度为≥H2SO4露点温度以上10℃可用本领域常规所用的换热器进行冷却，还可使用冷的工艺气或中低压饱和蒸汽作为冷却介质用于生产高压饱和蒸汽或过热蒸汽，另作他用以节约能耗。其中，中低压饱和蒸汽是指一般压力为0.5MpaG～7.8MpaG的饱和蒸汽。
本发明中，所述的聚结分离可用本领域常规所用的聚结分离器即可。
本发明所得的H2SO4产品中H2SO4浓度可达质量百分比93％～98％，可根据具体需要进一步调整为恒定浓度的工业级浓硫酸方便使用。
本发明的硫化氢制备硫酸的工艺方法流程汇总可生产高压饱和蒸汽或过热蒸汽，可产过热蒸汽气量约为0.8～1.2吨蒸汽/吨硫酸，可适当利用该过热蒸汽用于推动压缩机的透平，每天可显著节约电耗约8000Kw.h。
本发明中，所述进一步冷却至60℃～110℃使用的设备较佳的为热交换器，该换热器包括一壳体，所述壳体的顶部设有一尾气的排放口，所述壳体的底部设有一出液口，在所述壳体内沿所述壳体的长轴方向设有用于流通冷却介质的若干玻璃管，所述玻璃管均跨设于所述壳体的两侧壁之间，所述玻璃管位于该冷却介质上游的一端为首端，位于该冷却介质下游的一端为尾端，在该冷却介质的上游和下游之间相邻的所述玻璃管首尾相连通从而形成至少一条单向导流的冷却介质流道。由玻璃管形成的单向导流的冷却介质通道能够耐受高温和强腐蚀，避免在高温和强腐蚀性环境中发生变形和腐蚀现象，从而确保长时间使用中冷却介质的流畅性，以及热交换器使用中的安全性。另外，沿热交换器长轴方向在热交换器侧壁间横向设置玻璃管能有效缩短玻璃管的长度，提高玻璃管的刚性，克服玻璃管过脆、耐热冲击性差、易破裂的问题。上述玻璃管可以采用硼硅酸盐玻璃、石英玻璃等或者化学领域中其他公知的能耐高温防腐蚀的玻璃，在此不做限制。
需要说明的是，当上述壳体为一圆柱体时，该圆柱体的轴线延伸方向即为所述壳体的长轴方向，而圆柱体绕该轴线回旋所形成的表面则为所述的侧壁。
另外，所述玻璃管的首端和尾端可均位于所述壳体内部，此时所述玻璃管的首、尾通过适配的玻璃管道连接。在此对所形成的冷却介质流道的形状不做限制，其可以为“弓”字型、“Z”字型或者其他形状。
其中，所述冷却介质流道设有一冷却介质进口和一冷却介质出口，所述冷却介质进口靠近所述顶部，所述冷却介质出口靠近所述底部。尤其当冷却介质为空气时，为配合冷空气下降的特性，上进下出的流向设计能进一步提高冷却介质的流动性，提高介质流速，继而提高冷凝效率。
为使玻璃管的长度设置最短，所述玻璃管的延伸方向与所述长轴方向垂直(即与热交换器的短轴平行)，并且所述玻璃管的首、尾均延伸至所对应的侧壁的外部。此时可在壳体外部对玻璃管进行连接，装配更为方便。
尤其当所述热交换器为立式热交换器时，横置的玻璃管的受力更为均匀，安装方便，不易破裂。
较佳地，所述玻璃管为等距离均匀分布并沿所述长轴方向被分成若干玻璃管单元；每个所述玻璃管单元中的所述玻璃管的首端位于同侧，所述玻璃管的首端所在的一侧形成所述玻璃管单元的首部，所述玻璃管的尾端所在的一侧形成所述玻璃管单元的尾部，在该冷却介质上游和下游之间相邻的所述玻璃管单元的首尾错位设置并通过一管箱首尾连通。该结构能有效增加冷却介质的流动面积，增大单位时间里冷却介质的输入量，提高冷却速度。此外，将玻璃管单元化并将相邻的单元通过管箱连接能有效节省装配时间，提高热交换器的生产效率。再者，均匀分布的玻璃管能使得整台热交换器的换热更为均匀。
当然，所述玻璃管单元中的玻璃管的排列方式可以为矩阵形式或者为发散形式；此外首尾相连的两组玻璃管单元中的玻璃管数量可以相等或不相等，在此不做限制。
而所述管箱与相应的侧壁之间可通过螺栓等便于拆卸的紧固件进行连接。便于对管道和玻璃管进行清洗。
其中，相邻的所述玻璃管之间通过“U”型管道连通。“U”型管道能对玻璃管内的冷却介质起到更好的导向作用，避免在两根玻璃管的交汇处形成湍流。该“U”型管道的材质可以为橡胶、金属或者玻璃。除此之外，本领域技术人员也可采用现有技术中其他的管连接件将玻璃管首尾连通。
其中，所述冷却介质进口和冷却介质出口分别设于两个所述管箱上。
其中，所述玻璃管的两端分别穿设于一紧固件中，所述紧固件穿设于所述侧壁上。
其中，所述紧固件与所述侧壁为间隙配合；所述紧固件与所述侧壁上对应的内表面和/或外表面之间还设有一O型密封圈。紧固件与侧壁为间隙配合，也就是说该紧固件的外径略大于侧壁上对应的安装部位的孔径。一方面有利于玻璃管的装配，更重要的是可以抵消壳体以及壳体上的内衬物由于热膨胀而对紧固件和玻璃管产生的剪切力，避免玻璃管发生破裂。
其中，在所述排放口的上游还设有一用于捕集分离液体颗粒的过滤机构。冷凝处理后的废气中难免存在离液体颗粒，通过过滤机构过滤防止这些离液体颗粒被排放到大气中。
较佳地，所述过滤机构为纤维滤板。
其中，在所述壳体的内壁上还设有一防腐蚀保护层。该结构能对壳体起到防腐蚀的保护作用，提高壳体的使用寿命。
较佳地，在所述防腐蚀保护层为聚四氟乙烯板材。
其中，所述壳体靠近所述出液口的部位沿着排液方向逐渐缩小。有利于集中回收具有黏性的冷凝产物，避免冷凝产物在壳体内发生挂壁现象。
其中，上述换热器的优选条件在符合本领域常识的基础上可任意组合，即得本发明各较佳换热器。
本发明优选的热交换器利用玻璃管替代现有技术中的贵金属或聚四氟乙烯换热管，并形成一单向导流的冷却介质流道，提高了热交换器在高温、强腐蚀环境下的使用寿命。在侧壁之间跨设玻璃管能有效缩短其长度，提高其强度。进一步地，自上而下的单向导流的冷却介质流向能避免冷却介质在流道内发生湍流，继而也提高热交换器的换热效率。
更进一步地，当冷凝后的液态强腐蚀性介质回到壳体底部时会遇上自壳体底部输入的高温气态强腐蚀性介质以及位于壳体底部的换热后的冷却介质，受到它们的高温影响，液态强腐蚀性介质中的水分得以被进一步的蒸发，从而提高冷凝产物的浓度。此外，由于换热效率提高、冷却充分，使得冷却介质排出的温度相较现有技术提高，通过与现有的热能回收装置连接则可对这股热能进行二次利用，更为环保节能。
本发明所用试剂和原料均市售可得。
在符合本领域常识的基础上，本发明中上述的各技术特征的优选条件可以任意组合得到本发明较佳实例。
本发明的积极进步效果在于：本发明的硫化氢制备硫酸的工艺方法H2S脱除效率高，处理含H2S的废气后所排放尾气中H2S浓度低于10ppmV显著优于现行环保标准，若涉及其他污染物包括但不限于SO2、SO3和NO2均优于现行环保标准GB16297-1996的要求；并且工艺流程布局合理、简单且经济效益显著，综合能量利用率高；特别采用的横置高硼硅玻璃换热管使得装置操作简便灵活，设备造价低，节能环保。
附图说明
图1为本发明的实施例1中的热交换器的结构示意图。
图2为图1中的热交换器的右侧结构示意图。
图3为本发明的实施例1中玻璃管单元的另一结构示意图。
图4为本发明的实施例1中玻璃管与壳体侧壁连接的结构示意图。
图5为本发明实施例2工艺方法的流程示意图。
图6为本发明实施例3工艺方法的流程示意图。
图7为本发明实施例4工艺方法的流程示意图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1本发明的热交换器
为叙述方便，以下采用立式热交换器进行说明，下文中所称“左”、“右”与图1本身的左、右方向一致；但这不能成为对本发明的限制。附图中的圆圈和叉分别表示流向相反的两根玻璃管。
如图1所示，与现有技术相同的本实施例中的热交换器包括一竖直放置的长方形的壳体1，该壳体1的顶部具有一排放废气的排放口11，在壳体1的底部具有一个输入硫酸蒸汽的进气口12。在进气口12的下方还具有一个排液口13，用于排出冷凝后的浓硫酸。其中，该壳体1的底部成半圆形结构，排液口13位于圆形结构的最下方。当然，壳体1底部可以为其他沿液体排出方向逐渐缩小的结构，例如倒三角形或者倒梯形。另外，壳体1的顶部位于排放口11的上游设有一作为过滤机构的纤维滤板3，用于过滤冷凝后产生的尾气中的液态小颗粒。
与现有技术不同的是，如图1和图2所示，在壳体1左、右两侧壁之间沿着长轴方向(即图1中竖直方向)设有玻璃管，本实施例中的玻璃管为均匀分布并沿长轴方向被划分成十二组玻璃管单元，每组玻璃管单元中均包含多根沿水平面分布的玻璃管。同一玻璃管单元中的玻璃管的首端位于壳体1的同侧从而形成了该玻璃管单元的首部，同理由这些玻璃管的尾端形成该玻璃管单元的尾部。并且，在冷空气的上游和下游之间相邻的两组玻璃管单元，即沿竖直方向相邻的两组玻璃管单元的首部和尾部错位设置，并通过设于壳体1外壁上的管箱连通。在最上方的一个管箱上设有冷却介质进口51，在位于最下方的一个管箱上设有冷却介质出口52，因此冷空气自左向右进入、自上而下流动。
具体地，在壳体1的左、右两侧上、下错位地设置若干管箱。自上而下第一组玻璃管单元61的首部位于左侧上方的第一管箱53内，尾部位于右侧上方的第二管箱54内；自上而下第二组玻璃管单元62的首部位于第二管箱54内，尾部位于第一管箱53下方的第三管箱55内；自上而下第三组玻璃管单元63的首部位于第三管箱55内，尾端位于第二管箱54下方的第四管箱56内，依次类推，从而形成多通道、单向导流的冷却介质流道。
所有的管箱均通过螺栓与壳体连接。另外，位于同侧的管箱可为一体成型，包括一从第一组玻璃管单元61上方延伸到最后一组玻璃管单元的本体，然后由若干的导风板将由该本体和侧壁形成的腔室分割成相互独立的导风腔。相邻的玻璃管单元通过导风腔联通，具体连接方式见上述。
另外，如图3所示，玻璃管单元61’中玻璃管的排布也可为三维空间分布的矩阵形式。从而能在节省空间的基础上起到增加空气流动面积，提高流量和冷却效率的目的。
此外，如图4所示，在壳体1的侧壁内表面上还设有作为防腐保护层的聚四氟乙烯板材14，用于防止壳体1与强腐蚀性介质直接接触，影响其使用寿命。
下面结合图4以玻璃管21为例进一步说明玻璃管与壳体1的连接关系。
玻璃管21端部穿设于一螺栓41中，而螺栓41穿设于壳体1的侧壁上随后用螺母43将其固定在壳体1上。其中，螺栓41与壳体1的侧壁以及侧壁内表面的聚四氟乙烯板材14为间隙配合，从而为聚四氟乙烯板材14留下受热膨胀的空间，避免其受热膨胀后对螺栓41和玻璃管21产生挤压导致玻璃管21破裂。在螺栓41与聚四氟乙烯板材14之间还设有一密封圈42从而将安装玻璃管21的部位有效密封，防止硫酸蒸汽从装配部位泄漏。
需要说明的是，壳体中设置的玻璃管数量可根据实际情况进行增减，例如用于实验室使用的小型热交换器的玻璃管数量较少，而用于大型产业批量生产的热交换器的玻璃管数量则会较多。
本实施例中，该壳体1的长宽高依次为2米，1.5米和8米。十二组玻璃管单元中的玻璃管总数为3250根，且每根的长度为1.6米。
实施例2
含H2S的酸性气气体组成为(摩尔浓度)：H2S 25.1％，COS 0.94％，CO273.36％，CH40.48％，CH3OH 0.12％。
本实施例的工艺流程示意图可参见图5所示。
(1)该原料气与空气在反应器F-1中发生燃烧反应，反应温度约为1050℃，反应后工艺气中氧气残余含量为摩尔百分比3％，经燃烧反应原料酸性气中H2S全部氧化转化为SO2，同时产生大量的H2O；
(2)热工艺气送至换热器E-1冷却，所释放的热量用于生产中高压饱和蒸汽，经冷却的工艺气补加空气以提高工艺气中氧气浓度，同时调整SO2浓度为4％，在温度为410℃，O2浓度高于7％条件下进入多段催化反应器R-1，催化氧化SO2生成SO3，采用段间换热移出工艺气热量，降低温度后再进入下一床层进一步反应，反应级数为4级；催化反应器R-1出口处SO2转化率在99.2％；
(3)然后工艺气在换热器E-2(实施例1的换热器)中进一步冷却至275℃，该温度高于硫酸露点温度15℃的温差，工艺气然后在换热器E-3中进一步降低温度至105℃，以促使SO3及H2SO4蒸汽完全吸收及冷凝，换热器E-3底部出口的浓硫酸降温调质后送出界区；E-3出口的不凝气需经聚结分离器C-1聚结和收集不凝气中的H2SO4气溶胶，然后不凝气送至烟囱放空，其污染物浓度分别为60mg/Nm3NO2和520mg/Nm3SO2，H2S浓度低于10ppmV，该浓度严格满足环保标准。
实施例3
含H2S的酸性气气体组成为(摩尔浓度)：H2S 28.9％，COS 1.2％，CO268.59％，CH41.2％，CH3OH 0.13％，NH31.2％。
本实施例的工艺流程示意图可参见图6所示。
(1)由于酸性气含有NH3，需要提高热反应温度以促使NH3完全反应，防止NH3与SO2形成铵盐沉积，导致催化剂短时失活，同时堵塞管道和催化剂床层，导致系统阻力增大造成系统操作波动；该酸性气在F-1内与30％氧含量的富氧空气发生燃烧反应，该富氧空气通过空气与氧气以7∶1比例混合制备，此条件下F-1内热反应温度1250℃，满足烧氨工艺需要，反应后H2S全部氧化转化为SO2，NH3转化为NO2，同时产生大量的H2O；
(2)热工艺气送至E-1冷却，所释放的热量用于生产中高压饱和蒸汽。经冷却的工艺气补加空气以提高工艺气中氧气浓度，同时调整SO2浓度为4％，同时工艺气需补加50-100ppmV的气氨，在温度为415℃，O2浓度高于7％条件下进入多段催化反应器R-1，促使上述燃烧工段产生NO2转化为N2，然后工艺气催化氧化SO2生成SO3，采用段间换热移出工艺气热量，降低温度后再进入下一床层进一步反应，反应级数为2级；R-1出口处NO2转化率为95％，SO2转化率在99.2％；
(3)然后出口工艺气在E-2(实施例1的换热器)中进一步冷却至280℃，该温度高于硫酸露点温度17℃的温差，工艺气然后在E-3中进一步降低温度至110℃，以促使SO3及H2SO4蒸汽完全吸收及冷凝，E-3底部出口的浓硫酸降温调质后送出界区；E-3出口的不凝气经C-1聚结和收集不凝气中的H2SO4气溶胶，然后不凝气送至烟囱放空，其污染物浓度(NO2，SO2，SO3)严格满足环保标准，H2S浓度低于10ppmV。
实施例4
含H2S的酸性气气体组成为(摩尔浓度)：H2S 5.2％，COS 0.8％，CO292.6％，CH41.2％，CH3OH 0.2％。
本实施例的工艺流程示意图可参见图7所示。
(1)该酸性气的特点是H2S浓度低，在催化剂作用下与空气在F-1中发生催化氧化反应，反应起始温度为210℃，反应结束温度为445℃，为防止H2S剧烈氧化放热导致催化剂床层飞温，采用2级反应，段间冷介质换热降低工艺气温度，反应后工艺气中氧气残余含量为2％，经催化反应原料酸性气中H2S全部氧化转化为SO2，同时产生大量的H2O；
(2)经冷却的工艺气补加空气以提高工艺气中氧气浓度，同时调整SO2浓度为4％，经补加冷空气后温度降至420℃，O2浓度提高于5％进入多段催化反应器R-1，催化氧化SO2生成SO3，采用段间换热移出工艺气热量，降低温度后再进入下一床层进一步反应，反应级数为3级；R-1出口处SO2转化率在98.7％；
(3)然后出口工艺气在E-2(实施例1的换热器)中进一步冷却至260℃，该温度高于H2SO4露点温度15℃的温差，工艺气然后在E-3中进一步降低温度至120℃，以促使SO3及H2SO4蒸汽完全吸收及冷凝，E-3底部出口的浓硫酸降温调质后送出界区；E-3出口的不凝气需经C-1聚结和收集不凝气中的H2SO4气溶胶，然后不凝气送至烟囱放空，其污染物浓度分别为30mg/Nm3NO2和520mg/Nm3SO2，该浓度严格满足环保标准，H2S浓度低于10ppmV。

Claims (10)

1.一种硫化氢制备硫酸的工艺方法，其特征在于：其包括如下步骤：
(1)将含H2S原料气与富氧空气中的氧气进行氧化还原反应制备SO2，控制该氧化还原反应步骤后的氧气残余量摩尔百分比≥2％，其中，当含H2S原料气中的H2S摩尔百分比为≥8％时，氧化还原反应为燃烧反应，反应温度≥900℃；当含H2S原料气中的H2S摩尔百分比为＜8％时，氧化还原反应为催化反应，反应起燃温度≥200℃；
(2)将步骤(1)所得产物冷却至390℃～430℃，然后与氧气进行催化氧化反应，该催化氧化反应分级进行至其中SO2的转化率≥98.7％或者SO2出口浓度≤550mg/Nm3；
(3)将步骤(2)所得产物冷却至温度为≥H2SO4露点温度以上10℃，然后再进一步冷却至60℃～120℃，并收集H2SO4产品，冷却后得到的气体经过聚结分离，即可直接排空。
2.如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：所述的含H2S原料气H2S的含量为摩尔百分比1％～90％，较佳的为5.2％～28.9％；所述的氧化还原反应为燃烧反应时，反应温度为1050℃；当含H2S原料气中含有NH3，NH3含量为摩尔百分比≤15％，较佳的为1.2％，H2S摩尔百分比为≥8％时，燃烧反应的反应温度为≥1250℃；所述的富氧空气为氧气浓度在摩尔百分比20.8％～100％之间的空气。
3.如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：所述的步骤(1)氧化还原反应步骤后的氧气残余量为摩尔百分比2％～10％，较佳的为2％～6％，更佳的为2％～3％。
4.如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：所述的将步骤(1)所得产物冷却的温度为410℃～420℃；所述的步骤(2)的催化氧化反应中的氧气的含量为摩尔百分比≥5％，更佳的为5％～7％，SO2的含量为摩尔百分比≤4％；所述的步骤(2)的催化氧化反应分级进行的级数为2～5级，较佳的为3～4级；所述的催化氧化反应分级进行至其中SO2的转化率≥99％。
5.如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：所述的步骤(2)的催化氧化反应，当含H2S原料气中含有NH3时，所述的催化氧化反应加入50-100ppmV的气氨。
6.如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：所述的步骤(2)的冷却步骤为换热器进行冷却或直接添加空气，当使用换热器降温还使用工艺气或中低压饱和蒸汽作为冷却介质。
7.如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：所述的步骤(3)的将步骤(2)所得产物冷却温度为H2SO4露点温度以上10℃～30℃，较佳的为H2SO4露点温度以上15℃～17℃；所述的再进一步冷却的温度为105℃～120℃。
8.如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：所述的步骤(3)的将步骤(2)所得产物冷却至温度为≥H2SO4露点温度以上10℃用换热器进行冷却，使用工艺气或中低压饱和蒸汽作为冷却介质。
9.如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：所述的步骤(3)的进一步冷却至60℃～110℃使用的设备为热交换器，该热交换器包括一壳体，所述壳体的顶部设有一尾气的排放口，所述壳体的底部设有一出液口，在所述壳体内沿所述壳体的长轴方向、在两侧壁之间跨设有若干用于流通冷却介质的玻璃管，所述玻璃管位于该冷却介质上游的一端为首端，位于该冷却介质下游的一端为尾端，在该冷却介质的上游和下游之间相邻的所述玻璃管首尾相连通从而形成至少一条单向导流的冷却介质流道。
10.如权利要求9所述的工艺方法，其特征在于：所述冷却介质流道设有一冷却介质进口和一冷却介质出口，所述冷却介质进口靠近所述顶部，所述冷却介质出口靠近所述底部；
所述玻璃管的延伸方向与所述长轴方向垂直，并且所述玻璃管的首、尾均延伸至所对应的侧壁的外部；
所述玻璃管为均匀分布并沿所述长轴方向被分成若干玻璃管单元；每个所述玻璃管单元中的所述玻璃管的首端位于同侧，并形成所述玻璃管单元的首部，所述玻璃管的尾端所在的一侧形成所述玻璃管单元的尾部，在该冷却介质上游和下游之间相邻的所述玻璃管单元的首尾错位设置并通过一管箱首尾连通。
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