硫磺法硫酸生产工艺设计

目 录

1. 硫酸生产工艺简介 . ............................................ 4

1.1硫铁矿制硫酸 ............................................ 4 1.2硫磺制酸 ................................................ 4 1.3冶炼烟气制酸 ............................................ 4 1.4硫酸盐制酸 .............................................. 4 2. 产品级原料物化数据 . .......................................... 5

2.1 二氧化硫（SO 2） ......................................... 5 2.2 三氧化硫（SO 3） ......................................... 5 2.3 硫酸（H 2SO 4） ............................................ 6 3. 工艺设计部分 . ................................................ 9

3.1原料熔硫工段 ........................................... 10 3.2 焚硫工段 ............................................... 12 3.3 余热锅炉系统 ........................................... 14 3.4 转化工段 ............................................... 17 3.5 干吸工段 ............................................... 19 3.6 成品工段 ............................................... 21 3.7 污水处理系统 ........................................... 22 4. 物料及热量衡算 . ............................................. 25

4.1 设计要求 ............................................... 25 4.2 硫磺焚烧的物料衡算 ..................................... 25 4.3 转化器物料衡算 ......................................... 26 4.4 转化器热量衡算 ......................................... 27 5. 主要设备的工艺计算和设备选型 . ................................ 28

5.1主要设备转化器的设计 ................................... 28

5.2催化剂的装填量 ......................................... 28 5.3各段触媒需用量V K 、触媒层厚度H . ......................... 30 6. 设计总结及致谢 .............................................. 32 参考文件 . ...................................................... 33 附件 . .......................................................... 34

硫磺法硫酸生产工艺设计

摘要：以硫磺为原料生产硫酸不需要净化，大大简化了工艺过程，节省投资费用，且产品质量高。设计了以硫磺为生产原料生产硫酸（300kt/a）的工艺流程，描述了硫酸一些性质级制酸过程的反应原理，对焚硫、转化、吸收三个工段以及整个工艺流程做了阐述。重点分析了焚硫和转化工段的各个工艺指标，工艺条件。对焚硫工段的焚硫炉、转化工段的转化器和换热器三个设备做了宏观的设备选型，并且对焚硫炉和转化器做了物料衡算。为了使设计更加合理与完善，在设计中还解决了废水的处理问题。

1. 硫酸生产工艺简介 1.1硫铁矿制硫酸

以硫铁矿为原料生产硫酸，共有九种流程，他们的共同特点是均采用沸腾焙烧，干法除尘，酸洗净化，两转两吸，回收高低温位余热技术方案。设计采用的流程为：焙烧炉→ 废热锅炉→ 旋风除尘器→电除尘器→Swemco 洗涤塔→电除雾器→干燥塔→主鼓风机 (2+2两转两吸。该流程首先对硫铁矿进行预处理，对于块状硫铁矿则要粉碎加工成粉矿，对于硫精砂则要进行干燥。若矿的品种较多，入炉前还要按杂质含量要求进行掺配。其主要工序有：硫铁矿焙烧、炉气净化、二氧化硫转化及三氧化硫吸收。

1.2硫磺制酸

根据硫磺原料的品质来确定制酸工艺流程，若硫磺中含有砷，硒等杂质并危及触媒中毒时，则必须设置转化工序。对于一般纯净的硫磺仅需要三个工序(焚硫、转化与吸收) 即可完成制酸全过程。

1.3冶炼烟气制酸

冶炼烟气即含硫的有色金属在冶炼中产生的废气，其中SO 3 3%～13%，用此气制成硫酸，称冶炼烟气制酸。流程也有多种形式，主要差别表现在净化工序上，比如常见的水洗流程、稀酸洗流程，热浓硫酸洗流程及干法净化流程等。

1.4硫酸盐制酸

有代表性的硫酸盐是硫酸钙(石膏或磷石膏) 制酸。其主要原料为石膏(磷石膏) 、焦碳、一定比例将不同原料加入球磨机中，将细磨的混合物料转入粘土、砂、硫铁矿渣等。这些原料分别经颚式破碎机破碎、双辊破碎机(或反击式破碎机) 细破，干燥脱水后转入各自原料储斗中。按回转窑内与高温

燃煤烟气逆向接触，经预热，在900～1200℃下，按下式反应进行还原分解，生成二氧化硫、二氧化碳与氧化钙。

2CaSO 4+C=2CaO+2SO2+CO2

进一步在1200～1450℃高温下煅烧，进行矿化反应生成水泥熟料。产生的二氧化硫烟气可达7%～9%，从窑头排出并转入制酸系统。制酸流程与硫铁矿制酸过程基本相同，仅是窑气中氧含量较低，转化时需加入适量空气。6

2. 产品级原料物化数据 2.1 二氧化硫（SO 2）

SO 2由焚硫工段焚硫炉燃烧产生，其主要理化性质如下： 分子量：64.06 熔 点：-12.7℃ 蒸汽密度：2.92

比重：1.43（液体） 沸点：-10℃

蒸汽压力：337.5×103Pa （21℃时）

易溶解于水，溶解于有机溶剂与硫酸，无色且不燃烧气体，有刺激性酸味；容易与水化合，生成亚硫酸（H 2SO 3），并且因氧化而慢慢转化成硫酸（H 2SO 4）7

2.2 三氧化硫（SO 3）

SO 3在硫酸生产过程中来源于两个工段：一是焚硫工段焚硫炉内，二是转化工段转化器内。

其主要理化性质：

分子量：80.06 比重： 固体晶形

α

固体1.97

β

液体1.92

γ

熔点： 62.3℃ 32.5℃ 16.8℃ 沸点： 44.8℃ 升华（Subl ） 44.8℃

蒸汽密度： 2.76 2.76 2.76 蒸汽压力：13.3×103Pa 10.5℃ 14.3℃ 62.1℃ 溶解于二硫化碳和硫酸，气体三氧化硫以单体形式存在时，无味并且比空气重。只有刚配制的无色液体是单独存在的，与水接触则固体聚合物形成。固体三氧化硫以三种不同形式存在，稳定的α-形（棱柱晶体），由液体凝固而成；β-形（白色类似石棉的纤维），以及γ-型（玻璃状）后两者都是亚稳定的。

2.3 硫酸（H 2SO 4）

硫酸在生产中来源于干吸工段，转化工段反应生成的SO 3进入吸收工序中间吸收塔、最终吸收塔，由浓硫酸吸收加水配制成96%～98%的成品酸。

2.3.1 硫酸的化学组成

分子式：H 2SO 4 分子量：98.08 分子结构：

O

2.3.2 硫酸的物理性质

可以任何比例溶解于水，伴随大量的热产生。纯净的硫酸是清澈、无色透明的油状液体，但不纯时为棕色或灰白色液体，无气味但有明显的酸味。

⑴ 硫酸的密度

随着浓度和温度的变化而不同。当酸浓小于98.3%时硫酸的水溶液的密度随着硫酸浓度的增加而增大，于98.3%时达到最大值，当酸浓在98.3%至100%时随着酸浓增大而下降。发烟硫酸随着其中游离的SO 3含量增加而增大，游离SO 3 62%时为最大值，过后则逐渐减小。

100 游离

结晶温度℃

SO 3%

图中点

固 相 组 成

10.37

I

24224H 2SO 4（熔化点）

15.61 44.79 62.0 100

-10.15 35.15 1.2 16.8

J K L M

低共熔物，H 2SO 4+H2S 2O 7 H 2S 2O 7（熔化点）

低共熔物，H 2S 2O 7+H2SO 4·2SO 3；H 2SO 4·2SO 3（熔化点） SO 3（熔化点）

掌握了硫酸结晶温度具有下述意义：

A. 为硫酸贮存输送提供了防止发生冻酸的温度控制依据。 B. 为了确定产品浓度范围提供了依据。

C. 对处于不正常情况下发生的酸冻结原因分析提供了理论依据。

2.3.3 硫酸的化学性质

硫酸是最重要的无机强酸之一，浓硫酸具有强酸性、强氧化性、强的吸水性、强的磺化性等。当加热到30℃以上放出蒸气，加热到200℃以上，散发出三氧化硫。

⒈ 硫酸是一种强酸，具有酸的特性，它的化学性质非常活泼，根据硫酸的浓度和温度及金属的种类不同，而生成H 2、H 2S 、SO 2、S 及金属的硫化物和硫酸盐。

a 、稀硫酸能与金属直接反应，放出氢气，所以它对金属具有强烈的腐蚀性。

Fe + H2SO 4 = FeSO4 + 3H2↑

b 、与金属氧化物作用，生成硫酸盐。

Fe 2O 3 + 3H2SO 4 = Fe2（SO 4）3+ 3H2O

⒉ 浓硫酸具有强的氧化性。

Cu + 2H2SO 4（浓）= CuSO4 + SO2↑ + 2H2O

⒊ 浓硫酸具有强的吸水性。

浓硫酸对水有大力亲和力，吸收大气水分，从有机物中提取水份导致碳化。

利用其这一性质可用来作干燥剂，如硫酸生产中用其干燥湿的SO 2炉气。浓硫酸不仅能够吸收游离水份，而且可以把碳水化合物中的氢和氧按2:1的比例以水的形式脱下，这是硫酸伤人的主要途径。

⒋ 浓硫酸具有强的磺化性。

C 6H 6 + H2SO 4（浓）= C6H 5SO 3H + H2O

2.3.4 工业硫酸质量标准

本硫磺制酸装置硫酸产品质量，应符合国家标准GB534-2002规定

特种工业

项 目

硫酸

浓度 % ≥

游离SO 3 % 灰分 % ≤ 铁（Fe ）% ≤ 砷（As ）% ≤ 铅（Pb ）% ≤ 汞（Hg ）% ≤ 氮氧化物 （以N 计）% ≤ 氯（CL ）% ≤ 透明度mm ≥ 色度ml ≤ 二氧化硫% ≤

92.5 或98 0.02 0.005 0.00008 0.001 0.0005 0.0001 0.001 160 1.0 0.01

优等品 92.5 /98 0.02 0.010 0.0001 0.01 0.001 50 2.0

一等品 92.5 /98 0.03 0.010 0.005 50 2.0

合格品 92.5 /98 0.10

优等品 20.0 0.03 0.010 0.0001 0.01 0.001

一等品 20.0 0.03 0.010 0.0001

合格品 0.10 0.010

浓 硫 酸

发 烟 硫 酸

3. 工艺设计部分

主要工艺技术以固体硫磺为原料，采用湿式搅拌快速熔硫、液硫石灰

中和、叶片式机械过滤机过滤精制液硫、机械雾化焚烧、III 、II —IV 、I3+1两次转化两次吸收，接触法制造硫酸。中压余热锅炉回收高、中温热能，副产过热蒸汽供动力车间。

3.1原料熔硫工段

3.1.1 岗位职责 3.1.1.1 岗位任务

1. 按规定指标进行操作，制备合格液体硫磺；维护好本岗位设备。及时清除熔硫槽悬浮物和大颗粒不熔固体杂质。

2. 保证固体硫磺、石灰下料均匀、稳定。根据固体硫磺的酸度分析，计算石灰粉的加入量，调节螺旋输送机出口开启度定量加入石灰中和硫磺中的酸度。

3. 设备管道不堵、不漏。勤检查；固体硫磺、石灰进料稳定，蒸汽流量稳定；液位变化及时调节；跑冒滴漏及时处理；设备管道堵塞及时疏通；滤渣及时除卸。 3.1.1.2 所管范围

硫磺库硫磺料斗、石灰料斗、螺旋给料机、胶带输送机、熔硫槽、预涂槽、预涂泵、过滤机、一级液硫输送槽、一级液硫输送泵、精硫槽、凝结水回收器、熔硫蒸汽和保温蒸汽的减温减压系统，以及所属仪表电气设备。

3.1.2工艺流程

市场固体硫磺中杂质组分主要为游离酸、烃类、灰分。为保证硫酸装置长周期、稳定生产减少投资、减少维护，改善熔硫工序操作环境，本装置采用石灰中和酸度，湿式搅拌快速熔硫，硅藻土助滤，叶式过滤机精制液硫，过滤后的液硫灰份含量小于0.003%，PH ≈7。解决了进焚硫炉焚烧液硫中的酸度和固体杂质问题, 取消了焚硫工段庞大的气体过滤器。

硫磺中的沥青是不能沉降和完全过滤掉的杂质，在燃烧过程中，沥青会生成灰渣和烟气，灰渣会沉降在钒触媒表面，引起压降升高，烟气会使烟囱中排放的废气酸度升高，产生可见的烟雾，并且可能在转化工序温度低的设备产生严重的发烟硫酸冷凝腐蚀。通过液硫过滤，可除去30%左右的沥青，减少上述危害。

新型湿式搅拌快速熔硫槽液硫界面采用内防腐结构，避免了游离酸对设备槽体和加热盘管的腐蚀。同时，设备高于地坪布置，便于设备维修时残余液硫的排放，降低劳动强度，减少维修时间；硫磺熔融过程中产生的蒸汽集中排气筒排放，考虑了预防硫蒸汽堵塞的措施，同时在槽内设置了蒸汽灭火措施。

在熔硫槽液硫出口设置液硫过滤网，除去编织袋碎片、封口绳等轻质杂物，避免它们缠绕到预涂槽泵轴上造成泵的损坏。

精硫槽为保温的立式圆形容器，配有盘管式加热器，在槽的四周有空气入口，中心有放空口，且带有蒸汽伴热，以防硫冷凝堵塞，四周入口和中心出口的高度差保证了气体的流动，防止硫化氢气体在罐中累积导致爆炸。槽内设有蒸汽灭火装置。

散装硫磺直接由装载机上料或袋装硫磺经人工拆包倒入硫磺料斗经胶带输送机L1101/ L1103并加入石灰送到熔硫槽V1103/ V1104。

硫磺经皮带输送机送入熔硫槽，在熔硫槽中固体硫磺在搅拌器作用下用0.6-0.8MPa （表）左右的饱和蒸汽熔为液硫。液硫由熔硫槽自流入预涂槽V1105，预涂槽处于搅拌和保温状态。由预涂槽中预涂泵P1101A/B将液硫送入过滤机M1102A/B/C，过滤后所得合格液硫进入一级液硫输送槽V1106，再经一级液硫输送泵P1102送入精硫槽V1107备用。精硫槽的液硫经精硫泵槽V1108A/B，由精硫输送泵P1103A/B(P1103C/D)送入焚硫工段的焚硫炉F1201/F2201。

过滤机所滤的滤饼由汽车运出。

3.1.3 生产过程中的化学反应和工艺指标 3.1.3.1 生产过程中的化学反应

H 2SO 4 + CaO→CaSO 4↓+ H2O …………………………………式3-1 H 2SO 3 + CaO→CaSO 3↓+ H2O …………………………………式3-2 2HCL + CaO→CaCL 2↓+ H2……………………………………式3-3 3.1.3.2 操作工艺指标

操作压力

序号 1 2 3 4 5

设备名称

（MPa 表）

熔硫槽 其中：蒸汽 预涂槽 其中：蒸汽 过滤机 内筒 外筒 一级液硫输送槽 其中：蒸汽 精硫槽 其中：蒸汽

常压 0.7～0.8 常压 0.4 0.4 0.4 常压 0.4 常压 0.4

（℃） 135-150 179 135-145 151 145 151 135-145 151 135-145 151

液硫 液硫 液硫 蒸汽 液硫 液硫

PH7-8 PH7-8 ≤30ppm

PH6-7 PH6-7

操作温度

介质

备注

3.2 焚硫工段

3.2.1岗位职责 3.2.1.1 岗位任务

1. 按规定指标进行操作，制备合格SO 2炉气，维护好本岗位设备。 2. 保证设备、管道不堵、不漏，做到有堵必通，有漏必补。

3. 勤检查, 保证液体硫磺进料稳定、SO 2炉气浓度稳定。精硫泵槽液位变化及时调节，跑冒滴漏及时处理，管道堵塞及时疏通。 3.2.1.2 所管范围

精硫泵槽、精硫泵、焚硫炉、升温风机、油槽、油泵以及所属电气、仪表、设备管线等。 3.2.2 工艺流程

精硫泵加压后的液硫，经二根液硫喷枪M1202A/B（M2202A/B）喷入焚硫炉，在焚硫炉F1201/ F2201中雾化的液硫与来自主鼓风机C1301/ C2301的干燥空气进行反应，氧化为二氧化硫，放出大量热量，控制焚硫炉出口炉气SO 2浓度10.5%，温度在1000℃左右进入余热锅炉F1202/ F2202，回收热量后，炉气经三通阀调节气体温度后在425℃左右去转化工段。由主鼓风机联锁精硫泵的自动停机，由焚硫炉出口温度调节精硫泵的液硫量。

来自精硫贮槽的液硫进入精硫泵槽，经精硫泵加压由磺枪喷入焚硫炉与来自主风机的干燥空气混合燃烧生成SO 2炉气，高温SO 2炉气经余热锅炉回收热能副产蒸汽后降温进入转化工段。

采用液硫机械雾化，火管式中压余热锅炉回收焚硫高位热能，结合转化工段余热回收，副产过热蒸汽供动力车间发电，取消传统气体过滤器。

焚硫炉装有二个高压雾化喷嘴，可根据生产负荷选择投用一个或两个，从而保证在较宽的工况下有很好的雾化效果。

采用火管式余热锅炉，无炉墙的砌筑工作，使筑炉和维修工作减少，气流通过锅炉的结构安排得很简单，气体通过换热管的流速较高，形成气体滞留区的可能性很小，可避免硫酸冷凝，从而减少腐蚀。如果传热面有污垢，很容易清理。生产装置的负荷变化以后，产生的水循环问题较少。

无炉气过滤器，降低系统阻力，延长运行时间，减少投资。

采用独有的三通调温阀：将锅炉出口360～380度左右炉气经管道返回焚硫炉出口到锅炉进口管道上顶部座板阀，调温后再进入转化器一段，解

决了炉气调温问题，该阀主体（阀杆和密封）通过的气温在435℃左右，因而材质要求降低，使用寿命增长，且价格低廉。 3.2.3 生产过程中的化学反应和工艺指标 3.2.3.1 生产过程中的化学反应

S + O2 →SO 2 +Q…………………………………………式4-1 3.2.3.2 操作工艺指标

操作压力

序号 1 2 3 4 5 6

设备名称

（MPa 表）

精硫泵槽 其中：蒸汽 精硫泵 其中：蒸汽 焚硫炉 油槽 油泵 升温风机

常压 0.4 0.8 0.4 0.035 常压 2.5 0.004

（℃） 135-145 151 135-145 151 950-1050 常温 常温 常温

液硫 液硫 SO 2：10±0.5%

柴油 柴油 空气

PH 6-7 PH 6-7

操作温度

组分含量

备注

3.3 余热锅炉系统

3.3.1 岗位职责 3.3.1.1 岗位任务

1. 管好余热锅炉区域所有电气、仪表和机械设备，并保证区域环境卫生。

2. 管好用好加药泵、保证炉水指标满足锅炉安全运行的技术要求和过热蒸满足汽轮机发电的技术要求。

3. 严格按照各项工艺指标操作，确保余热锅炉安全经济运行。 3.3.1.2管辖范围

余热锅炉、一段过热器、三段省煤器、四段过热器、四段省煤器、加药装置及所有附属阀门、管线、电气、仪表等。 3.3.2 工艺流程

焚硫炉出口温度为950～1050℃的炉气进入锅炉，经锅炉蒸发管换热降温后，其出口炉气温度在380-420℃，进入转化工序。

动力车间将除氧后的合格脱盐水经给水泵送至硫磺制酸装置转化工段四段省煤器低温区吸热升温，再进入三段省煤器吸热升温，然后进入四段省煤器高温区吸热升温后进入汽包，通过泡包与锅筒连接的下降管，炉水流至锅筒，通过锅炉蒸发管吸收焚硫炉出口炉气热量产生汽水混合物，经汽包与锅筒连接的上升管进入汽包。在汽包进行汽水分离后，排出的饱和蒸汽进入转化工段四段过热器过热后经一级喷水减温器降温进入一段蒸汽过热器低温区，再次过热，经二级喷水减温器降温进入一段蒸汽过热器高温区，制取合格过热蒸汽经管网送动力车间发电。

为保证炉水、饱和蒸汽、过热蒸汽品质符合要求，根据分析结果，一方面用加药泵将合格的磷酸三纳溶液按时按量地注入汽包内，进行炉内水处理；另一方面合理地控制炉水的排污量，以确保余热锅炉安全经济运行。

8

3.3.3 工艺流程框图

3.3.4 操作工艺指标及水质指标 3.3.4.1 水汽控制指标及分析频率

序号

项 目

硬度

1

给水

含氧量 PH 值

磷酸根含量（PO 43-）

PH 值

2

炉水

总碱度 总固体

二氧化硅含量（SiO 2）

3

单位 μmol/L μg/L mg/L mg/L mg/L mg/L ug/Kg

指标 ≤1.5 ≤15 8.5-9.2 5～15 10～12 2～8 ≤1200 ≤25 ≤20

饱和蒸汽 SiO 2

Na+

ug/Kg

≤15

3.3.4.2 操作工艺指标

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

项 目 饱和蒸汽压力 汽包工作压力 过热蒸汽压力 过热蒸汽安全阀起跳压力

过热蒸汽温度 汽包正常水位 锅炉进口炉气压力 锅炉进口炉气温度 锅炉出口炉气温度

给水压力

单位 MPa MPa MPa MPa ℃ mm kPa ℃ ℃ MPa

指标 4.1 4.1 3.82 3.97 450 汽包中心线

35 1030 400 5.6

允许波动范围

±0.1 ±0.1 ±0.2 -15 ±50 ±50 ±20 ±0.2

3.4 转化工段

3.4.1 岗位职责 3.4.1.1 岗位任务

1. 按规定指标进行操作，最大限度提高SO 2总转化率，为吸收岗位提供SO 3，减少SO 2的排量；维护好本工段设备。

2. 保证转化器一段出口炉气不超温，总转化率合乎要求。

3. 勤检查Ⅲ换热器、低温过热器、三段省煤器、四段省煤器的积酸并及时排除；保证转化器各段温度、总转化率稳定，符合操作指标。 3.4.1.2 管辖范围

负责自干燥塔及主鼓风机入口至尾气烟囱，以及预热系统范围内属于气体回路方面的一切设备、管线、阀门、电气、仪表和所使用的工器具及岗位卫生区。

3.4.2 工艺流程

由焚硫工段来的SO 2炉气以适宜温度进入转化器，在钒触媒的作用下氧化为SO 3，释放出的热量维持二次转化的热量，富裕热量回收副产蒸汽。

在转化系统采用3+1二转二吸流程，即焚硫工段SO 2炉气→转化器一段→一段过热器管外→转化器二段→二段换热器管内→转化器三段→三段换热管内→三段省煤器管外→中间吸收塔→三段换热器管外→二段换热管外→转化器四段→四段过热器管外→四段省煤器管外→最终吸收塔→烟囱→放空。9 3.4.3 流程框图

3.4.4 生产过程中的化学反应和工艺指标 3.4.4.1 生产过程中的化学反应

SO 2 + 1/2O2→ SO 3 +Q………………………………式6-1

3.4.4.2 操作工艺指标

1. 转化器各段进出口气体温度

名称 进口（℃）

一段 420 ± 5

二段 450 ± 5

三段 450 ± 5

四段 425 ± 5

出口（℃） 转化率（%）

600 ± 10 64

523 ± 5 88

471 ± 5 95

444 ± 5 99.8

四段催化剂床层，各段进口温度：420～450℃，出口温度：≤620℃（最高）。

2. 中间吸收塔入口气体温度：≥180℃。 3. 最终吸收塔入口气体温度：≥160℃。 4. 转化器一段进口炉气SO 2浓度：≤10.5%。 5. O2/SO2比：1:1。

6. 中间吸收后转化率：94-96%。 7. 总转化率≥99.8%。

8. 鼓风机出口水份：≤0.1g/Nm3。 9. 鼓风机出口酸雾：≤0.005g/Nm3

3.5 干吸工段

3.5.1 岗位职责和所管范围 3.5.1.1 岗位任务：

使用96%硫酸干燥由大气抽进干燥塔的潮湿空气, 使干燥塔出口空气水份含量小于0.1g/Nm3，再送至焚硫岗位。使用98%硫酸吸收由转化工序来的转化气中的SO 3制备合格产品酸。

正确控制各塔循环酸浓度、温度及酸量等各项指标，以达到规定的干燥效率和吸收效率确保产品质量符合标准（保证吸收率不小于99.95%）。维护好用好本工段设备。 3.5.1.2 所管范围

干燥塔、中间吸收塔、最终吸收塔、循环酸槽、循环酸泵及酸排出泵、地槽污水泵、浓酸冷却器及相关酸管线气体管线，上下水管线、阀门，浓度测定仪及分析用品以及相关的电仪设备等。

3.5.2 工艺流程

电力驱动的鼓风机安装在干燥塔的下游，抽吸空气进入制酸装置。空气过滤器安装在干燥塔进口空气管上。干燥塔上部安装两层不锈钢金属丝网除沫器。中间吸收塔上部安装MONSANTO ES型除沫器，最终吸收塔顶部安装MONSANTO CS型除沫器。这些高效除雾器将保护气体换热器和转化器不被腐蚀及适应环境保护的要求。

三个浓酸塔（干燥塔、中间吸收塔、最终吸收塔）填料都是矩鞍型瓷填料，且有条型拱支撑。

干燥塔酸泵槽供干燥塔酸循环泵使用，中间吸收塔和最终吸收塔共用一个吸收酸泵槽。循环酸泵由特种路密特合金制成的立式液下泵。

酸循环过程采用塔-槽-泵-器-塔流程，成品酸由循环酸泵出口管线引入成品酸冷器降温后送入成品岗位。 3.5.3 流程框图

3.5.4 工艺指标

干燥酸浓 96±0.5 %

吸收酸浓 98.3±0.2 %

成品酸浓96±0.5 % 98.3±0.2 % 成品酸温≤40℃ 干燥塔入塔酸温 50～55℃ 吸收塔入塔酸温 70-78℃

3.6 成品工段

3.6.1 岗位职责 3.6.1.1 岗位任务

1. 将两系列硫磺制酸装置干吸工段送来的98.0%或96%浓硫酸及外购酸，供往磷酸、动力及选矿装置使用。

2. 保证硫磺制酸两装置开车用浓酸的输送。 3. 负责外购酸的卸酸或装置酸的外卖。 3.6.1.2 管辖范围

3个98%浓酸贮槽、98%酸地下槽泵2台、混酸贮罐2个，93%酸地下槽泵2台，硫酸地下槽2个、污水泵1台、浓酸贮罐１个、浓酸卸车贮槽1个、卸酸泵2台、引酸罐１个，火车鹤管2个及其附属管线、阀门、电气、仪表等。 3.6.2 工艺流程

由两硫酸装置干吸工段生产的98.0%浓硫酸送至本工段浓酸贮罐。浓硫酸由浓酸贮罐底部排入浓酸地下槽，经浓酸液下泵送到磷酸装置；贮存于混酸贮罐中的混酸，由混酸贮罐底部排入混酸地下槽，经混酸液下泵、选矿输酸泵直接送到磷酸或选矿装置。

硫酸装置干吸工段的浓硫酸送至本岗位硫酸贮罐。硫酸需要通过铁路外卖时，酸由贮罐经火车鹤管自流至罐车。当生产用硫酸需求量大，需要把外购酸卸入时，则由火车鹤管或专用汽车卸酸贮槽用卸酸泵卸出送往磷酸或成品工段。

3.6.3 流程框图 3.6.3.1 卸火车酸流程图

3.6.3.2 成品工艺流程框图

3.7 污水处理系统

3.7.1 岗位职责 3.7.1.1 岗位任务

1. 对公司各装置产生的污水进行处理，使其达到工业污水排放标准。污水主要来自于MAP 装置、H 2SO 4装置、动力车间脱盐水再生废水及渣池污水、磷酸装置磷石膏渣场回水、NPK 装置等。

2. 制备合格的石灰乳和药剂，根据污水水质，调节石灰乳和各种药剂的加入量，保证指标合格。

3. 将处理后的废水和产生的污泥排入汉江或渣场，也根据需要可以直接送磷酸装置。

4. 勤检查。污水、石灰乳和药剂进料稳定，及时调节；设备管道不堵、不漏，跑冒滴漏及时处理；设备管道堵塞及时疏通。

5. 保证设备完好和正常运行，保持生产现场环境整洁。 6. 回收1#环保池污水送其它装置使用。 3.7.1.2 所管范围

化灰间、加药间、加压泵房、调节池、沉淀池、污泥池、净化水池，包括从污水入口至清水泵出口，化灰池至灰乳泵出口范围内的所有建筑物、设备（如搅拌桨、泵）、管道以及所属电气仪表等。 3.7.2 工艺流程

本装置采用二级中和二级沉降工艺。 流程简述如下，化灰工序：

汽车运来的生石灰块直接倒入化灰池，与池内放置的工艺水或处理后的废水进行反应初步消化。行车将池内未消化完全的石灰抓入石灰料斗进入化灰机，机内添加工艺水或处理后的污水使生石灰完全消化为石灰乳，化灰机出来的灰乳自流至密度测定槽，控制一定浓度，然后用灰乳泵送到灰乳高位槽或直接打到中和槽供污水中和用。生石灰中未反应部分经洗砂铰刀从灰乳中分离出来，用斗车拉到渣池。

中和工序：

来自MAP 装置、H 2SO 4装置、动力车间、磷酸装置及NPK 装置等的污水进入调节池均质。调节池中的污水由污水提升泵送到１＃中和槽A-C ，与石灰乳进行中和后，溢流进入１＃混合槽，与来自加药间的药剂PAM 、CaCL 2、铝盐等混合后，流入１＃沉淀池沉降，污泥由沉淀池底部的污泥泵

送入２＃污泥池，清液进入１＃净化水池。此为一级中和一级沉降。

当污水氟含量高，经一级中和一级沉降处理后达不到指标时可进行二级中和二级沉降。１＃净化水池中的水由污水泵送到２＃中和槽，加入灰乳再次中和后，溢流进入２＃混合槽，将加药间已制备好的适当药剂加入到混合槽中，与污水混合，混合后的污水流入２＃沉淀池沉降，污泥由沉淀池底部的污泥泵送入２污泥池，清液进入２净化水池。

外排工序：

处理产生的污泥由污泥泵送到磷酸装置磷石膏调浆槽排入磷石膏渣场，当磷酸装置停车或其不要时直接排放到硫铁矿渣场。处理后的合格污水部分回用，部分由外排清水泵排入汉江。也可以将不需要处理的污水直接由外排泵送至磷酸装置。

在硫酸或磷酸装置污水多或事故状态下，可将二次中和沉降变为一次中和沉降，即将装置并联运行；在进装置污水杂质（如F -含量）少，仅用一次中和沉降处理即可达标时，可仅运行１＃或２＃中和沉降系统。 3.7.3 生产过程中的化学反应和工艺指标 3.7.3.1 生产过程中的化学反应

H 2O+CaO→Ca(OH)2…………………………………………式1-1 H 2SO 3+Ca(OH)2→CaSO3↓+2H2O……………………………式1-2 H 2SO 4+Ca(OH)2→CaSO4↓+2H 2………………………………式1-3 2NaOH+H2SO 4→Na 2SO 4+2H2O ………………………………式1-4 F -+Ca2+→CaF 2↓………………………………………………式1-5 3Ca(OH)2+2AsO43-→Ca(AsO4) 2↓+6OH- ……………………式1-6 2H 3PO 4+3Ca(OH)2→Ca 3（PO 4）2+3H2O……………………式1-7 3.7.3.2 操作工艺指标

序号

＃

＃

名称 单位 操作指标

备注

1 2 3

处理水量 外排污水水质：

F PH 值 主要药剂规格 生石灰 PAM 硫酸 CaL 2

m 3 常压 Mg/l CaO% 分子量 % %

50-100 135-145 ≤10 6-9 ＞60 1200万

正常用量0.6kg/h

98 10左右

反调PH 值用 根据需要添加 灰乳浓度

正常

5%左右

阴离子型

4. 物料及热量衡算 4.1 设计要求

设计规模：硫磺制酸300kt/a

生产过程中：硫磺中的含硫尾气以SO 2的形式排出

吸收要求：《大气污染物综合排放国家标准》（GB16297—1996）限定二氧化硫最高允许排放质量浓度为960mg/m3，吸收率≥99.95%

4.2 硫磺焚烧的物料衡算

本设计的硫酸产量为每年98.3%的H 2SO 4300000t ，则H 2SO 4的产量为： Y=年产量（t ）*1000/（生产日*24）=300000*98.3%*1000/（300*24） =40833.33kg/h=416666.67mol/h 取一小时为基准 根据关系式：S ～H 2SO 4

可得n(S)=n(H2SO 4)=416666.67mol=13333333.33g=13333.33kg

硫磺的含硫量为96%，则需要硫磺的量为13888.89kg

4.3 转化器物料衡算

A 、标准通气量

H 2SO 4的产量为：Y=40833.33kg/h

进转化工序a=0.09，b=0.086；总转化率X=0.995；吸收率η=0.99975 进转化器标准气量以1小时为基准 V 标 =Y*22.4/（98·X ·η吸·a ）

=104250.88m3=4654.06kmol

进入转化器一段炉气温度为680℃，压力为负压10kPa. V=VG *（273+t）/273*100000/（100000+H出） =94639.5m3=1716.72kmol 炉气成分：

SO 2=V标*a=418.87kmol=26807.39kg O 2= V标*b=400.25kmol=12807.97kg 所以N 2=1716.72-418.87-400.25=897.6kmol

以实际生产经验，一般冷激炉气为总量的16%左右。 B 、物料衡算

本设计选用两转两吸流程，转化阶段共分为四段，其中第一次转化过程有两段，第二次抓花过程有两段。进转化器SO 2浓度为10.5%，O 2浓度为10.5%。一段转化率为64%，二段转化率为88%，三段转化率为95%，四段转化率为99.8%。

第一次转化：a. 转化器一段出口气量 转化率为0.64

SO 2 418.87*（1-0.64）＝150.7932kmol SO 3 418.87*0.64＝268.0768kmol

O 2 400.25-268.07/2＝266.2116kmol b. 转化器二段出口气量 转化率为0.88

SO 2 418.87*（1-0.88）＝50.2644kmol SO 3 418.87*0.88＝368.6056kmol O 2 400.25-368.61/2＝215.9472kmol 第一次SO 3吸收率为96%，进入第二次转化：

a. 转化器三段出口气量 转化率为0.95

SO 2 418.87*（1-0.95）＝20.9435kmol SO 3 418.87*0.95-368.6065*96%＝44.0643kmol O 2 400.25-418.87*0.95/2＝201.2867kmol b. 转化器四段出口气量 转化率为0.998

SO 2 418.87*（1-0.998）＝0.8377kmol

SO 3 418.87*0.998-368.6065*96%＝64.1700kmol O 2 400.25-418.87*0.998/2＝191.2339kmol 两次吸收的总吸收率为99.8%。

4.4 转化器热量衡算

1. 一段反应热量

进一段触媒层气体温度为430℃。出一段触媒层的温度为571℃ 。 Cp,m(SO2) =50.67J·K -1·mol -1 Cp,m(O2) =29.355J·K -1·mol -1 Cp,m(SO3) =39.87J·K -1·mol -1

SO 2＋1/2O2→SO 3 △rH m = —197.78kJ/mol △rH m（T 2）=△rH m（T1）+∑γCp,m(B)( T2-T 1)

= -197.78+(50.67-1/2×29.355-39.87)=-198.33 kJ/mol

Q=198.33×（571-430）9=2764.53 kJ

2. 二段反应热量

进二段触媒层气体温度为450℃，出二段触媒层的温度为490℃ 。 Q=198.33×（490-450）=7933.2kJ

3. 三段反应热量

进三段触媒层气体温度为440℃，出三段触媒层的温度为450℃ 。 Q=198.33×（450-440）=1983.3kJ

4. 四段反应热量

进四段触媒层气体温度为425℃，出四段触媒层的温度为438℃ 。 Q=198.33×（438-425）=2578.29kJ

5. 主要设备的工艺计算和设备选型 5.1主要设备转化器的设计

5.1.1转化器的直径

转化器操作温度，一般取各段的总平均值即461.8℃。 转化器操作压力，根据生产实际一般平均在110千帕。 进口烟气量：43942.25 m3/h （标况） 进口烟气温度：t=70℃

转化器空速选取：u=0.33m/s（标况）

转化器内径：D 内=[43942.25÷（3600×0.33×0.785）] 0.5=6.86m 选用转化器：φ68600×20500mm

5.2催化剂的装填量

根据我国触媒的性能和实际使用情况，建议采用下列工程动力学方程式来计算触媒的用量。

V k =Vo·τ

V k ——触媒用量，m 3 Vo ——气体流量 τ——接触时间

根据向德辉高级工程师提出的数学模型

ζ=3/2{Dt/[400·0.3k （3+1.5x）]}0.5 ·[(x+0.01)/（1+x）]0.5 τ=∫dxC/f(x)ζ

C:使用效率总系数。根据实际调查，采用回归分析方法研究后，采用下列式计算：

C=1+C1+C2+C3

C 1（热衰退校正系数）: C1=0.001t-B t —某一接触层最高温度，℃；

B —线性函数方程截距（及调节参数），根据实验和生产经验，在400℃以下触媒无热衰退现象，可不考虑备用触媒量，故取B=0.4。

慢性中毒校正系数C 2采用下列式计算： C 2=A·G 水+B·G 雾+C·G 尘

式中：G 水——进转化器气体实际含水量，克/标米3； G 雾——进转化器气体实际酸雾含量，克/标米3； G 尘——进转化器气体实际矿尘含量，克/标米3； A 、B 、C ——毒物影响系数，A 、B 各为1，C 为50。 气流不均匀校正系数C 3采用下列式计算： C 3=0.008·D/H

式中：D ——转化器直径，米； H ——每段触媒层高度，米。

C1（热衰退校正系数）

C2（慢性中毒C3（气流不均校正系数） 0.18 0.108 0.09 0.144

校正系数） 0.159 0.159 0.159 0.159

一段 二段 三段 四段

0.171 0.09 0.05 0.06

k 反应速率常数

Kp 反应平衡常数 50.18 90.53 153.7 205.43

τ接触时间 2.768 2.697 3.914 2.44

ζ扩散效率因子 0.468 0.424 0.322 0.404

一段 二段 三段 四段

1.974 1.105 0.657 0.494

5.3各段触媒需用量V K 、触媒层厚度H

1. 一段需触媒量V K1、厚度H 1

V k1=VO ·τ=43942.25·2.768/3600=33.79 m3 H 1= VK1/F=33.79/（0.785·6.862）=0.91 m 2. 二段需触媒量V K2、厚度H 2 V k2=41387.82·2.697/3600=31.01 m3 H 2=31.01/（0.785·6.862）=0.839 m 3. 三段需触媒量V K3、厚度H 3 V k3=41144.87·3.914/3600=44.73 m3 H 3=44.73/（0.785·6.862）=1.21 m 4. 四段需触媒量V K4、厚度H 4 V k4=40811.232·2.44/3600=27.66 m3

H 4=27.66/（0.785·6.862）=0.749 m

6. 设计总结及致谢

硫酸是最重要的基础化工原料之一，主要用于制造磷肥及无机化工原料，其次作为化工原料广泛用于有色金属的冶炼、石油炼制和石油化工、橡胶工业以及农药、医药、印刷、皮革、钢铁工业的酸洗等。但是硫酸工业污染严重，硫酸工业的每一次技术的进步都是在提高硫利用率的同时，减少废气、废水的排放，提高废热利用效率，做到资源利用的最大化。该工艺主要有焚硫、转化、吸收三个工段，在设计中我还对制酸后所产生废液的处理进行了设计，使整个工艺更加完整和合理。

在这次工艺设计中我充分利用了四年来我们所学习的理论知识，并且结合在湖北大峪口化工有限公司硫酸车间的实习，介绍了硫酸的性质、用途、工艺流程，在此基础上我们对硫酸生产装置进行分析。本设计是根据硫酸生产提供的参数，工艺控制指标，对硫酸生产工艺进行设计计算，尤其对最重要的工段即转化工段进行了详细的工艺设计分析。

通过本次设计我学会了化工设备的分析，掌握工艺设计的计算方法，培养了我们核算和工艺设计的能力，总的来说，设计基本上考虑到经济和效率优先的原则，大致设计方案还是比较合理的。

在设计过程中，XXX 老师给予了极大帮助，并得以X 老师的正确指导和倾力帮助。XXXXXX 有限公司为我提供各种资料，老师所提供的硫酸工艺设计的书籍加上自己说查阅的资料，使得设计顺利完成，在此对他们表示衷心的感谢。

做完本设计，进一步了解了硫酸的性质以及它的生产过程。了解了国内目前硫酸的基本情况。 了解了硫酸的基本生产流程，生产原料的来源决定了硫酸工艺的选择。

参考文件

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[2] 张超林，进展与述评我国硫酸工业的发展趋势化工进工进展，CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS[J]，2007，26（10）

[3] 何杨，炼油厂生产硫酸的接触法工艺，化工矿物与加工[J]2000，（06）

[4] 邹劲松，炼油厂生产硫酸的接触法工艺，当代石油石化, Petrochemical Industry Trends[J]，2002，（04）

[5] 王海帆，SAPNE ——接近于零排放的硫酸生产工艺，硫酸工业[J]，2001，（05）

[6] 谭天恩, 麦本熙, 丁惠华编著, 化工原理[M].北京：化学工业出版社,1990.6：84-90

[7] 缪欢庆，刘章海等编著，湖北大峪口化工有限公司硫酸车间310kt/a硫磺制酸化工技术规程[M]，2005.5

[8] 赵军, 张有忱, 段成红编著, 化工设备机械基础[M]北京：化学工业出版社,2000.2

[9] 金志伟编著，硫磺制酸技术经济述评，硫酸工业 [J]，1997，（03）

附件

1. 焚硫工段流程图

2. 转化工段流程图

3. 干吸工段流程图

4. 成品工段流程图

5. 焚硫炉设备图

6. 转化工段车间布置图