硫酸裝置兩次轉化的互補換熱流程的製作方法
2023-05-27 15:49:51
專利名稱：硫酸裝置兩次轉化的互補換熱流程的製作方法
硫酸裝置兩次轉化的互補換熱流程，屬硫酸工業技術領域，具體涉及以硫鐵礦、冶煉煙氣、石膏窯氣等為原料製造硫酸的兩次轉化工藝的一系列互補換熱流程，本發明還涉及互補換熱流程所特有的平行交叉式設備布置方式。
硫酸裝置兩次轉化兩次吸收工藝的運用，較大地提高了二氧化硫的總轉化率。在硫鐵礦制酸、冶煉煙氣制酸、石膏窯氣制酸等為原料制酸過程中，原料氣體須經溼式淨化、乾燥塔乾燥、經二氧化硫鼓風機加壓後進入轉化系統的。二氧化硫轉化成三氧化硫是放熱反應，提高溫度對熱力學平衡不利，但就反應動力學而言，二氧化硫轉化成三氧化硫須在催化劑條件下，而催化劑又須在一定的起燃溫度以上才具有活性，在過高的溫度下又會很快失去活性，因此須採用多段轉化的方式來實現。
二氧化硫鼓風機後的冷氣體須經加熱到特定的溫度後進入轉化器第一段催化劑床層開始進行第一次轉化。第一次轉化有用2段、3段及4段催化劑床層的。出第一次轉化的氣體亦須冷卻到合適的溫度才能進入第一吸收塔吸收掉其中的三氧化硫，經第一吸收塔吸收後的冷氣體又須經加熱到特定的溫度後才能進入轉化器進行第二次轉化，第二次轉化有用1段、2段甚至3段催化劑床層。第一次轉化和第二次轉化各所須用的催化劑床層段數的組合有多種方式常用的有「2+1」三段轉化、「3+1」、「2+2」四段轉化、「3+2」、「4+1」甚至「2+3」五段轉化。
由於用於加熱第一次及第二次進轉化系統的氣體所採用加熱源的方式不同，各轉化方式又有多種換熱流程。如「3+1」四段轉化的III I-IV II換熱流程和IV I-III II換熱流程(其中I、II、III、IV分別代表轉化器第一段、第二段、第三段及第四段出口的氣體換熱器)，每個換熱流程用6臺換熱器，其中III換和IV換各為兩臺串聯。目前所用的換熱流程都是用各段熱量整體參與換熱的。如III I-IV II換熱流程是用第三段和第一段的熱量加熱第一次轉化氣、用第四段和第二段的熱量加熱第二次轉化氣。
要實現較高的總轉化率和較好的吸收率，需要維持各段較佳的進口溫度和各段分轉化率以及適宜的進吸收塔氣體溫度。然而，由於制酸原料的種類及組成不同，進轉化器的二氧化硫濃度及氧硫比均有較寬的範圍，且由於每段出口熱量都是整體參與換熱，使得各種換熱流程都存在著某些溫度值的不合理性，這是因為各段進口溫度與進吸收塔氣溫的選取存在著制約關係。就各段進口溫度的可調節性而言，隨著轉化率的增加，轉化器進口溫度的可調節性減小，但轉化器第一段進口溫度受催化劑起燃溫度的限制，因此只能用第二段進口溫度這個參數來調節第一段出口換熱器與第二段出口換熱器間的熱量比例，從而達到調節進兩次吸收的氣體溫度。但第二段進口溫度的調節範圍是很小的，很難調節到各溫度參數都均合適，且該調節往往是靠犧牲總轉化率來實現的。
本發明的目的就是為解決轉化器各段進口溫度及各段分轉化率的選取與進吸收塔氣體溫度之間的矛盾，實現轉化器各段進口溫度及各段分轉化率的選取與進吸收塔的氣體溫度選取無關，從而使轉化系統各溫度參數均可達到最佳狀態而設計的具有很好經濟效益的硫酸裝置兩次轉化的互補換熱流程。
本發明的主要技術方案是利用第一次轉化的最後一段出口氣體的部分熱量和第二次轉化的最後一段出口氣體的部分熱量加熱從乾燥塔出來的進轉化器第一次轉化的冷氣體、同時用第一次轉化的最後一段出口氣體的另一部分熱量和第二次轉化的最後一段出口氣體的另一部分熱量加熱從第一吸收塔出來的進轉化器第二次轉化的冷氣體，利用四個換熱器來互補換熱的所有互補換熱流程。
利用本互補換熱流程的原理，對不同的轉化方式能夠組成一系列互補換熱流程，總數量達近百種。具體對「3+1」四段轉化是IV換與III換交叉互補，有IVIII I-IIIIV II、IIIIV I-IVIII II、IVIII II-IIIIV I、IIIIV II-IVIII I等四種以上互補換熱流程。「3+2」五段轉化是V換與III換交叉互補，不包括IV換在內，有VIII I-IIIV II、IIIV I-VIII II、VIII II-IIIV I、IIIV II-VIII I等四種流程，加上IV換或冷激則可組成十六種互補換熱流程。
互補換熱流程中的互補換熱部分是利用四個換熱器來完成的。通過這四個換熱器分擔換熱量的比例來進行濃度、溫度、轉化率等工藝參數的調節性能的優化。在特定的調節性能下，互補換熱部分的四個換熱器中的一個可以是零換熱器，即也可以用三個換熱器來實現互補換熱的目的。此時第一次轉化的最後一段出口氣體換熱器和第二次轉化的最後一段出口氣體換熱器有一個僅為一臺換熱器參與加熱進轉化器的冷氣體。
互補換熱流程的轉化器及換熱器設備布置最佳方式是第一次轉化的最後一段出口氣體換熱器和第二次轉化的最後一段出口氣體換熱器並排布置，第一次轉化的最後一段出口熱氣體和第二次轉化的最後一段出口熱氣體平行通過該四臺(或三臺)換熱器，而由二氧化硫鼓風機及第一吸收塔來的冷氣體則交叉通過這四臺(或三臺)換熱器，即所謂的平行交叉式設備布置方式。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細的說明。附
圖1為IIIIV I-IVIII II互補換熱流程為例的兩轉兩吸工藝流程圖。附圖2為IIIIVI-IVIII II互補換熱流程的轉化器及換熱器設備布置圖。
附圖中1、2-第IIIa、IIIb換熱器(轉化器第三段出口換熱器即第一次轉化最後一段出口氣體換熱器)，3-第II換熱器(轉化器第二段出口換熱器)，4-轉化器，5-第I換熱器(轉化器第一段出口換熱器)，6、7-第IVb、IVa換熱器(轉化器第四段出口換熱器即第二次轉化最後一段出口氣體換熱器)。
附圖1中來自二氧化硫鼓風機的低溫含二氧化硫氣體，首先經1由第一次轉化最後一段出口氣體加熱再經6由第二次轉化最後一段出口氣體加熱後，進入5與轉化器第一段出口氣體換熱升溫至轉化器第一段進口溫度後進入4的第一段進行第一次轉化。經第一吸收塔吸收掉第一次轉化生成的三氧化硫後的氣體，首先經7由第二次轉化最後一段出口氣體加熱再經2由第一次轉化最後一段出口氣體加熱後，進入3與轉化器第二段出口氣體換熱升溫至轉化器第四段進口溫度後進入4的第四段進行第二次轉化。
附圖2中兩臺III換和兩臺IV換並排布置，第三段、第四段出口熱氣體平行通過該四臺換熱器，而由二氧化硫鼓風機及第一吸收塔來的冷氣體則交叉通過這四臺換熱器，即所謂的平行交叉式設備布置方式。
實施例1某硫鐵礦制酸裝置，「3+1」四段轉化，III I-IV II換熱流程，設計二氧化硫濃度為8％，轉化器第二段進口溫度為460℃，進第一吸收塔、第二吸收塔氣體溫度分別為207℃、177℃。實際運行中，轉化器第二段進口溫度為470℃，進第一吸收塔氣溫則高達230℃，嚴重影響三氧化硫在第一吸收塔中的吸收率及成酸率，總轉化率僅在99.2％左右。而採用互補換熱流程，仍為「3+1」四段轉化，則可使進第一吸收塔、第二吸收塔氣體溫度均為190℃左右，並減少約5％的換熱面積。將轉化器第二段進口溫度控制在440-450℃之間，可使總轉化率提高到99.6％以上，排放尾氣中的二氧化硫量則減少一半。
對該年產10萬噸硫酸的裝置規模，採用互補換熱流程，可減少設備投資300萬元，年排放二氧化硫量減少240噸，每年可創直接經濟效益達50萬元，而且有顯著的環境效益。
實施例2就目前的換熱流程而言，普遍認為7％的二氧化硫濃度是適宜兩轉兩吸的濃度下限。某冶鍊氣制酸裝置，當二氧化硫濃度為6.94％時，採用的「3+1」四段轉化，III I-IV II換熱流程，即使轉化器第二段進口溫度達480℃時，仍是使第二吸收塔進口溫度偏低，而此時第一吸收塔進口溫度又偏高。採用互補換熱流程，則可使兩個吸收塔進口氣溫均衡合理，且減少換熱面積達36％。另外由於互補換熱流程中轉化器進口溫度的選取與吸收塔進口氣溫無關，可大大降低第二段進口溫度，提高了總轉化率，減少了二氧化硫排放量。
互補換熱流程可同時利用增大乾燥酸濃度而提高幹燥循環酸溫度和提高第一吸收塔循環酸溫度使氣體帶入轉化系統的熱量增加。當二氧化硫氣體濃度低至5.5％時，採用互補換熱流程，兩個吸收塔進口溫度仍可達到150-160℃，而此濃度下的傳統換熱流程早已不能實現兩次轉化兩次吸收了。
實施例3由於硫鐵礦的精選、冶煉工藝的改進，使得進轉化器的二氧化硫提高了很多，達到了9.5～10％，有時甚至高達11％以上。此濃度下採用傳統換熱流程，進兩吸收塔進口氣溫都在200℃以上，直接進吸收塔因溫度太高而影響吸收，但各設一臺省煤器又顯得不合算。因而常常是增加補充空氣量稀釋降濃來降低進吸收塔氣溫。
而採用互補換熱流程，可將轉化系統的餘熱集中於一處而回收利用，在氣體進第二吸收塔前加一個省煤器回收該轉化系統的餘熱。當二氧化硫濃度為9.5％時，採用「3+2」五段轉化、VIIIIV I-IIIV II互補換熱流程加一個省煤器回收餘熱，可使蒸汽產量增加8～12％，吸收循環冷卻水消耗減少20～25％，每噸酸的生產成本降低10元左右，對年產10萬噸硫酸裝置，僅此項使每年增加效益達100萬元。另外，互補換熱流程的各工藝參數均處於最佳，可提高總轉化率，減少二氧化硫排放量增加產酸量，不僅產生了經濟效益，而且帶來非常顯著的環境效益。
總之，採用互補換熱流程，使適宜兩轉兩吸的二氧化硫濃度範圍增寬，不但具有很好的經濟效益，而且具有很好的環境效益。具體如下·在傳統流程適宜的進轉化器的二氧化硫濃度下，可使進第一吸收塔、第二吸收塔氣溫優化，從而避免一高一低而影響吸收，且可節省換熱面積、增加三氧化硫吸收率。
·由於可同時利用二氧化硫風機的壓縮熱和提高第一吸收塔循環酸溫帶入的熱，對低濃度二氧化硫氣體，可使能夠實現兩轉兩吸的二氧化硫濃度從7％降低到5.5％以下。
·對於高濃度二氧化硫氣體，互補換熱流程又可以提高適宜於兩轉兩吸的二氧化硫氣體濃度，既可使轉化系統的餘熱集中於一處便於回收利用(在第二吸收塔之前設省煤器，也可在第一吸收塔之前設省煤器)，又可使進吸收塔氣體溫度處於最佳值，且是增加了蒸汽產量、減少了循環冷卻水用量。
·對於含一氧化碳的冶煉煙氣、石膏窯氣等制酸原料，轉化器第一段轉化率相對較低，更要求有較低的第二段進口溫度，互補換熱流程的優越性更強。
·互補換熱流程具有更好的調節性能，對溫度、轉化率等的變化均可由實現互補換熱的四個換熱器共同承擔。
·對應於各種不同的工藝要求，互補換熱流程可以實現更多形式的轉化方式。
·對一轉一吸制酸工藝改造成兩轉兩吸，原換熱器可以得到更充分的利用。
權利要求
1.硫酸裝置兩次轉化的互補換熱流程，其特徵是用第一次轉化的最後一段出口氣體的部分熱量和第二次轉化的最後一段出口氣體的部分熱量加熱從乾燥塔出來的進轉化器第一次轉化的冷氣體、同時用第一次轉化的最後一段出口氣體的另一部分熱量和第二次轉化的最後一段出口氣體的另一部分熱量加熱從第一吸收塔出來的進轉化器第二次轉化的冷氣體，利用四個換熱器來互補換熱的所有互補換熱流程。
2.根據權利要求1所述的互補換熱流程，其特徵在於互補換熱部分的四個換熱器中有一個是零換熱器，即是用三個換熱器來實現互補換熱的所有互補換熱流程。
3.根據權利要求1、2所述的互補換熱流程，其特徵在於互補換熱流程的轉化器及換熱器布置為平行交叉式設備布置方式，即第一次轉化的最後一段出口氣體換熱器和第二次轉化的最後一段出口氣體換熱器並排布置，第一次轉化的最後一段出口熱氣體和第二次轉化的最後一段出口熱氣體平行通過該換熱器，而由二氧化硫鼓風機及第一吸收塔來的冷氣體則交叉通過這些換熱器。
全文摘要
本發明的硫酸裝置兩次轉化的互補換熱流程,是用第一次轉化的最後一段出口氣體的部分熱量和第二次轉化的最後一段出口氣體的部分熱量加熱從乾燥塔出來的進轉化器第一次轉化的冷氣體、同時用第一次轉化的最後一段出口氣體的另一部分熱量和第二次轉化的最後一段出口氣體的另一部分熱量加熱從第一吸收塔出來的進轉化器第二次轉化的冷氣體,利用四個換熱器或三個換熱器來實現互補換熱,解決了轉化器各段進口溫度及各段分轉化率的選取與進吸收塔氣體溫度之間的矛盾,可提高總轉化率及吸收率,減少換熱面積、增加餘熱回收。並公開了互補換熱流程所特有的平行交叉式設備布置方式。
文檔編號B01J8/02GK1243033SQ99114378
公開日2000年2月2日 申請日期1999年8月13日 優先權日1999年8月13日
發明者丁華, 侯平, 丁偉, 丁曉耕 申請人:丁華