CN1076215C - 硫酸装置两次转化的互补换热流程 - Google Patents

Abstract

本发明的硫酸装置两次转化的互补换热流程，是用第一次转化的最后一段出口气体的部分热量和第二次转化的最后一段出口气体的部分热量加热从干燥塔出来的进转化器第一次转化的冷气体、同时用第一次转化的最后一段出口气体的另一部分热量和第二次转化的最后一段出口气体的另一部分热量加热从第一吸收塔出来的进转化器第二次转化的冷气体，利用四个换热器或三个换热器来实现互补换热，解决了转化器各段进口温度及各段分转化率的选取与进吸收塔气体温度之间的矛盾，可提高总转化率及吸收率，减少换热面积、增加余热回收。并公开了互补换热流程所特有的平行交叉式设备布置方式。

Description

硫酸装置两次转化的互补换热流程

硫酸装置两次转化的互补换热流程，属硫酸工业技术领域，具体涉及以硫铁矿、冶炼烟气、石膏窑气等为原料制造硫酸的两次转化工艺的一系列互补换热流程，本发明还涉及互补换热流程所特有的平行交叉式设备布置方式。

硫酸装置两次转化两次吸收工艺的运用，较大地提高了二氧化硫的总转化率。在硫铁矿制酸、冶炼烟气制酸、石膏窑气制酸等为原料制酸过程中，原料气体须经湿式净化、干燥塔干燥、经二氧化硫鼓风机加压后进入转化系统的。二氧化硫转化成三氧化硫是放热反应，提高温度对热力学平衡不利，但就反应动力学而言，二氧化硫转化成三氧化硫须在催化剂条件下，而催化剂又须在一定的起燃温度以上才具有活性，在过高的温度下又会很快失去活性，因此须采用多段转化的方式来实现。

二氧化硫鼓风机后的冷气体须经加热到特定的温度后进入转化器第一段催化剂床层开始进行第一次转化。第一次转化有用2段、3段及4段催化剂床层的。出第一次转化的气体亦须冷却到合适的温度才能进入第一吸收塔吸收掉其中的三氧化硫，经第一吸收塔吸收后的冷气体又须经加热到特定的温度后才能进入转化器进行第二次转化，第二次转化有用1段、2段甚至3段催化剂床层。第一次转化和第二次转化各所须用的催化剂床层段数的组合有多种方式：常用的有“2＋1”三段转化、“3＋1”、“2＋2”四段转化、“3＋2”、“4＋1”甚至“2＋3”五段转化。

由于用于加热第一次及第二次进转化系统的气体所采用加热源的方式不同，各转化方式又有多种换热流程。如“3＋1”四段转化的IIII－IVII换热流程和IVI－IIIII换热流程(其中I、II、III、IV分别代表转化器第一段、第二段、第三段及第四段出口的气体换热器)，每个换热流程用6台换热器，其中III换和IV换各为两台串联。目前所用的换热流程都是用各段热量整体参与换热的。如IIII－IVII换热流程是用第三段和第一段的热量加热第一次转化气、用第四段和第二段的热量加热第二次转化气。

要实现较高的总转化率和较好的吸收率，需要维持各段较佳的进口温度和各段分转化率以及适宜的进吸收塔气体温度。然而，由于制酸原料的种类及组成不同，进转化器的二氧化硫浓度及氧硫比均有较宽的范围，且由于每段出口热量都是整体参与换热，使得各种换热流程都存在着某些温度值的不合理性，这是因为各段进口温度与进吸收塔气温的选取存在着制约关系。就各段进口温度的可调节性而言，随着转化率的增加，转化器进口温度的可调节性减小，但转化器第一段进口温度受催化剂起燃温度的限制，因此只能用第二段进口温度这个参数来调节第一段出口换热器与第二段出口换热器间的热量比例，从而达到调节进两次吸收的气体温度。但第二段进口温度的调节范围是很小的，很难调节到各温度参数都均合适，且该调节往往是靠牺牲总转化率来实现的。

本发明的目的就是为解决转化器各段进口温度及各段分转化率的选取与进吸收塔气体温度之间的矛盾，实现转化器各段进口温度及各段分转化率的选取与进吸收塔的气体温度选取无关，从而使转化系统各温度参数均可达到最佳状态而设计的具有很好经济效益的硫酸装置两次转化的互补换热流程。

本发明的主要技术方案是利用第一次转化的最后一段出口气体的部分热量和第二次转化的最后一段出口气体的部分热量加热从干燥塔出来的进转化器第一次转化的冷气体、同时用第一次转化的最后一段出口气体的另一部分热量和第二次转化的最后一段出口气体的另一部分热量加热从第一吸收塔出来的进转化器第二次转化的冷气体，利用四个换热器来互补换热的所有互补换热流程。

利用本互补换热流程的原理，对不同的转化方式能够组成一系列互补换热流程，总数量达近百种。具体对“3＋1”四段转化是IV换与III换交叉互补，有IVIIII－IIIIVII、IIIIVI－IVIIIII、IVIIIII－IIIVI、IIIIVII－IVIIII等四种以上互补换热流程。“3＋2”五段转化是V换与III换交叉互补，不包括IV换在内，有VIIII－IIIVII、IIIVI－VIIIII、VIIIII－IIIVI、IIIVII－VIIII等四种流程，加上IV换或冷激则可组成十六种互补换热流程。

互补换热流程中的互补换热部分是利用四个换热器来完成的。通过这四个换热器分担换热量的比例来进行浓度、温度、转化率等工艺参数的调节性能的优化。在特定的调节性能下，互补换热部分的四个换热器中的一个可以是零换热器，即也可以用三个换热器来实现互补换热的目的。此时第一次转化的最后一段出口气体换热器和第二次转化的最后一段出口气体换热器有一个仅为一台换热器参与加热进转化器的冷气体。

互补换热流程的转化器及换热器设备布置最佳方式是：第一次转化的最后一段出口气体换热器和第二次转化的最后一段出口气体换热器并排布置，第一次转化的最后一段出口热气体和第二次转化的最后一段出口热气体平行通过该四台(或三台)换热器，而由二氧化硫鼓风机及第一吸收塔来的冷气体则交叉通过这四台(或三台)换热器，即所谓的平行交叉式设备布置方式。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。附图1为IIIIVI－IVIIIII互补换热流程为例的两转两吸工艺流程图。附图2为IIIIVI－IVIIIII互补换热流程的转化器及换热器设备布置图。

附图中：1、2－第IIIa、IIIb换热器(转化器第三段出口换热器：即第一次转化最后一段出口气体换热器)，3－第II换热器(转化器第二段出口换热器)，4－转化器，5－第I换热器(转化器第一段出口换热器)，6、7－第IVb、IVa换热器(转化器第四段出口换热器：即第二次转化最后一段出口气体换热器)。

附图1中来自二氧化硫鼓风机的低温含二氧化硫气体，首先经1由第一次转化最后一段出口气体加热再经6由第二次转化最后一段出口气体加热后，进入5与转化器第一段出口气体换热升温至转化器第一段进口温度后进入4的第一段进行第一次转化。经第一吸收塔吸收掉第一次转化生成的三氧化硫后的气体，首先经7由第二次转化最后一段出口气体加热再经2由第一次转化最后一段出口气体加热后，进入3与转化器第二段出口气体换热升温至转化器第四段进口温度后进入4的第四段进行第二次转化。

附图2中两台III换和两台IV换并排布置，第三段、第四段出口热气体平行通过该四台换热器，而由二氧化硫鼓风机及第一吸收塔来的冷气体则交叉通过这四台换热器，即所谓的平行交叉式设备布置方式。

实施例1：

某硫铁矿制酸装置，“3＋1”四段转化，IIII－IVII换热流程，设计二氧化硫浓度为8％，转化器第二段进口温度为460℃，进第一吸收塔、第二吸收塔气体温度分别为207℃、177℃。实际运行中，转化器第二段进口温度为470℃，进第一吸收塔气温则高达230℃，严重影响三氧化硫在第一吸收塔中的吸收率及成酸率，总转化率仅在99.2％左右。而采用互补换热流程，仍为“3＋1”四段转化，则可使进第一吸收塔、第二吸收塔气体温度均为190℃左右，并减少约5％的换热面积。将转化器第二段进口温度控制在440-450℃之间，可使总转化率提高到99.6％以上，排放尾气中的二氧化硫量则减少一半。

对该年产10万吨硫酸的装置规模，采用互补换热流程，可减少设备投资300万元，年排放二氧化硫量减少240吨，每年可创直接经济效益达50万元，而且有显著的环境效益。

实施例2：

就目前的换热流程而言，普遍认为7％的二氧化硫浓度是适宜两转两吸的浓度下限。某冶炼气制酸装置，当二氧化硫浓度为6.94％时，采用的“3＋1”四段转化，IIII－IVII换热流程，即使转化器第二段进口温度达480℃时，仍是使第二吸收塔进口温度偏低，而此时第一吸收塔进口温度又偏高。采用互补换热流程，则可使两个吸收塔进口气温均衡合理，且减少换热面积达36％。另外由于互补换热流程中转化器进口温度的选取与吸收塔进口气温无关，可大大降低第二段进口温度，提高了总转化率，减少了二氧化硫排放量。

互补换热流程可同时利用增大干燥酸浓度而提高干燥循环酸温度和提高第一吸收塔循环酸温度使气体带入转化系统的热量增加。当二氧化硫气体浓度低至5.5％时，采用互补换热流程，两个吸收塔进口温度仍可达到150－160℃，而此浓度下的传统换热流程早已不能实现两次转化两次吸收了。

实施例3：

由于硫铁矿的精选、冶炼工艺的改进，使得进转化器的二氧化硫提高了很多，达到了9.5～10％，有时甚至高达11％以上。此浓度下采用传统换热流程，进两吸收塔进口气温都在200℃以上，直接进吸收塔因温度太高而影响吸收，但各设一台省煤器又显得不合算。因而常常是增加补充空气量稀释降浓来降低进吸收塔气温。

而采用互补换热流程，可将转化系统的余热集中于一处而回收利用，在气体进第二吸收塔前加一个省煤器回收该转化系统的余热。当二氧化硫浓度为9.5％时，采用“3＋2”五段转化、VIIIIVI－IIIVII互补换热流程加一个省煤器回收余热，可使蒸汽产量增加8～12％，吸收循环冷却水消耗减少20～25％，每吨酸的生产成本降低10元左右，对年产10万吨硫酸装置，仅此项使每年增加效益达100万元。另外，互补换热流程的各工艺参数均处于最佳，可提高总转化率，减少二氧化硫排放量增加产酸量，不仅产生了经济效益，而且带来非常显著的环境效益。

总之，采用互补换热流程，使适宜两转两吸的二氧化硫浓度范围增宽，不但具有很好的经济效益，而且具有很好的环境效益。具体如下：

·在传统流程适宜的进转化器的二氧化硫浓度下，可使进第一吸收塔、第二吸收塔气温优化，从而避免一高一低而影响吸收，且可节省换热面积、增加三氧化硫吸收率。

·由于可同时利用二氧化硫风机的压缩热和提高第一吸收塔循环酸温带入的热，对低浓度二氧化硫气体，可使能够实现两转两吸的二氧化硫浓度从7％降低到5.5％以下。

·对于高浓度二氧化硫气体，互补换热流程又可以提高适宜于两转两吸的二氧化硫气体浓度，既可使转化系统的余热集中于一处便于回收利用(在第二吸收塔之前设省煤器，也可在第一吸收塔之前设省煤器)，又可使进吸收塔气体温度处于最佳值，且是增加了蒸汽产量、减少了循环冷却水用量。

·对于含一氧化碳的冶炼烟气、石膏窑气等制酸原料，转化器第一段转化率相对较低，更要求有较低的第二段进口温度，互补换热流程的优越性更强。

·互补换热流程具有更好的调节性能，对温度、转化率等的变化均可由实现互补换热的四个换热器共同承担。

·对应于各种不同的工艺要求，互补换热流程可以实现更多形式的转化方式。

·对一转一吸制酸工艺改造成两转两吸，原换热器可以得到更充分的利用。

Claims (3)

1.硫酸装置两次转化的互补换热流程，其特征是用第一次转化的最后一段出口气体的部分热量和第二次转化的最后一段出口气体的部分热量加热从干燥塔出来的进转化器第一次转化的冷气体、同时用第一次转化的最后一段出口气体的另一部分热量和第二次转化的最后一段出口气体的另一部分热量加热从第一吸收塔出来的进转化器第二次转化的冷气体，利用四个换热器来互补换热的所有互补换热流程。

2.根据权利要求1所述的互补换热流程，其特征在于互补换热部分的四个换热器中有一个是零换热器，即是用三个换热器来实现互补换热的所有互补换热流程。

3.根据权利要求1或2所述的互补换热流程，其特征在于互补换热流程的转化器及换热器布置为平行交叉式设备布置方式，即第一次转化的最后一段出口气体换热器和第二次转化的最后一段出口气体换热器并排布置，第一次转化的最后一段出口热气体和第二次转化的最后一段出口热气体平行通过该换热器，而由二氧化硫鼓风机及第一吸收塔来的冷气体则交叉通过这该换热器。