一种高浓度SO2气体预转化制硫酸的装置的制作方法

本实用新型属于化工领域，涉及一种硫酸工业中SO2接触法制硫酸工艺，具体涉及一种高浓度SO2气体预转化制硫酸的装置。

背景技术：

近年来，随着有色冶炼技术的飞速发展,冶炼烟气SO2浓度越来越高,烟气中SO2浓度在20％以上已成为现实。常用回收法脱硫工艺主要有:碱式硫酸铝解吸法、柠檬酸钠法、氧化镁回收法、亚硫酸钠循环法、有机胺法、离子液循环吸收法等，可产生出高纯SO2气体。

对于SO2氧化生成SO3的催化反应来说，通常用V2O5作为催化剂的活性组分，其工作温度范围在380～640℃之间，然而在640℃以上，对催化剂造成不可逆转的损害，而催化剂在380℃以下没有活性。由于氧化反应是放热反应，高浓度SO2气体的使用会在催化剂床层中产生过高的温度，考虑到催化剂的耐温性能以及设备安全问题，均要求进入转化工序的气体中(SO2)小于12％。若采用通过加入空气将气体中的SO2浓度稀释到12％以下的工艺，则由于进入转化工序的总气量大幅增加，从而造成系统设备规格加大，投资增加，同时运行成本也大幅增加,而且会降低转化工序的热能回收率。

在制酸技术发展历程中,进转化器气体SO2浓度通常反映制酸装置转化工艺的先进性, 也标志着装置的现代化水平。随着转化技术的发展,进转化器气体已从20世纪50年代的(SO2)5％提高到现在的20％以上。

因此，经济有效的高浓度SO2气体转化制硫酸工艺成为制酸领域研究的热点问题。

在目前投入工业化生产的高浓度SO2烟气转化工艺中，国外公司采用的技术主有:1、奥图泰公司的循环转化工艺；2、孟莫克公司的“预转化工艺”；3、拜耳公司的预转化预吸收工艺。国内公司采用的技术主要有:1、“预转化预吸收工艺”；2、“非衡态”高浓度SO2转化技术。

奥图泰公司的循环转化工艺：利用一次转化后的循环烟气抽出一部分通过循环风机返回一次转化入口,与高浓度SO2烟气混合的转化工艺。该工艺利用一次转化后形成SO3混入一次转化入口烟气中抑制SO2转化率,从而控制一段出口工艺气温度不超过催化剂能耐受的上限温度。

孟莫克公司的“预转化工艺”引出一部分高浓度SO2烟气与经过空气干燥塔干燥后的空气混合至12％左右后进预转化进行SO2平衡转化,转化后的含SO3烟气与分流前的主 SO2烟气进行混合成SO2浓度12％的烟气再进主转化系统。分流转化后的烟气与未进预转化的烟气相混,一方面能降低进主转化系统的SO2浓度；另一方面能利用部分经过预转化形成的SO3抑制后续SO2转化率来控制主转化一段出口工艺气温度不超过催化剂能耐受的上限温度。

拜耳公司的预转化预吸收工艺—准等温接触高浓度SO2烟气制酸工艺：引出部分高浓度SO2烟气经过预转化器,预转化后的SO2气体经过预吸收塔吸收掉产生的SO3后再与未引出的高浓度SO2烟气混合至SO2含量为9％～11％的烟气进主转化系统。预转化器采用列管式固定床反应器，传统钒催化剂装在管内，冷却介质在壳程流动，氧化过程放出的热量被连续移走，从而使催化剂始终处于可承受的最高温度以下。反应器的转化率通过控制冷却介质的温度加以调节。

“预转化预吸收工艺”：引出一部分高浓度SO2烟气与经过空气干燥塔干燥后的空气混合至12％左右后进预转化进行SO2平衡转化,转化后的含SO3烟气进入预吸收塔吸收掉预转化形成的SO3,预吸收后烟气与分流前的主SO2烟气进行混合成SO2浓度12％的烟气再进主转化系统。预转化预吸收有利于提高进入系统烟气中的SO2浓度。

“非衡态”高浓度SO2转化工艺：以催化剂的装填量来控制预转化出口烟气所能达到的最高温度,预转化后形成的SO3直接进入主转化系统。利用预转化形成的SO3抑制主转化一段出口工艺气温度不超过催化剂能耐受的上限温度,使得进入系统的烟气SO2浓度能高于传统转化系统烟气中的SO2浓度。

技术实现要素：

本实用新型是针对上述存在的技术问题提供一种高浓度SO2预转化制硫酸的装置及方法，在预转化系统中，利用O2含量不足抑制SO2转化，部分SO2转化反应生成SO3；在主转化系统中，预转化反应生成SO3在主转化抑制SO2转化。且该工艺能够处理高浓度SO2气体，不会使高浓度SO2气体在催化剂床层中产生过高的温度，满足工艺气温度不超过催化剂使用上限温度要求。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案实现：

一种高浓度SO2气体预转化制硫酸的方法，该方法包括如下步骤：

a、经过干燥塔干燥后高浓度SO2气体与干燥空气混合，形成(O2)小于6％的工艺气体进入预转化系统；在预转化系统中工艺气中部分SO2预转化生成SO3；

b、预转化系统出口工艺气与干燥空气混合，混合后工艺气进入主转化系统，在主转化系统中工艺气中SO2转化生成SO3；

c、主转化系统的转化出口含SO3工艺气体送入吸收塔，在吸收塔中SO3反应生成硫酸。

本实用新型技术方案中：高浓度SO2气体中(SO2)为12％～100％，高浓度SO2气体中(O2)小于6％。

本实用新型技术方案中：预转化系统为n次的预转化系统，其中n＝1或2。

在一些具体的技术方案中：n＝1，一次预转化系统包含一个催化剂床层；或n＝2，一次预转化系统包含一个催化剂床层，二次预转化系统包含一个催化剂床层。

本实用新型技术方案中：主转化系统为m次的转化系统，其中m＝1或2。

在一些具体的技术方案中：m＝1，一次转化系统包含两个或三个催化剂床层；或m＝2，一次转化系统包含两个或三个催化剂床层，二次转化系统包含一个或两个催化剂床层。

本实用新型技术方案中：m＝1，一次转化系统出口工艺气送入一次吸收塔，在一次吸收塔中SO3反应生成硫酸；或m＝2，在进入二次转化系统之前，一次转化系统出口工艺气送入一次吸收塔，在一次吸收塔中SO3反应生成硫酸；二次转化系统出口工艺气送入二次吸收塔，在二次吸收塔中SO3反应生成硫酸。

本实用新型技术方案中：进入转化系统SO2折算浓度(SO2)为12％～30％。

本实用新型技术方案中：转化系统由预转化系统和主转化系统组成；进入转化系统 SO2折算浓度是进入转化系统高浓度SO2气体中SO2量占进入转化系统高浓度SO2气体和进入转化系统空气总量的摩尔百分数。

一种用于实现上述方法的装置，该装置包括包括预转化系统、主转化系统和空气干燥塔，SO2气体干燥塔的输出管道与预转化系统相连，所述的预转化系统与主转化系统相连，所述的主转化系统的输出端与吸收塔相连，所述的空气干燥塔的输出端分别和SO2气体干燥塔的输出端、预转化系统的输出端相连。

在一些优选技术方案中：所述的预转化系统为n次的预转化系统，其中n＝1或2。

在一些优选技术方案中：所述的主转化系统为m次的转化系统，其中m＝1或2。

在一些具体的技术方案中：一种用于实现高浓度SO2气体预转化制硫酸的装置，该装置包括预转化系统和主转化系统，其中预转化系统为一次预转化系统，主转化系统包括一次转化系统和二次转化系统，高浓度SO2气体的输出端通过SO2气体干燥塔与一次预转化系统相连，所述的一次预转化系统的输出端与一次转化系统相连，所述的一次转化系统的输出端与一次吸收塔相连，所述的一次吸收塔的输出端与二次转化系统相连，二次转化系统的输出端与二次吸收塔相连，该装置还包括空气干燥塔，所述的空气干燥塔的输出端分别与SO2气体干燥塔和一次预转化系统的输出端相连。

在另一些具体的技术方案中：一种用于实现高浓度SO2气体预转化制硫酸的装置，该装置包括预转化系统和主转化系统，其中预转化系统为一次预转化系统和二次预转化系统，主转化系统包括一次转化系统和二次转化系统，高浓度SO2气体的输出端通过SO2气体干燥塔依次与一次预转化系统和二次预转化系统相连，所述的二次预转化系统的输出端与一次转化系统相连，所述的一次转化系统的输出端与一次吸收塔相连，所述的一次吸收塔的输出端与二次转化系统相连，二次转化系统的输出端与二次吸收塔相连，该装置还包括空气干燥塔，所述的空气干燥塔的输出端分别与SO2气体干燥塔、一次预转化系统和二次预转化系统的输出端相连。

在另一些具体的技术方案中：一种用于实现高浓度SO2气体预转化制硫酸的装置，该装置包括预转化系统和主转化系统，其中预转化系统为一次预转化系统，主转化系统包括一次转化系统，低浓度SO2气体的输出端和硫酸尾气的输出端与常规回收法脱硫装置相连，所述的常规回收法脱硫装置的输出端通过SO2气体干燥塔与一次预转化系统相连，所述的一次预转化系统的输出端与一次转化系统相连，所述的一次转化系统的输出端与一次吸收塔相连，该装置还包括空气干燥塔，所述的空气干燥塔的输出端分别与SO2气体干燥塔和一次预转化系统的输出端相连。

在另一些具体的技术方案中：一种用于实现高浓度SO2气体预转化制硫酸的装置，该装置包括预转化系统和主转化系统，其中预转化系统为一次预转化系统和二次预转化系统，主转化系统包括一次转化系统，低浓度SO2气体的输出端和硫酸尾气的输出端与常规回收法脱硫装置相连，所述的常规回收法脱硫装置的输出端通过SO2气体干燥塔与一次预转化系统相连，所述的一次预转化系统的输出端与二次预转化系统相连，所述的二次预转化系统的输出端与一次转化系统相连，所述的一次转化系统的输出端与一次吸收塔相连，该装置还包括空气干燥塔，所述的空气干燥塔的输出端分别与SO2气体干燥塔、一次预转化系统和二次预转化系统的输出端相连。

本实用新型的有益效果：

1)本实用新型工艺对SO2浓度波动有很强的适应性。

2)与常规转化流程相比，本实用新型工艺可以大幅度降低系统需要补充的稀释空气、减少总气体量及减少设备尺寸等,从而降低工程投资、减少运行成本。例如:高浓度SO2气体(SO2)为30％,采用本实用新型工艺将进入转化系统SO2折算浓度由常规转化流程的(SO2)10％提高到18％,稀释空气量为常规转化流程的33.33％,总气量为常规转化流程的 55.56％,转化器及吸收塔直径为常规转化流程的74.6％。

3)本实用新型工艺可满足工艺气温度不超过催化剂使用上限温度要求。

4)本实用新型工艺预转化系统采用常规转化设备和催化剂,无特殊要求。

5)本实用新型工艺可与常用回收法脱硫工艺(碱式硫酸铝解吸法、柠檬酸钠法、氧化镁回收法、亚硫酸钠循环法、有机胺法、离子液吸收解析法等)相结合制备硫酸。

6)本实用新型工艺可以提高能量回收率,降低运行成本和工程投资。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的工艺和设备的工艺流程图；

图2为本实用新型实施例2的工艺和设备的工艺流程图；

图3为本实用新型实施例3的工艺和设备的工艺流程图；

图4为本实用新型实施例4的工艺和设备的工艺流程图；

其中：1为一次转化系统，2为二次转化系统，3为一次吸收塔，4为二次吸收塔，5 为空气干燥塔，6为SO2气体干燥塔，7为空气，8为高浓度SO2气体，9为一次预转化系统，10为二次预转化系统，11为低浓度SO2气体，12为硫酸尾气，13为常规回收法脱硫装置。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型做进一步说明，但本实用新型的保护范围不限于此：

实施例1

如图1，一种用于实现高浓度SO2气体预转化制硫酸的装置，该装置包括预转化系统和主转化系统，其中预转化系统为一次预转化系统(9)，主转化系统包括一次转化系统(1) 和二次转化系统(2)，高浓度SO2气体的输出端通过SO2气体干燥塔(6)与一次预转化系统(9)相连，所述的一次预转化系统(9)的输出端与一次转化系统(1)相连，所述的一次转化系统(1)的输出端与一次吸收塔(3)相连，所述的一次吸收塔(3)的输出端与二次转化系统(2)相连，二次转化系统(2)的输出端与二次吸收塔(4)相连，该装置还包括空气干燥塔(5)，所述的空气干燥塔(5)的输出端分别与SO2气体干燥塔(6) 和一次预转化系统(9)的输出端相连。

工艺流程：经过SO2气体干燥塔(6)干燥后高浓度SO2气体(8)与经过空气干燥塔(5)干燥后的空气混合，形成(O2)小于6％的工艺气体进入一次预转化系统(9)，在一次预转化系统(9)中部分SO2预转化生成SO3，一次预转化系统(9)出口工艺气与干燥空气混合，混合后工艺气中进入主转化系统，在主转化系统中工艺气中SO2转化生成SO3，一次转化系统(1)出口和二次转化系统(2)出口含SO3工艺气体分别送入一次吸收塔和二次吸收塔，在一次/二次吸收塔中SO3反应生成硫酸。

具体参数为：初始高浓度SO2气体((SO2)37％、(O2)3％、(N2)60％)经干燥后与干燥空气混合，混合后工艺气((SO2)33.04％、(O2)4.93％、(N2)62.04％) 在400℃时进入一次预转化系统进行平衡转化反应，一次预转化系统气体温度达到620℃左右，SO2平衡转化率为28％，一次预转化系统出口工艺气中(SO2)24.94％、(SO3) 9.7％、(O2)0.32％、(N2)65.04％，一次预转化系统出口工艺气与干燥空气混合，混合后工艺气((SO2)14.26％、(SO3)5.55％、(O2)9.17％、(N2)71.02％)在 400℃时进入一次转化系统进行平衡转化反应,一次转化系统出口SO2转化率为96％，一次转化系统出口工艺气(SO2)0.85％、(SO3)20.39％、(O2)2.62％、(N2)76.15％，该工艺气进入一吸塔中SO3反应生成硫酸,一吸塔出口工艺气(SO2)1.07％、(O2)3.29％、(N2)95.64％在400℃时进入二次转化系统进行平衡转化反应，二次转化系统出口SO2转化率为99.93％,二次转化系统出口工艺气(SO2)0.02％、(SO3)1.06％、(O2) 2.78％、(N2)96.15％，该工艺气进入二吸塔中SO3反应生成硫酸,二吸塔出口工艺气 (SO2)0.02％、(O2)2.81％、(N2)97.17％。该实施例中,进入转化系统SO2折算浓度(SO2)为19.27％。

实施例2

如图2，一种用于实现高浓度SO2气体预转化制硫酸的装置，该装置包括预转化系统和主转化系统，其中预转化系统为一次预转化系统(9)和二次预转化系统(10)，主转化系统包括一次转化系统(1)和二次转化系统(2)，高浓度SO2气体的输出端通过SO2气体干燥塔(6)依次与一次预转化系统(9)和二次预转化系统(10)相连，所述的二次预转化系统(10)的输出端与一次转化系统(1)相连，所述的一次转化系统(1)的输出端与一次吸收塔(3)相连，所述的一次吸收塔(3)的输出端与二次转化系统(2)相连，二次转化系统(2)的输出端与二次吸收塔(4)相连，该装置还包括空气干燥塔(5)，所述的空气干燥塔(5)的输出端分别与SO2气体干燥塔(6)、一次预转化系统(9)和二次预转化系统(10)的输出端相连。

工艺流程：经过干燥塔干燥后高浓度SO2气体(8)与经过空气干燥塔(5)干燥后的空气(7)混合，形成(O2)小于6％的工艺气体进入一次预转化系统(9)，在一次预转化系统(9)中部分SO2预转化生成SO3，一次预转化系统(9)出口工艺气与干燥空气混合,形成(O2)小于6％的工艺气体进入二次预转化系统(10),在二次预转化系统 (10)中部分SO2进一步预转化生成SO3，二次预转化系统(10)出口工艺气与干燥空气混合,混合后工艺气中进入主转化系统,在主转化系统中工艺气中SO2转化生成SO3,一次转化系统(1)出口和二次转化系统(2)出口含SO3气体分别送入一次吸收塔和二次吸收塔，在一次/二次吸收塔中SO3反应生成硫酸。

具体参数为：离子液循环吸收法产生出高纯SO2气体进入SO2气体干燥塔干燥，干燥后与干燥空气混合，混合后工艺气((SO2)72.46％、(O2)5.78％、(N2)21.75％) 在400℃时进入一次预转化系统进行平衡转化反应，一次预转化系统出口气体温度达到 620℃左右，SO2平衡转化率为15.7％，一次预转化系统出口工艺气中(SO2)64.77％、(SO3)12.06％、(O2)0.10％、(N2)23.07％，一次预转化系统出口工艺气与干燥空气混合，混合后工艺气((SO2)46.54％、(SO3)8.67％、(O2)5.98％、(N2) 38.81％)在400℃时进入二次预转化系统进行平衡转化反应，二次预转化系统出口气体温度达到620℃左右，SO2平衡转化率为35.3％，二次预转化系统出口工艺气中(SO2) 37.76％、(SO3)20.60％、(O2)0.61％、(N2)41.03％，二次预转化系统出口工艺气与干燥空气混合，混合后工艺气((SO2)14.66％、(SO3)8.00％、(O2)13.08％、(N2)64.26％)在400℃时进入一次转化系统进行平衡转化反应,一次转化系统出口SO2转化率为97.7％,一次转化系统出口工艺气(SO2)0.56％、(SO3)23.82％、(O2) 6.47％、(N2)69.15％，该工艺气进入一吸塔中SO3反应生成硫酸,一吸塔出口工艺气 (SO2)0.74％、(O2)8.49％、(N2)90.77％在400℃时进入二次转化系统进行平衡转化反应，二次转化系统出口SO2转化率为99.95％，二次转化系统出口工艺气(SO2)0.02％、(SO3)0.73％、(O2)8.16％、(N2)91.09％，该工艺气进入二吸塔中SO3反应生成硫酸,二吸塔出口工艺气(SO2)0.02％、(O2)8.22％、(N2)91.76％。该实施例中,进入转化系统SO2折算浓度(SO2)为21.78％。

实施例3

如图3，一种用于实现高浓度SO2气体预转化制硫酸的装置，该装置包括预转化系统和主转化系统，其中预转化系统为一次预转化系统(9)，主转化系统包括一次转化系统(1)，低浓度SO2气体(11)的输出端和硫酸尾气(12)的输出端与常规回收法脱硫装置相连，所述的常规回收法脱硫装置的输出端通过SO2气体干燥塔(6)与一次预转化系统(9) 相连，所述的一次预转化系统(9)的输出端与一次转化系统(1)相连，所述的一次转化系统(1)的输出端与一次吸收塔(3)相连，该装置还包括空气干燥塔(5)，所述的空气干燥塔(5)的输出端分别与SO2气体干燥塔(6)和一次预转化系统(9)的输出端相连。

工艺流程为如图3：低浓度SO2气体(11)与硫酸尾气(12)混合进入常规回收法脱硫工艺吸收解吸出高浓度SO2气体(8),高浓度SO2气体(8)经过SO2气体干燥塔(6) 干燥后与经过空气干燥塔(5)干燥后的空气(7)混合，形成(O2)小于6％的工艺气体进入一次预转化系统(9)，在一次预转化系统(9)中部分SO2预转化生成SO3，一次预转化系统(9)出口工艺气与干燥空气混合，混合后工艺气中进入一次转化系统(1), 在一次转化系统(1)中工艺气中SO2转化生成SO3,一次转化系统(1)出口含SO3工艺气体送入一次吸收塔(3)，在一次吸收塔(3)中SO3反应生成硫酸,一次吸收塔(3)出口硫酸尾气返回与低浓度SO2气体混合进入常规回收法脱硫工艺。

具体参数为：常规回收法脱硫工艺吸收解吸出高纯SO2气体进入SO2气体干燥塔干燥，干燥后高浓度SO2气体与干燥空气混合，混合后工艺气((SO2)72.46％、(O2) 5.78％、(N2)21.75％)在400℃时进入一次预转化系统进行平衡转化反应，一次预转化系统出口气体温度达到620℃左右，SO2平衡转化率为15.7％，一次预转化系统出口工艺气中(SO2)64.77％、(SO3)12.06％、(O2)0.10％、(N2)23.07％，一次预转化系统出口工艺气与干燥空气混合，混合后工艺气((SO2)12.39％、(SO3)2.31％、(O2)17％、(N2)68.3％)在400℃时进入一次转化系统进行平衡转化反应，一次转化系统出口SO2转化率为99.3％，一次转化系统出口工艺气中(SO2)0.11％、(SO3) 15.56％、(O2)11.57％、(N2)72.77％。在该实施例中，进入转化系统SO2折算浓度(SO2)为14.53％。

实施例4

如图4，一种用于实现高浓度SO2气体预转化制硫酸的装置，该装置包括预转化系统和主转化系统，其中预转化系统为一次预转化系统(9)和二次预转化系统(10)，主转化系统包括一次转化系统(1)，低浓度SO2气体(11)的输出端和硫酸尾气(12)的输出端与常规回收法脱硫装置相连，所述的常规回收法脱硫装置的输出端通过SO2气体干燥塔 (6)与一次预转化系统(9)相连，所述的一次预转化系统(9)的输出端与二次预转化系统(10)相连，所述的二次预转化系统(10)的输出端与一次转化系统(1)相连，所述的一次转化系统(1)的输出端与一次吸收塔(3)相连，该装置还包括空气干燥塔(5)，所述的空气干燥塔(5)的输出端分别与SO2气体干燥塔(6)、一次预转化系统(9)和二次预转化系统(10)的输出端相连。

工艺流程：低浓度SO2气体(11)与硫酸尾气(12)混合进入常规回收法脱硫工艺吸收解吸出高浓度SO2气体(8),高浓度SO2气体(8)经过SO2气体干燥塔(6)干燥后与经过空气干燥塔(5)干燥空气混合，形成(O2)小于6％的工艺气体进入一次预转化系统(9)，在一次预转化系统(9)中部分SO2预转化生成SO3，一次预转化系统(9) 出口工艺气与干燥空气混合,形成(O2)小于6％的工艺气体进入二次预转化系统(10), 在二次预转化系统(10)中部分SO2进一步预转化生成SO3，二次预转化系统(10)出口工艺气与干燥空气混合,混合后工艺气中进入一次转化系统(1),在一次转化系统(1)中工艺气中SO2转化生成SO3,一次转化系统(1)出口含SO3工艺气体送入一次吸收塔(3)，在一次吸收塔(3)中SO3反应生成硫酸,一次吸收塔(3)出口硫酸尾气返回与低浓度SO2气体(11)混合进入常规回收法脱硫工艺。

具体参数为：常规回收法脱硫工艺吸收解吸出高纯SO2气体进入SO2气体干燥塔干燥，干燥后与干燥空气混合，混合后工艺气((SO2)72.46％、(O2)5.78％、(N2)21.75％) 在400℃时进入一次预转化系统进行平衡转化反应，一次预转化系统出口气体温度达到 620℃左右，SO2平衡转化率为15.7％，一次预转化系统出口工艺气中(SO2)64.77％、(SO3)12.06％、(O2)0.10％、(N2)23.07％，一次预转化系统出口工艺气与干燥空气混合，混合后工艺气((SO2)46.54％、(SO3)8.67％、(O2)5.98％、(N2)38.81％)在400℃时进入二次预转化系统进行平衡转化反应，二次预转化系统出口气体温度达到620℃左右，SO2平衡转化率为35.3％，二次预转化系统出口工艺气中(SO2) 37.76％、(SO3)20.60％、(O2)0.61％、(N2)41.03％，二次预转化系统出口工艺气与干燥空气混合，混合后工艺气((SO2)14.66％、(SO3)8.00％、(O2)13.08％、 (N2)64.26％)在400℃时进入一次转化系统进行平衡转化反应，一次转化系统出口SO2转化率为98.5％，一次转化系统出口工艺气中(SO2)0.37％、(SO3)24.04％、(O2) 6.38％、(N2)69.22％。在该实施例中，进入转化系统SO2折算浓度(SO2)为21.78％。