化工史話-硫酸工業4 現代硫酸工業的工業流程和使用的設備
更新時間：2023/05/08
從整體上來說，接觸法制硫酸主要分為3部分，產生二氧化硫，氧化二氧化硫，吸收三氧化硫成硫酸，下面我們就分開來講。首先是產生二氧化硫，常用的方法有燃燒硫黃，石膏脫磷加焦炭，有色金屬冶煉煙氣。較為先進的技術是低溫分解法工藝；本期視頻介紹的是硫鐵礦沸騰焙燒法
原料硫鐵礦被粉碎成細小礦粒在沸騰爐中充分燃燒，沸騰爐是硫酸工業的核心設備之一， 是用固體流態化技術焙燒硫鐵礦的裝置。焙燒過程會放出大量的反應熱，產生的二氧化硫氣體用來制造硫酸，礦渣則用作冶金原料。硫化礦沸騰焙燒技術是50年代初聯邦德國的巴登苯胺純堿公司（現巴斯夫公司BASF SE）和一家美國公司分別開發的。沸騰焙燒爐是爐體為鋼殼內襯保溫磚再襯耐火磚構成。為了防止冷凝酸的腐蝕，鋼殼外面有保溫層。爐子的最下部是風室，設有空氣入口，其上是空氣分布板。空氣分布板上是耐火混凝土爐床，埋設有許多側面開小孔的風帽。爐膛中部為向上擴大的圓錐體，上部焙燒空間的截面積比沸騰層的截面積大，以減少固體粒子吹出。沸騰層中裝有廢熱鍋爐的冷卻管，爐體還設有加料口、礦渣溢流口、爐氣出口、二次空氣進口、點火口等接管。爐頂有防爆孔，用來防止爆燃等危險因素。（如砷、硒等化合物礦塵），雜質和礦塵都會使催化劑作用減弱甚至失效。這種現象叫催化劑失活；水蒸氣也會對設備和生產產生不良是影響。因此在氧化反應進行前，爐氣必須通過除塵、洗滌、干燥等凈去除相應的有害雜質。同時，由于焙燒時放出了大量的熱量，爐氣溫度在900℃左右，如果直接通入凈化系統，對設備的材料要求很高。如果直接冷卻后凈化也是能量的極大浪費。通常會設置廢熱鍋爐來回收熱量，或產蒸汽發電或直接推動動力機械作功。
爐氣的除塵凈化過程主要有是將爐氣依次通過旋風分離器，靜電除塵器等凈化設備。未經凈化氣體中的大量的礦塵會堵塞設備與管道，隨著氣體的高速流動，粒徑較大的固體顆粒會對輸送設備內壁產生嚴重的磨損。旋風分離器可以除去直徑≥10μm的固體顆粒，靜電除塵器會除去煙氣中0.01—50μm的粉塵。除去混合氣中的固體雜質只是除雜的第一步，還需要除去對催化劑有毒性的化合物，在煅燒硫鐵礦過程中產生的砷化物和硒化物主要是以氣態的形式存在（As2O3和SeO2），這是對催化劑毒性最大的污染物，還有少量的氟化物，主要以氟化氫（HF）的形式存在，在高溫、干燥條件下，會與含硅化合物反應，產生的水合氧化硅在催化劑表面形成灰白色的硬殼，嚴重時使催化劑結塊，活性下降，甚至使床層阻力增大。
除去上述氣態污染物的方法是水洗法或酸洗法，水洗流程簡單、投資較少、操作方便，砷和氟的凈化率都高。缺點是有用的SO3和SO2溶于水后難以回收，使硫元素的利用率降低。最大不足是排放的有毒含塵污水多，環境污染大。(每噸硫酸約排15噸污水！)。而酸洗法中的酸可以循環使用，多余的酸液排出系統后也可以用作它圖。酸液的循環利用可以提高硫元素的利用率；而酸泥中的砷硒元素也可以回收，用于提煉相關金屬。酸洗法大優點是排污量少，約為水洗流程的1/200~1/300。目前投產的工廠一般都不允許采用水洗流程。
在爐氣中少量的三氧化硫也會與水結合生成硫酸酸霧，酸霧液滴的直徑很小，很難除去，洗滌時只有小部分被酸吸收，大部分只能在后續的電除霧器中除去，同時，工業上往往還要設置冷卻塔，既降低溫度又通過增濕來增大霧滴直徑，使其在短時間內迅速沉降。這時經過處理的爐氣還含有部分水蒸氣，這些水蒸氣不能被帶入到催化劑中，所以還有經過徹底的干燥處理，這就需要用到干燥塔了，干燥塔中使用的干燥劑是98%的濃硫酸，利用濃硫酸的脫水性進行洗氣，在經過除沫工序，干燥的二氧化硫氣體就可以進入到轉化爐中與催化劑接觸了。由于干燥的方法是采用氣體從下至上、濃硫酸自上而下的逆流接觸，濃硫酸也可以經氣體中的熱量帶走，與其他冷源進行換熱。900℃左右的爐氣在經過了旋風分離器、靜電除塵器、酸洗除雜、干燥等一系列凈化工序以后，終于變成了較為潔凈的二氧化硫與氧氣混合氣，溫度約為450℃。
終于來到了轉化器（塔），在轉化器中，二氧化硫與氧氣在催化劑床層上相互接觸，發生催化氧化反應，生成三氧化硫，由于這個反應是放熱的，所以轉化器內的溫度會逐漸升高，為了使二氧化硫的轉化率提高，從而獲得最佳的經濟效益，必須及時從反應系統中移走熱量。因此，轉化塔會采用多段換熱的形式，其特點是氣體的反應過程和降溫過程分開進行。正如上期視頻所示，從上一床層出來的高溫氣體經過冷卻后再進入下一床層內反應，二者交替進行。段數愈多，最終轉化率愈高，在其他條件一定的，催化劑的利用率愈高。但是段數過多，管道閥門也會增多，不僅增加系統的阻力，也使操作更加復雜，生產成本升高。
現在都采用濃硫酸吸收三氧化硫氣體，一般在塔設備中進行。吸收三氧化硫也是一個放熱過程，隨著吸收過程的進行，吸收酸的溫度隨著增高，為了使循環酸的溫度保持穩定，也需使其通過冷卻設備，移走吸收過程中產生的熱量。每個吸收塔除了有自己的循環酸貯槽外，還有相應的輸送設備。吸收過程采用氣液逆向接觸的方式，轉化氣從塔底送入，濃硫酸從塔頂噴淋。進塔氣氣體溫度為140~160℃，噴淋硫酸的溫控制在50℃以下，出塔硫酸的溫度則用噴淋量控制，使出塔酸溫<70℃，便于儲存運輸。現在的吸收流程一般采用二次吸收。第一次用發煙硫酸吸收，第二次用98.3%的濃硫酸，以保證吸收率。標準的發煙硫酸含游離的SO320%，H2SO480%。若按100%無水硫酸折算，其濃度為104.5%。
硫酸工業排放的尾氣中主要為SO2，極少量SO3及酸霧；當采用兩轉兩吸流程時，二氧化硫的轉化率會達到99.75%以上，廢氣可以不經處理直接排放。所以兩轉兩吸流程現在被廣泛采用。制酸工業產生的廢水可以采用加減中和或者硫化中和的方法處理，最后達標排放。廢渣則經脫硫處理后被用來煉鐵或者制造水泥。
好了，講到這里，硫鐵礦生產硫酸的工藝流程就差不多結束了 作者：花生講化工 https://www.bilibili.com/read/cv18645531 出處：bilibili
