高濃度二氧化硫煙氣二元可調節預轉化制硫酸裝置的製作方法

2023-09-17 13:55:35 2

本實用新型涉及硫酸生產及餘熱回收技術領域，尤其涉及硫磺制酸、冶煉煙氣制酸、硫鐵礦制酸及其他用SO2煙氣製取硫酸的技術領域，還適用於其他具有放熱性質的化學反應工程相關的技術領域，具體地說是一種高濃度二氧化硫煙氣二元可調節預轉化制硫酸裝置。

背景技術：

硫酸生產中高濃度轉化技術一直是行業難題，在有色冶煉煙氣制酸領域，隨著有色金屬富氧技術的進步，現代冶煉爐生產的二氧化硫濃度（體積）高達20%～40%且煙氣量和二氧化硫濃度有較大波動。在煙氣制硫酸的過程中，SO2轉化為SO3是一种放熱反應，二氧化硫濃度越高，轉化後的煙氣溫度就越高。受平衡轉化率及觸媒耐溫的限制，目前常規濃度二氧化硫煙氣轉化工藝，通常加空氣將煙氣二氧化硫濃度稀釋至<12%左右進行兩次轉化兩次吸收。採用常規轉化工藝轉化工段及幹吸工段的設備龐大，不利於熱量綜合回收，相應的投資及運行成本將增加約20%。因此，硫酸生產中高濃度轉化技術已經成為目前冶煉煙氣制酸領域的重點課題。

技術實現要素：

本實用新型的目的是針對現有技術存在的問題，提供一種高濃度二氧化硫煙氣二元可調節預轉化制硫酸裝置；該裝置利用反應平衡原理，能夠處理煙氣中含SO2濃度為11%～20%的煙氣；能夠解決觸媒耐溫、平衡轉化率低及煙氣SO2濃度波動的技術難題，以提高熱量回收，降低運行成本及工程投資。

本實用新型的目的是通過以下技術方案解決的：

一種高濃度二氧化硫煙氣二元可調節預轉化制硫酸裝置，包括SO2風機和轉化器，其特徵在於：所述的轉化器包括多層傳統觸媒層且在傳統觸媒一層的上方設置一預轉化觸媒層，SO2風機的出口管道依次與初始冷熱換熱器、初始熱熱換熱器相連後分別與傳統觸媒一層和預轉化觸媒層的進氣口相連接，且在傳統觸媒一層的進氣管上設有調節閥門，通過調節閥門能夠調整進入預轉化觸媒層處理的煙氣量和直接進入傳統觸媒一層的煙氣量；該裝置使用時，通過SO2風機輸入的含SO2濃度為11%～20%的煙氣依次經初始冷熱換熱器和初始熱熱換熱器換熱後達到觸媒的起燃溫度，當煙氣中的SO2濃度為14.5%～20%時，則達到起燃溫度的高濃度SO2煙氣全部進入預轉化觸媒層進行轉化反應，經轉化反應升溫在煙氣達到SO2平衡轉化率前離開預轉化觸媒層並經降溫後進入傳統觸媒一層，開始進行常規「31-42」3+1兩轉兩吸制酸常規流程；當煙氣中的SO2濃度為11%～14.5%時，則達到起燃溫度的高濃度SO2煙氣部分進入預轉化觸媒層進行轉化反應，經轉化反應升溫在煙氣達到SO2平衡轉化率前離開預轉化觸媒層，並經降溫後和剩餘部分的高濃度SO2煙氣混合後進入傳統觸媒一層，開始進行常規「31-42」3+1兩轉兩吸制酸常規流程。

所述預轉化觸媒層的後側設有能夠產生中、低壓蒸汽的餘熱鍋爐，餘熱鍋爐分別通過管道與預轉化觸媒層的出氣口和傳統觸媒一層的進氣口相連接，且餘熱鍋爐能夠使得預轉化觸媒層處理後的煙氣降溫到傳統觸媒一層的設定溫度，該設定溫度範圍為400℃～460℃。

所述餘熱鍋爐前側的管道上設有旁路控溫閥，旁路控溫閥設置在餘熱鍋爐的煙氣進管和煙氣出管之間，通過旁路控溫閥的設置能夠對餘熱鍋爐降溫到傳統觸媒一層前的煙氣溫度進行調節。

所述的預轉化觸媒層全部處理後進入傳統觸媒一層、或者部分處理並和未經處理的高濃度SO2煙氣混合後進入傳統觸媒一層的SO2濃度＜11%。

所述調節閥門的開度大小與傳統觸媒一層的出氣口溫度大小呈反比，當傳統觸媒一層的出氣口溫度超過550℃時，則調節閥門的開度變小，直至傳統觸媒一層的出氣口溫度達到620℃時則關閉調節閥門，使得經兩次換熱後的高濃度SO2煙氣全部進入預轉化觸媒層進行處理。

所述的轉化器包括預轉化觸媒層、傳統觸媒一層、傳統觸媒二層、傳統觸媒三層、傳統觸媒四層，傳統觸媒一層的出氣口和傳統觸媒二層的進氣口分別通過管道與初始熱熱換熱器相連接，傳統觸媒二層的出氣口和傳統觸媒三層的進氣口分別通過管道與層間熱熱換熱器相連接，傳統觸媒三層的出氣口和中間吸收塔的進氣口分別通過管道與初始冷熱換熱器相連接，中間吸收塔的出氣口依次與層間冷熱換熱器和層間熱熱換熱器相連後與傳統觸媒四層的進氣口相連接，傳統觸媒四層的出氣口通過管道與層間冷熱換熱器相連後與最終吸收塔相連接。

所述觸媒的起燃溫度為380～400℃。

所述預轉化觸媒層採用的觸媒為釩觸媒、銫觸媒或兩者分層混合而成。

本實用新型相比現有技術有如下優點：

本實用新型通過加設預轉化觸媒層、調節閥門以及和預轉化觸媒層配套設置的帶旁路控溫閥的餘熱鍋爐，將煙氣中的SO2濃度分為11%～14.5%和14.5%～20%兩個範圍，採用一套裝置兩種方案進行處理，使得經過預轉化觸媒層全部或部分處理進入進入傳統觸媒一層的煙氣中含SO2濃度＜11%，然後進行常規「31-42」3+1兩轉兩吸制酸常規流程；與常規的二氧化硫煙氣中含SO2濃度為11%～12%的常規轉化工藝相比較，採用該可調節預轉化制硫酸裝置能夠使進入轉化系統的煙氣SO2濃度在11%～20%進行波動，進入制酸的煙氣量少約20～35%，設備投資減少約20%，運行成本降低約20%，同時更能適應冶煉方法及原料變化帶來的煙氣中SO2濃度波動的帶來的影響。

附圖說明

附圖1為本實用新型的高濃度二氧化硫煙氣二元可調節預轉化制硫酸裝置的結構示意圖。

其中：1—SO2鼓風機；2—初始冷熱換熱器；3—初始熱熱換熱器；4—調節閥門；5—轉化器；50—預轉化觸媒層；51—傳統觸媒一層；52—傳統觸媒二層；53—傳統觸媒三層；54—傳統觸媒四層；6—餘熱鍋爐；7—層間熱熱換熱器；8—中間吸收塔；9—層間冷熱換熱器；10—最終吸收塔；11—旁路控溫閥。

具體實施方式

下面結合附圖與實施例對本實用新型作進一步的說明。

如圖1所示：一種高濃度二氧化硫煙氣二元可調節預轉化制硫酸裝置，包括SO2風機1和轉化器5，轉化器5包括預轉化觸媒層50、傳統觸媒一層51、傳統觸媒二層52、傳統觸媒三層53、傳統觸媒四層54，傳統觸媒一層51的出氣口和傳統觸媒二層52的進氣口分別通過管道與初始熱熱換熱器3相連接，傳統觸媒二層52的出氣口和傳統觸媒三層53的進氣口分別通過管道與層間熱熱換熱器7相連接，傳統觸媒三層53的出氣口和中間吸收塔8的進氣口分別通過管道與初始冷熱換熱器2相連接，中間吸收塔8的出氣口依次與層間冷熱換熱器9和層間熱熱換熱器7相連後與傳統觸媒四層54的進氣口相連接，傳統觸媒四層54的出氣口通過管道與層間冷熱換熱器9相連後與最終吸收塔10相連接。在傳統觸媒一層51的上方設置一預轉化觸媒層50，SO2風機1的出口管道依次與初始冷熱換熱器2、初始熱熱換熱器3相連後分別與傳統觸媒一層51和預轉化觸媒層50的進氣口相連接，且在傳統觸媒一層51的進氣管上設有調節閥門4，通過調節閥門4能夠調整進入預轉化觸媒層50處理的煙氣量和直接進入傳統觸媒一層51的煙氣量，調節閥門4的開度大小與傳統觸媒一層51的出氣口溫度大小呈反比，當傳統觸媒一層51的出氣口溫度超過550℃時，則調節閥門4的開度變小，直至傳統觸媒一層51的出氣口溫度達到620℃時則關閉調節閥門4，使得經兩次換熱後的高濃度SO2煙氣全部進入預轉化觸媒層50進行處理；該裝置使用時，通過SO2風機1輸入的含SO2濃度為11%～20%的煙氣依次經初始冷熱換熱器2和初始熱熱換熱器3換熱後達到觸媒的起燃溫度（380～400℃），當煙氣中的SO2濃度為14.5%～20%時，則達到起燃溫度的高濃度SO2煙氣全部進入預轉化觸媒層50進行轉化反應，經轉化反應升溫在煙氣達到SO2平衡轉化率前離開預轉化觸媒層50並經降溫後進入傳統觸媒一層51，開始進行常規「31-42」3+1兩轉兩吸制酸常規流程；當煙氣中的SO2濃度為11%～14.5%時，則達到起燃溫度的高濃度SO2煙氣部分進入預轉化觸媒層50進行轉化反應，經轉化反應升溫在煙氣達到SO2平衡轉化率前離開預轉化觸媒層50，並經降溫後和剩餘部分的高濃度SO2煙氣混合後進入傳統觸媒一層51，開始進行常規「31-42」3+1兩轉兩吸制酸常規流程；在上述過程中，經預轉化觸媒層50全部處理後進入傳統觸媒一層51、或者部分處理並和未經處理的高濃度SO2煙氣混合後進入傳統觸媒一層51的SO2濃度＜11%。

在上述裝置中，預轉化觸媒層50採用的觸媒為釩觸媒、銫觸媒或兩者分層混合而成；在預轉化觸媒層50的後側設有能夠產生中、低壓蒸汽的餘熱鍋爐6，餘熱鍋爐6分別通過管道與預轉化觸媒層50的出氣口和傳統觸媒一層51的進氣口相連接，且餘熱鍋爐6能夠使得預轉化觸媒層50處理後的煙氣降溫到傳統觸媒一層51的設定溫度，該設定溫度範圍為400℃～460℃；另外在餘熱鍋爐6前側的管道上設有旁路控溫閥11，旁路控溫閥11設置在餘熱鍋爐6的煙氣進管和煙氣出管之間，通過旁路控溫閥11的設置能夠對餘熱鍋爐6降溫到傳統觸媒一層51前的煙氣溫度進行調節。

本實用新型的裝置使用時，來自外界的含SO2濃度為11%～20%的煙氣經SO2鼓風機1加壓後進入初始冷熱換熱器2，與轉化器5的傳統觸媒三層53的出口熱煙氣進行換熱，換熱後的SO2煙氣再進入初始熱熱換熱器3，與傳統觸媒一層51的出口熱煙氣進行換熱，經兩次換熱後的煙氣溫度達到觸媒的起燃溫度後，換熱後的SO2煙氣全部（或部分煙氣）進入預轉化觸媒層50進行轉化反應，反應後的煙氣經餘熱鍋爐6降溫到400℃～460℃的溫度後，與調節閥門4後的部分（或無）煙氣混合後進入傳統觸媒一層51再進行轉化反應，此時進傳統觸媒一層51的煙氣中含SO2濃度<11%，進入預轉化觸媒層50的煙氣量和進入傳統觸媒一層51的煙氣量受調節閥門4的控制，此後即為常規的「31-42」3+1兩轉兩吸制酸常規流程：經傳統觸媒一層51轉化後的熱煙氣進入初始熱熱換熱器3降溫後進入傳統觸媒二層52進行轉化反應，經傳統觸媒二層52反應後的熱煙氣進入層間熱熱換熱器7降溫後進入傳統觸媒三層53進行轉化反應，經傳統觸媒三層53反應後的熱煙氣進入初始冷熱換熱器2降溫後進入中間吸收塔8吸收SO3生產硫酸和降溫，之後進入層間冷熱換熱器9和傳統觸媒四層54出口的熱煙氣進行換熱，換熱後的SO2煙氣再次進入層間熱熱換熱器7，與傳統觸媒二層52出口的熱煙氣進行換熱，經兩次換熱後的煙氣溫度達到觸媒的起燃溫度後進入傳統觸媒四層54進行轉化反應，反應後的煙氣經層間冷熱換熱器9降溫後，進入最終吸收塔10吸收SO3生產硫酸。

實施例一：

河南某黃金冶煉企業，黃金冶煉項目的冶煉煙氣（冶煉爐滿負荷全部開動時，工況一），含SO2體積濃度為16.5%，含O2體積濃度為13%，煙氣流量為100000Nm3/h.採用本實用新型的預轉化制硫酸裝置的過程如下：來自外界的含SO2濃度為16.5%、溫度為80℃的煙氣經SO2鼓風機1加壓後進入初始冷熱換熱器2，與傳統觸媒三層53出口的熱煙氣進行換熱溫度升至200℃，換熱後的SO2煙氣再進入初始熱熱換熱器3，與傳統觸媒一層51出口的熱煙氣進行換熱，經兩次換熱後的SO2煙氣溫度升至410℃，換熱後的SO2煙氣全部進入預轉化觸媒層50進行轉化反應，反應後的煙氣經餘熱鍋爐6降溫到450℃後，進入傳統觸媒一層51再進行轉化反應，此時進傳統觸媒一層51的煙氣中的SO2濃度為10%左右；傳統觸媒一層51出口的熱煙氣進入初始熱熱換熱器3降溫至440℃後進入傳統觸媒二層52進行轉化反應，經傳統觸媒二層52反應後的熱煙氣進入層間熱熱換熱器7降溫至430℃後進入傳統觸媒三層53進行轉化反應，經傳統觸媒三層53反應後的熱煙氣進入初始冷熱換熱器2降溫至180℃後進入中間吸收塔8吸收SO3生產硫酸並降溫至70℃進入層間冷熱換熱器9，與傳統觸媒四層54出口的熱煙氣進行換熱溫度升至250℃，換熱後的SO2煙氣再進入層間熱熱換熱器7，與傳統觸媒二層52出口的熱煙氣進行換熱，經兩次換熱後的煙氣溫度升至410℃，換熱後的SO2煙氣進入傳統觸媒四層54進行轉化反應，反應後的煙氣經層間冷熱換熱器9降溫至170℃後，進入最終吸收塔10吸收SO3生產硫酸。

實施例二：

河南某黃金冶煉企業，黃金冶煉項目的冶煉煙氣（冶煉爐部分設備開動時，工況二），SO2體積濃度為13%，O2體積濃度為13.5%，煙氣流量為110000Nm3/h.採用本實用新型的預轉化制硫酸裝置的過程如下：來自外界的含SO2濃度為13%、溫度為80℃的煙氣經SO2鼓風機1加壓後進入初始冷熱換熱器2，與傳統觸媒三層53出口的熱煙氣進行換熱溫度升至260℃，換熱後的SO2煙氣再進入初始熱熱換熱器3，與傳統觸媒一層51出口的熱煙氣進行換熱，經兩次換熱後的煙氣溫度升至410℃，換熱後的SO2煙氣中有75%的煙氣進入預轉化觸媒層50進行轉化反應，反應後的煙氣經餘熱鍋爐6降溫到430℃後，與通過調節閥門4直接輸入的SO2濃度為13%、流量為25%的煙氣混合後溫度降至428℃，混合煙氣進入傳統觸媒一層51再進行轉化反應，此時進傳統觸媒一層51的煙氣中的SO2濃度為9%；傳統觸媒一層51出口的熱煙氣進入初始熱熱換熱器3降溫至440℃後進入傳統觸媒二層52進行轉化反應，經傳統觸媒二層52反應後的熱煙氣進入層間熱熱換熱器7降溫至435℃後進入傳統觸媒三層53進行轉化反應，經傳統觸媒三層53反應後的熱煙氣進入初始冷熱換熱器2降溫至180℃後進入中間吸收塔8吸收SO3生產硫酸並降溫至70℃進入層間冷熱換熱器9，與傳統觸媒四層54出口的熱煙氣進行換熱溫度升至300℃，換熱後的SO2煙氣再進入層間熱熱換熱器7，與傳統觸媒二層52出口的熱煙氣進行換熱，經兩次換熱後的煙氣溫度升至410℃，換熱後的SO2煙氣進入傳統觸媒四層54進行轉化反應，反應後的煙氣經層間冷熱換熱器9降溫至160℃後，進入最終吸收塔10吸收SO3生產硫酸。

本實用新型通過加設預轉化觸媒層50、調節閥門4以及和預轉化觸媒層50配套設置的帶旁路控溫閥11的餘熱鍋爐6，將煙氣中的SO2濃度分為11%～14.5%和14.5%～20%兩個範圍，採用一套裝置兩種方案進行處理，使得經過預轉化觸媒層50全部或部分處理進入進入傳統觸媒一層51的煙氣中含SO2濃度＜11%，然後進行常規「31-42」3+1兩轉兩吸制酸常規流程；與常規的二氧化硫煙氣中含SO2濃度為11%～12%的常規轉化工藝相比較，採用該可調節預轉化制硫酸裝置能夠使進入轉化系統的煙氣SO2濃度在11%～20%進行波動，進入制酸的煙氣量少約20～35%，設備投資減少約20%，運行成本降低約20%，同時更能適應冶煉方法及原料變化帶來的煙氣中SO2濃度波動的帶來的影響。

以上實施例僅為說明本實用新型的技術思想，不能以此限定本實用新型的保護範圍，凡是按照本實用新型提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本實用新型保護範圍之內；本實用新型未涉及的技術均可通過現有技術加以實現。