CN110950310A - 一种双联换热低浓度二氧化硫的制酸装置及制酸方法 - Google Patents
一种双联换热低浓度二氧化硫的制酸装置及制酸方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种双联换热低浓度二氧化硫的制酸装置及制酸方法，利用两个换热器对低温二氧化硫进行预热，而热源是氧化后的三氧化硫，利用自身反应产生的热能使低温二氧化硫达到催化剂起燃温度，具有操作简单、对低浓度SO2烟气适用性强、转化率高、设备投资少、运行费用低等优点。
Description
技术领域：
本发明涉及工业废气环保治理领域和冶炼烟气制酸领域，主要涉及的是一种双联换热低浓度二氧化硫的制酸装置及制酸方法。
背景技术：
矿物冶炼过程中会产生大量的SO2 烟气，如果不对烟气进行脱硫处理，直接排入大气，会对环境造成极大的污染，对人类、动植物、建筑物都会造成严重的危害。根据国家《大气污染防治法》要求，必须对焙烧烟气进行脱硫处理，以控制SO2、NOx、颗粒物排放量，改善大气环境质量。
SO2是制取工业硫酸的原材料，将矿物冶炼过程产生的SO2烟气进行回收处理制取工业硫酸，不但可解决焙烧烟气脱硫达标排放的环保问题，更可以变废为宝，增加经济效益。
硫酸行业内常见常规制酸法一般用于处理SO2浓度3.5%以上的烟气，对于低浓度SO2 （2.3%-3.3%）烟气由于反应热较低而难以维持自热平衡。
前苏联发明的非稳态制酸工艺可用于处理2.3%-3.2%的低浓度SO2烟气，但其工艺流程中依靠外置换向阀***实现转化塔的热量平衡，维持转化工序的自热反应。该换向阀***存在换向期间SO2短路逃逸问题，致使***SO2转化率仅仅达到90%左右，剩余10%左右的SO2无法有效转化为工业硫酸，造成SO2利用率低。剩余10%左右的未转化SO2需经过尾气吸收塔用纯碱溶液中和吸收后才能达标排放，增加了运行成本。原有换向传热转化技术使转化塔内气流方向频繁切换、催化剂温度大幅波动，造成催化剂粉化失活，严重影响催化剂使用寿命。
湿法制酸工艺因关键技术和装置仍依赖于进口，因此设备投资费用大；且转化工序因反应热较低难以维持自热平衡，而需外部补热，因此运行费用高。
离子液法制酸工艺流程较长，设备投资大，且因冶炼烟气杂质含量大而使离子液再生率较低、使用寿命短，造成运行费用较高。
发明内容：
为了克服上述的不足，本发明提供了一种双联换热低浓度二氧化硫的制酸装置及制酸方法，具有操作简单、对低浓度SO2烟气适用性强、转化率高、设备投资少、运行费用低等优点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：
一种双联换热低浓度二氧化硫的制酸装置，包括转化塔、加热炉和双联换热器，转化塔的内部设有隔断层，隔断层将转化塔分为上、下两层；
转化塔上层内部设有二段催化剂，二段催化剂将转化塔的上层分隔形成二段下腔和二段上腔，二段下腔的侧壁上设有第五接口；
转化塔下层内部设有一段催化剂，一段催化剂将转化塔的下层分隔形成一段下腔和一段上腔，一段上腔的侧壁上设有第六接口；
双联换热器包括第一换热器和第二换热器，第一换热器和第二换热器两端均设有隔板，隔板将换热器分隔为上室、中室和下室，中室内设有若干贯穿隔板且连通上室和下室的换热管，上室的侧壁上设有第四接口，下室的侧壁上设有第二接口，中室的上端侧壁设有第三接口，下端侧壁设有第一接口；
所述第一换热器竖直嵌套在转化塔内，第一换热器的第三接口和第四接口位于转化塔上层的二段上腔内，且第一换热器的第三接口的端部延伸出二段上腔的侧壁；第一换热器的第一接口位于转化塔下层的一段上腔内，且第一换热器的第一接口的端部延伸出一段上腔的侧壁；第一换热器的第二接口位于转化塔下层的一段下腔内。
所述转化塔上层的二段下腔侧壁上的第五接口通过管道与第二换热器的上室侧壁上的第四接口连接；
第一换热器的第一接口与转化塔下层的一段上腔侧壁上的第六接口连接；
第一换热器的第三接口与第二换热器的第三接口通过管道连通；
第二换热器的第一接口与二氧化硫的进气管道连通；
第二换热器的第二接口与吸收塔通过管道连接。
一种双联换热低浓度二氧化硫的制酸装置的制酸方法，包括如下步骤：
A、在开车准备阶段，利用加热炉对转化塔的一段催化剂进行升温，升温开始必须缓慢进行，控制一段催化剂的进口每小时升温10-15℃；当达到300℃时升温进一步放缓，使一段催化剂按每小时升温5-10℃；当一段催化剂的进口温度达到420℃时，即可通知联动开车，并停止加热炉供热；
B、低浓度二氧化硫通过第二换热器的第一接口流入到第二换热器的中室，二氧化硫在第二换热器的中室内向上移动至第二换热器的第三接口后通过管道进入第一换热器的第三接口和中室，二氧化硫在第一换热器的中室内向下移动至第一换热器的第一接口后通过管道进入转化塔的第六接口和一段上腔，此时二氧化硫在一段催化剂的作用下发生氧化反应，生成二氧化硫和三氧化硫的混合气体，混合气体通过一段催化剂进入转化炉的一段下腔，随即又依次通过第一换热器的第二接口、下室、换热管、上室和第四接口进入到转化塔的二段上腔，此时混合气体的温度较高能够与二段催化剂反应，进一步实现二氧化硫的氧化，氧化后的二氧化硫转化成三氧化硫进入转化塔的二段下腔，随后依次通过第五接口和管道进入第二换热器的第四接口、上室、换热管、下室和第二接口，最后通过管道进入吸收塔。
由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性：
本发明提供了一种双联换热低浓度二氧化硫的制酸装置及制酸方法，利用两个换热器对低温二氧化硫进行预热，而热源是氧化后的三氧化硫，利用自身反应产生的热能使低温二氧化硫达到催化剂起燃温度，具有操作简单、对低浓度SO2烟气适用性强、转化率高、设备投资少、运行费用低等优点。
附图说明：
图1是本发明转化塔的整体结构示意图；
图2是双联换热器的示意图；
图3是本发明的制酸工业流程图；
图中：1、转化塔；2、第二换热器；3、第一换热器；4、隔断层；5、第五接口；6、二段催化剂；7、一段催化剂；8、二段下腔；9、一段上腔；10、二段上腔；11、一段下腔；12、中室；13、换热管；14、第一接口；15、第二接口；16、上室；17、隔板；18、下室；19、第三接口；20、第四接口；21、第六接口。
具体实施方式：
通过下面实施例可以更详细的解释本发明，公开本发明的目的旨在保护本发明范围内的一切变化和改进，本发明并不局限于下面的实施例；
结合附图所述的一种双联换热低浓度二氧化硫的制酸装置，包括转化塔1、加热炉和双联换热器，加热炉为开车初期阶段的一段催化剂6加热，保证在初期没有换热的情况项，催化剂能够达到起燃温度，确保氧化反应进行，转化塔1的内部设有隔断层4，隔断层4将转化塔1分为上、下两层；
转化塔1下层内部设有一段催化剂7，一段催化剂7将转化塔1的下层分隔形成一段下腔11和一段上腔9，一段上腔9的侧壁上设有第六接口21；在转化塔1的下层实现对二氧化硫的第一次氧化。
转化塔1上层内部设有二段催化剂6，二段催化剂6将转化塔1的上层分隔形成二段下腔8和二段上腔10，二段下腔8的侧壁上设有第五接口5；在在转化塔1的上层实现对混合气体中残留的二氧化硫的第二次氧化。
双联换热器包括第一换热器3和第二换热器2，第一换热器3和第二换热器2两端均设有隔板17，隔板17将换热器2；3分隔为上室16、中室12和下室18，中室12内设有若干贯穿隔板17且连通上室16和下室18的换热管13，上室16的侧壁上设有第四接口20，下室18的侧壁上设有第二接口15，中室12的上端侧壁设有第三接口19，下端侧壁设有第一接口14；
所述第一换热器3竖直嵌套在转化塔1内，第一换热器3的第三接口19和第四接口20位于转化塔1上层的二段上腔10内，且第一换热器3的第三接口19的端部延伸出二段上腔10的侧壁；第一换热器3的第一接口14位于转化塔1下层的一段上腔9内，且第一换热器3的第一接口14的端部延伸出一段上腔9的侧壁；第一换热器3的第二接口15位于转化塔1下层的一段下腔11内。
由于二氧化硫氧化为三氧化硫的反应时放热反应，所以为了充分利用反应产生的热量，采用双联换热器将高温的三氧化硫气体与低温的二氧化硫气体进行两次换热，使低温的二氧化硫气体温度达到氧化反应时催化剂的起燃温度，这样就可以不再对催化剂进行加热，达到节约能源的目的，同时实现对三氧化硫气体进行降温的目的。
同时，由于第一换热器3合理的嵌套在转化炉1中，转化炉1又采用两段式催化氧化，能够使第一次氧化反应时未来得及反应的二氧化硫再次进行氧化，从而确保二氧化硫尽可能多的转化为三氧化硫，提高了二氧化硫的转化率。
第二换热器2的第一接口14与二氧化硫的进气管道连通；
所述转化塔1上层的二段下腔8侧壁上的第五接口5通过管道与第二换热器2的上室16侧壁上的第四接口20连接；二段下腔8中的气体就是高温的三氧化硫气体，高温的三氧化硫气体通过第二换热器2的第四接口20进入第二换热器2的上室16和换热管13，与第二换热器2的中室12中的低温二氧化硫形成对流，实现二氧化硫的第一次热交换。
第一换热器3的第三接口19与第二换热器2的第三接口19通过管道连通；第一次热交换后的二氧化硫通过第一换热器3的第三接口19进入第一换热器3的上室16和中室12，此时二氧化硫又与第一换热器3的换热管13中的经过一次氧化反应的高温混合气体进行二次换热，两次换热使二氧化硫气体的温度达到了催化剂的起燃温度，因此可以不再从外接对催化剂进行供热。
第一换热器3的第一接口14与转化塔1下层的一段上腔9侧壁上的第六接口21连接；将二次换热的二氧化硫引入一段上腔9，进而与一段催化剂7发生氧化反应。
第二换热器2的第二接口15与吸收塔通过管道连接，将降温后的三氧化硫气体引流到吸收塔中。
一种双联换热低浓度二氧化硫的制酸装置的制酸方法，包括如下步骤：
A、在开车准备阶段，由于催化剂温度较低，且二氧化硫还未参与换热，所以需要利用加热炉对转化塔1的一段催化剂7进行升温，升温开始必须缓慢进行，控制一段催化剂7的进口每小时升温10-15℃；当达到300℃时升温进一步放缓，使一段催化剂7按每小时升温5-10℃；当一段催化剂7的进口温度达到420℃时，即可联动开车，此时的一段催化剂7已经达到了氧化反应的起燃温度，低温低浓度的二氧化硫也能够氧化为三氧化硫，此时可以关闭加热炉；
B、低浓度二氧化硫通过第二换热器2的第一接口14流入到第二换热器2的中室12，由于此时还是开始阶段，还没有高温的三氧化硫气体生产，故此时二氧化硫在中室12中不能参与热交换，二氧化硫在第二换热器2的中室12内向上移动至第二换热器2的第三接口19后通过管道进入第一换热器3的第三接口19和中室12，同样，此时二氧化硫也不能换热，二氧化硫在第一换热器3的中室12内向下移动至第一换热器3的第一接口14后通过管道进入转化塔1的第六接口21和一段上腔9，此时二氧化硫在一段催化剂7的作用下发生氧化反应，生成二氧化硫和三氧化硫的混合气体，混合气体通过一段催化剂7进入转化炉1的一段下腔11，随即又依次通过第一换热器3的第二接口15、下室18、换热管13、上室16和第四接口20进入到转化塔1的二段上腔10，此时混合气体虽然与第一换热器3的中室中的二氧化硫进行了热交换，但是混合气体的温度仍能够与二段催化剂6反应，进一步实现二氧化硫的氧化，氧化后的二氧化硫转化成三氧化硫进入转化塔1的二段下腔8，随后依次通过第五接口5和管道进入第二换热器2的第四接口20、上室16、换热管13、下室18和第二接口15，最后通过管道进入吸收塔；当三氧化硫第二换热器2流经换热管13后，位于第二换热器2的中室12中的二氧化硫便可以与其进行第一次热交换。
上述过程只是制酸过程的开始，为了让氧化反应顺利进行，故需要在反应开始阶段接入加热炉对催化剂进行加热，使低温的二氧化硫能顺利发生氧化反应，随着氧化反应的发生，氧化过程中发出的热量也越来越多，这些热量通过三氧化硫气体与低温的二氧化硫气体进行热交换，待反应逐渐平稳，经过两次换热的二氧化硫的温度能够达到催化剂的起燃温度时，起燃温度一般为400度，加热炉就可以停下，整个装置就可以达到反应热能够维持转化反应的自热平衡，此时二氧化硫的转化率在97%以上。
转化率的测量方法：
转化率是指SO2通过转化工序转化为SO3的效率，是监视测量制酸***效率的关键指标。
二氧化硫既有氧化性又有还原性，在分析二氧化硫时，是利用它的强还原性，用碘量法测定，化学反应式为：SO2+I2+2H2O=H2SO4+2HI。
该方法以淀粉为指示剂，用一定量的碘标准溶液吸收气体中的SO2，溶液中的碘吸附淀粉呈蓝色，通入SO2气体直至吸收的SO2刚好与碘反应完全，溶液立即由蓝色变为无色为终点。通常用量气管收集不能与碘反应的余气，根据碘的用量和余气的体积计算出气体中SO2的含量。
根据余气体积和温度计算SO2含量：
V——碘溶液的用量ml
V0——标准状态下余气体积ml
C——碘标准溶液的物质的量浓度mol/L
10.945——每毫molSO2所占的气体体积ml
（1）转化率计算
A——入口气体中SO2含量%
B——出口气体中SO2含量%
进口气体二氧化硫浓度的采集如表1
| 进口气体体积V<sub>0</sub>（mL） | 碘标液浓度C（mol/L） | 碘标液用量V（mL） | 进口SO<sub>2</sub>浓度A（%） |
| 170 | 0.1 | 5.00 | 3.12 |
| 175 | 0.1 | 5.00 | 3.03 |
| 180 | 0.1 | 5.00 | 2.95 |
| 185 | 0.1 | 5.00 | 2.87 |
| 190 | 0.1 | 5.00 | 2.80 |
表
将表1中的数据代入上述公式（1），最后可以求得进口SO2的平均浓度A=2.954%。
出口气体二氧化硫浓度的采集如表2
| 出口气体体积V<sub>0</sub>（mL） | 碘标液浓度C（mol/L） | 碘标液用量V（mL） | 出口SO<sub>2</sub>浓度B（%） |
| 220 | 0.01 | 2.00 | 0.099 |
| 230 | 0.01 | 2.00 | 0.095 |
| 240 | 0.01 | 2.00 | 0.091 |
| 250 | 0.01 | 2.00 | 0.087 |
| 260 | 0.01 | 2.00 | 0.084 |
表2
将表2中的数据代入上述公式（1），最后可以求得进口SO2的平均浓度B=0.0912%。
将表1中求出的SO2的平均浓度A和表2中求出的SO2的平均浓度B代入到公式（2）中，求得的转化率为97.05%。
通过上述实验数据可以得知，本发明所述的制酸方法能够达到预期效果。
以上内容中未细述部份为现有技术，故未做细述。
Claims (3)
1.一种双联换热低浓度二氧化硫的制酸装置，包括转化塔（1）、加热炉和双联换热器，其特征在于：转化塔（1）的内部设有隔断层（4），隔断层（4）将转化塔（1）分为上、下两层；
转化塔（1）上层内部设有二段催化剂（6），二段催化剂（6）将转化塔（1）的上层分隔形成二段下腔（8）和二段上腔（10），二段下腔（8）的侧壁上设有第五接口（5）；
转化塔（1）下层内部设有一段催化剂（7），一段催化剂（7）将转化塔（1）的下层分隔形成一段下腔（11）和一段上腔（9），一段上腔（9）的侧壁上设有第六接口（21）；
双联换热器包括第一换热器（3）和第二换热器（2），第一换热器（3）和第二换热器（2）两端均设有隔板（17），隔板（17）将换热器（2；3）分隔为上室（16）、中室（12）和下室（18），中室（12）内设有若干贯穿隔板（17）且连通上室（16）和下室（18）的换热管（13），上室（16）的侧壁上设有第四接口（20），下室（18）的侧壁上设有第二接口（15），中室（12）的上端侧壁设有第三接口（19），下端侧壁设有第一接口（14）；
所述第一换热器（3）竖直嵌套在转化塔（1）内，第一换热器（3）的第三接口（19）和第四接口（20）位于转化塔（1）上层的二段上腔（10）内，且第一换热器（3）的第三接口（19）的端部延伸出二段上腔（10）的侧壁；第一换热器（3）的第一接口（14）位于转化塔（1）下层的一段上腔（9）内，且第一换热器（3）的第一接口（14）的端部延伸出一段上腔（9）的侧壁；第一换热器（3）的第二接口（15）位于转化塔（1）下层的一段下腔（11）内。
2.根据权利要求1所述的一种双联换热低浓度二氧化硫的制酸装置，其特征在于：所述转化塔（1）上层的二段下腔（8）侧壁上的第五接口（5）通过管道与第二换热器（2）的上室（16）侧壁上的第四接口（20）连接；
第一换热器（3）的第一接口（14）与转化塔（1）下层的一段上腔（9）侧壁上的第六接口（21）连接；
第一换热器（3）的第三接口（19）与第二换热器（2）的第三接口（19）通过管道连通；
第二换热器（2）的第一接口（14）与二氧化硫的进气管道连通；
第二换热器（2）的第二接口（15）与吸收塔通过管道连接。
3.一种如权利要求2所述的双联换热低浓度二氧化硫的制酸装置的制酸方法，其特征在于：包括如下步骤：
A、在开车准备阶段，利用加热炉对转化塔（1）的一段催化剂（7）进行升温，升温开始必须缓慢进行，控制一段催化剂（7）的进口每小时升温10-15℃；当达到300℃时升温进一步放缓，使一段催化剂（7）按每小时升温5-10℃；当一段催化剂（7）的进口温度达到420℃时，即可联动开车，并关闭加热炉；
B、低浓度二氧化硫通过第二换热器（2）的第一接口（14）流入到第二换热器（2）的中室（12），二氧化硫在第二换热器（2）的中室（12）内向上移动至第二换热器（2）的第三接口（19）后通过管道进入第一换热器（3）的第三接口（19）和中室（12），二氧化硫在第一换热器（3）的中室（12）内向下移动至第一换热器（3）的第一接口（14）后通过管道进入转化塔（1）的第六接口（21）和一段上腔（9），此时二氧化硫在一段催化剂（7）的作用下发生氧化反应，生成二氧化硫和三氧化硫的混合气体，混合气体通过一段催化剂（7）进入转化炉（1）的一段下腔（11），随即又依次通过第一换热器（3）的第二接口（15）、下室（18）、换热管（13）、上室（16）和第四接口（20）进入到转化塔（1）的二段上腔（10），此时混合气体的温度较高能够与二段催化剂（6）反应，进一步实现二氧化硫的氧化，氧化后的二氧化硫转化成三氧化硫进入转化塔（1）的二段下腔（8），随后依次通过第五接口（5）和管道进入第二换热器（2）的第四接口（20）、上室（16）、换热管（13）、下室（18）和第二接口（15），最后通过管道进入吸收塔。
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