摘要：随着社会不断发展，硫磺制酸工艺在化工产业中发挥着重要作用。在实践过程中，硫磺制酸装置的优化创新与产品后续利用有着很大的影响，也在很大程度上影响着工业生产的环境效益。文章从长周期运行条件、设备优化选择、废热利用和节能、工艺手段的改进等多个方面进行了硫磺制酸装置的高效运用分析。
关键词：硫磺制酸装置；运行；废热；节能
0引言
目前，随着国家安全管理、能源管控及环保要求越来越严格，硫酸企业面临较大的生产经营压力，需要持续改造、升级优化硫酸生产装置，才能让其与更高标准的安全、环保以及成本管理等要求相符合。近年来，诸多化工企业针对硫磺制酸装置整体性能的有效提升花费了大量时间与精力，逐渐扩大我国硫磺制酸装置规模，硫磺制酸工艺在我国化工行业得到了很好发展。一般而言，硫磺制酸装置负荷较为稳定，但因受下游蒸汽使用或受产品销售影响，硫酸装置负荷也要进行适当调节，因此探索硫磺制酸装置的高效运行有着重要意义。
1相关工艺流程
工业中制造硫酸的主要方法是硫磺制酸或硫铁矿经过沸腾焙烧，烟气经水洗净化后，在V2O5催化剂催化作用下，经过“两转两吸”工艺，二氧化硫最终转化为三氧化硫，生成的三氧化硫气体经过烟酸塔或98%硫酸酸吸收，最终生产出不同浓度的成品硫酸，尾气经过碱液或双氧水吸收后排空处理。在硫磺燃烧过程中或硫铁矿在沸腾焙烧过程中产生的大量热量，通过余热锅炉回收热量、汽轮发电机进行发电。
2长周期运行条件分析
2.1设备
在设计主要非标设备过程中，应对其进行优化，有效减少运行过程中的故障问题，比如将钟罩阀设计为废热锅炉副线阀，采用高硅不锈钢材质的酸管等。选择较为可靠的关键运转设备，还要选择比较可靠的电气设备、仪表以及阀门等。
2.2工艺设计
在优化工艺设计过程中，要将有纤维滤纸式空气过滤器设置到主风机进口处，有效避免系统中进入灰尘后阻力增加、催化剂被损坏等问题的出现。主风机作为塔前风机，可以减少风机腐蚀、叶轮不平衡问题。在实践过程中，可以采用预热炉与预热器进行转化器升温工作，避免升温烟气的水分与其他杂质对催化剂、设备等带来损害。另外，还应重视对装置的低负荷生产性能，让其满足相应的蒸汽负荷需要[1]。
2.3钒催化剂
在硫磺制酸装置中，钒催化剂发挥着重要作用，其在生产成本中占据了很大比重。如果想让催化剂的使用寿命得到延长，应首先对高效催化剂合理选择，然后对进入转化器烟气中的水分与酸雾含量进行严格管控，还应尽可能地让装置停车次数减少。
2.4生产操作流程
提高硫磺制酸装置的运行周期，应优化其生产操作流程。第一，在装置短期停车情况下，锅炉供汽未开工，要对中压废热锅炉蒸汽余压使用至较低压力等级的生产设备上使用，提高蒸汽利用率，减少蒸汽放空。第二，对锅炉给水管道及喷水降温管道进行定期检验，在装置大修期间对有缺陷的管道进行更换处理，提高装置运行稳定性。第三，对装置连锁条件进行优化，采用二选二联锁或三选二联锁，避免出现因仪表失灵触发连锁造成装置停车的现象。第四，增加给水自动加药设施，利用远程自动配置氨水取代以往现场人工配置氨水操作环节；增加余热锅炉自动加药设施；增加余热锅炉定期排污调节阀，利用远程操作取代以往锅炉定排人工操作模式，让降低操作人员的劳动强度，减轻作业安全风险。第五，增加液体硫磺自动调节设施，稳定焚硫炉硫磺进料量。
3硫磺制酸装置的设备优化选择
3.1鼓风机
在硫磺制酸装置中，透平风机主要由于鼓风机、汽轮机等组成。在常压情况下，硫磺制酸过程中的空气需要经过过滤、增压、干燥以及焚硫等多个工序，其中就涉及到过滤器、鼓风机、焚硫炉等设备。鼓风机科采用轴流压缩机，具有较高压头，且有着较大风量，阻力对风机风量变化的影响并不大。轴流压缩机在克服阻力运行方面有着很强的优势，将轴流压缩机与汽轮机组合使用，其效率明显提高，且运行十分稳定，投资成本也不高。
3.2废热锅炉
蒸汽压力为3.82MPa、产汽量为123t/h、温度为255℃的双锅筒火管型锅炉在硫磺制酸装置中最为常用。由于催化剂受到转化催化剂与焚硫炉的升温操作的影响，若想使催化剂层阻力不加大，必须要升温硫磺制酸装置。硫磺制酸装置中的转化系统一般不会将焚硫炉升温过程中产生的油烟掺杂其中。为了防止因升温时出现的油烟对催化剂产生影响，要尽量避免油烟污染催化剂的使用，而要经过调节让转化器干空气压力大于煮炉烘炉烟气压力。
3.3除雾器
干吸塔有很多种不同的结构，除雾器设置在塔内结构上，分酸器、填料以及支承填料格栅等设在塔内结构下部。不仅如此，除雾器还设置在干燥塔、第一吸收塔、第二吸收塔上。在整个生产系统压力降中，总压力降占据了很大的比重，且随着运行而不断增加，会大幅度影响到能耗。我国不仅引入了很多除雾器，也进行了除雾器的自行开发，选择具有较好质量、压力降小，且方便采购更换、性价比高的除雾器，有助于硫酸生产能耗的降低。
3.4焚硫炉
在硫磺制酸装置中，约5m内径、长约16m的卧式焚硫炉最为常用，轻质保温砖与粘土耐火砖在其外部，耐火层结构与石棉板在其内部。针对这样的焚硫炉，为了让焚硫炉受热产生的热应力得到消除，必须要对设备设置砌体膨胀缝。与此同时，还要设置三道内层耐火砖挡墙在焚硫炉内部，为硫磺充分燃烧提供重要保障。焚硫炉一般采取环板式膨胀结构，出气口与工艺管道处于连接状态，来进一步提高设备的密封性、完好性。若想确保焚硫炉在受热过程中可以实现伸缩自由，要进行基础垫板鞍式支座设置安装。一般而言，若要在温度变化过程中滑动自由，都是直接在基础垫板上安装鞍座，只需要焊接固定焚硫炉出气口的鞍座与垫板[2]。
3.5转化器
在硫磺制酸装置中，积木式转化器结构较为常见，一般采用304L不锈钢材质，从上至下按照四、三、二、一布置转化器结构，增加各段进出口管膨胀结，对转化器进出口温度高、应力大的出口处，必须要采取保温、防雨等保护措施。在开车时，其有着很大的温度变化，设备受热产生应力，在焊缝处拉裂泄漏现象极易出现，且因为烟气中含有硫化物和温差较大，有很大的修补难度。通过合理布置，让转化器床层转化系统的管道长度有效缩减，促使投资费用、管道阻力有所下降。
4硫磺制酸装置废热利用与节能
在硫磺制酸装置设计中，废热利用与节能是需要重点考虑的问题，也是硫酸工业技术开发中的重点内容。
4.1硫磺制酸装置的废热
在硫磺制酸过程中，硫磺燃烧进而产生二氧化硫，二氧化硫经过氧化形成三氧化硫，三氧化硫经过放热反应生成了硫酸产品。在这个过程中，很多不被工艺生产利用的热量就叫做废热。从热量衡算方面分析，一般情况下的硫磺制酸装置生产的产品硫酸(w(H2SO4)=100%，下同)中，每吨硫磺燃烧热与二氧化硫氧化反应后产生的热量一共为4000MJ左右，在干吸工序中产生的压缩热大约为1670～1750MJ，其中包括了干吸工序中的生成热、混合热以及鼓风机压缩气体产生的压缩热等。由于其流程、参数不同，其热值也存在一定的差异性。前者中高、中温热在总反应热中占据了70%左右，针对这些热量生产蒸汽与电气的回收，不仅可以满足硫磺制酸本身运行中需要的蒸汽与电力，还会有很多剩余，这些热量可以转用到其他部门。根据对最近几年来我国硫磺制酸装置的利用与消耗情况的分析来看，将生产需要的电力、蒸汽、冷却水等硫酸生产过程中需要的能量扣除掉，将生产过程中的热损失扣除掉，每吨产品可以提供2650～2980MJ给外部。根据硫铁矿制酸中每吨产品可提供1200～1500MJ能量给外部，折标准煤为40～51kg范围内，也就是说硫磺制酸装置向外部提供的能力可折标准煤为90～100kg。以一座800kt/a硫酸的硫磺制酸装置为例，每年向外提供的能量可以折72～80kt标准煤，如果将干吸工序中产生的低温热回收，或有其他回收系统设置，将会提供更多能量给其他部门。
4.2回收与利用废热
目前，在硫磺制酸过程中产生的高温废热与中温废热回收与利用受到重视。如果将装置中的各种废热充分回收，尽可能避免生产中的热损失，高、中温热转化为低温热的情况减少，可以促使高、中温废热的回收率得到提高，且让蒸汽产生更多。在选择锅炉机组的过热蒸汽压力等级时，可以充分考虑装置规模、蒸汽管网以及客户的实际要求等多个方面[3]。压力等级越高，对发电效率的提高更加有利。针对干吸工序中产生的低温热回收利用问题，在很早之前就开始了研究与探索。某企业曾经设计利用酸冷却器进行低温热产生热水的回收，还有一些企业将低温热产生热水回收后，提供给周边企业使用，但这些低温热产生的热水并不具备较高温度，用途也不多，利用率不高。所以，要进行新工艺技术的开发，为吸收系统生成硫酸的反应热保持在高、中温工况下提供保障，尽量不让其转化为低温热，有效提高反应热的利用率。
4.3节能
在硫磺制酸过程中，节能属于重点考虑的问题。我国硫磺制酸企业在动力消耗方面呈现出较大差异性。导致这一现象的原因众多，但硫磺制酸装置设计的影响在其中占据了重要位置，企业管理也同样需要重视。部分企业电耗较低，不仅是因其管理水平较高，有独到的建厂理念，其在工艺技术、生产过程、选择的设备等方面都十分理性务实。因此，硫磺制酸装置的节能效果较好，值得总结并大力推广。在项目前期准备工作中，相关工作人员要深入评估节能问题，确保技术方案在节能方面的合理性与有效性。首先，要进行先进可靠、节省能源的技术与设备的合理选择，将不符合我国国情、高能耗、能源浪费情况较重的技术与设备淘汰，积极开发与应用节能效果明显的新技术。比如，在硫磺制酸装置中，鼓风机、酸泵就有很多节能机型可以选择，如：汽轮机-鼓风机组、高压电动鼓风机以及具有PLC控制的智能化变频系统的酸泵等。值得注意的是，在选择各种电气设备与元件过程中，要根据相关的节能规范与要求，确保选择的产品具有低能耗特点[4]。比如在高、低压开关柜、操作箱、各种电缆等的选择中，要选择低能耗产品。要想供电系统的功率因数有所提高，促使无功损耗降低，可以进行相关电力电容器的装设。为了让系统中的能耗有所下降，工作人员可以对回收蒸汽的冷凝水作为锅炉给水进行考虑，在保温材料与保温结构的选择构建中，要选择具有较好绝缘性的材料，并精心设计与施工作业，促使设备与管道热损失下降，促进热效率进一步提升。
5硫磺制酸工艺的优化改进
5.1优化控制焚硫炉风硫比
风硫比要控制其合理性，才能有效避免出现硫燃烧不完全生成升华硫的问题。一旦升华硫出现在转化器一段，出现局部燃烧情况，会让一段催化剂存在少量超温烧结，进而增加其阻力。在正常操作过程中，要对风机出口风压进行考虑，并对短期开车、停车的操作方式进行调节。在短期停车过程中，为了避免升华硫的产生，断液硫后要减小风机负荷到最小值，持续吹3min后才能停止；在停车之后，要利用干燥的空气吹尽液硫管中的液硫，同时保证液体硫磺管道蒸汽伴热正常运行；在系统停车之后，应将转化各阀门关闭，防止出现对流将水分带入其中，导致焚硫、转化温度下降。在开车过程中，要启动风机1min后开始喷硫作业，根据风压、焚硫炉温度等各项因素来调节喷硫量，有效防止升华硫的产生[5]。
5.2改进焚硫转化升温操作方式
升温转化催化剂、焚硫炉升温操作方式都会严重影响催化剂，如果升温方式不正确、不合理，可能会增加催化剂层阻力。某企业在转化升温中采用间接升温系统，与蓄热式直接升温方式相比，这样的方式可以更好地避免转化器中进入油烟、水分。在焚硫炉升温过程中，出口温度小于400℃，系统中不进入升温气体，放空锅炉尾部放空管，促使柴油燃烧后的油烟、水分尽量不进入系统，确保开车后转化器的阻力保持正常，保证其稳定运行。大修之后的升温过程一般会先转化升温，转化系统不会进入焚硫炉升温过程中产生的油烟。但是，在锅炉煮炉或者焚硫炉烘炉过程中，焚硫炉应同时进行转化升温，以免催化剂被油烟所污染，经过调节让转化器内的干空气压力比煮炉烘炉烟气压力更大，进而有效避免出现催化器被升温时产生的油烟污染的情况。同时，在转化器一段进口及四段进口增加增加升温电炉，对转化器进行升温。在满足升温要求的情况下，电炉升温方式更为环保，同时增加消除了污染系统的风险。
5.3筛分、装填管理催化剂
某企业的硫磺制酸装置主要采用的是丹麦托普索(VK系列)催化剂，这种催化剂具有较小的堆密度，且有着较高强度，减小床层阻力。在进行筛分与装填时，应尽量用最短时间来操作，尽可能地避免催化剂吸潮、粉化的问题，避免降低机械强度。在筛分催化剂时，应提前进行堆放场地的防水、防雨等工作，然后将大修筛分催化剂过程中需要用到的催化剂进行装袋。在搬运催化剂时，不可采用吊包方式，由专人轻拿轻放进行码包堆放，且不能踩在催化剂上进行堆码。完成筛分后要由专人将碎的催化剂护送到指定位置，以免催化剂中混入碎催化剂。在装填过程中，针对规格为200L/桶的新催化剂要先进行分装然后再开展装填工作，以免在装填过程中出现破包、踩踏等问题。装填过程中，要及时将掉落在门口或通道中的催化剂处理干净[6]。要站在木板上进行分层装填或找平，清理扎口绳，让其在转化器之外，完成装填后要对各人孔进行及时封闭。针对筛分与装填催化剂工作，企业管理人员必须要加强监督与管控工作，尤其是装填过程中不可在催化剂上走动、踩踏，有效避免催化剂被踩碎、踩实，增加开车后的阻力。
5.4促使转化器箅子板压降下降
一般情况下，转化器内各段支撑箅子板、筛网以及耐热瓷球压降保持在150Pa左右，这一部位在运行过程中压降很容易上涨。在装填下部瓷球时，催化剂底部瓷球要发挥其支撑作用，对催化剂床层进行支撑，还要避免下漏小颗粒的催化剂堵塞出气口。如果不进行催化剂下部瓷球装填作业，与筛网直接接触，由于筛网网眼很小，催化剂不具备较强的抗压强度与黏结性，很容易出现粉尘与小碎片，进而发生筛网网眼堵塞的情况，进而升高床层压降。减少装填原箅子板上耐热瓷球，先铺设一层筛网在箅子板上，再铺设耐热瓷球，再铺设一层筛网，然后进行催化剂装填，可以让氧化物或粉尘堵塞问题发生的可能性降低。
5.5优化制酸尾气处理系统
随着国家环保管控越来越严格，尤其是部分地区属于执行大气污染物特别排放限值的地域范围，对环保指标要求更加严格，需要对硫酸尾气排放进行严格管控。目前，主要采用的处理方法为氨法吸收、双氧水法和钠碱法[7]。其中氨法吸收产品可作为产品处理，但在生产过程中控制不当会导致尾气“拖尾”严重；双氧水吸收脱硫效率高，但对生产装置水系统平衡要求较高；钠碱法吸收效果好，运行成本低，但副产亚硫酸钠不易处理，但如果周围有氯碱生产装置，可为其提供亚硫酸钠处理尾氯使用。6结语硫磺制酸装置的高效运行离不开相关设备、制酸工艺与管理手段的优化。目前，我国硫磺制酸工艺逐渐成熟，随着科技不断发展，相关工作人员要对硫磺制酸装置的高效运行进行深入探索，提高硫磺制酸装置的现代化水平，提高其节能减耗性能，提高装置自动化程度，为企业创造更大的综合效益，促进我国硫酸工业可持续健康发展。
参考文献：
[1]郑丹，周双龙，李飞阔，等.硫磺制酸装置高温气体管道膨胀节的优化设计[J].硫磷设计与粉体工程，2022(01)：27-30.
[2]李游，黄应文.硫磺制酸装置脱盐水站性能优化实践[J].硫酸工业，2021(06)：34-36.
[3]丁华.无干燥塔的硫磺制酸装置[J].硫酸工业，2021(01)：6-10.
[4]刘祥蒽.硫磺制酸装置高效运行探索[J].硫磷设计与粉体工程，2020(05)：7-9.
[5]张旭光.浅议硫磺制酸装置中流量计的选用[J].硫酸工业，2019(12)：50-53，56.
[6]陈小兰.硫磺制酸装置节能改造实践[J].硫酸工业，2019(02)：53-56.
[7]张文文.硫酸装置尾气处理改造生产实践[J].硫酸工业，2021(01)：43-45.
作者:王存申 孙兆辉 单位:聊城鲁西甲胺化工有限公司