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硫磺造粒工艺综述-技术文献-中华造粒设备网
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硫磺造粒工艺综述

信息来源:中华造粒设备网 | 发布时间:2009-6-2 16:58:34
    摘 要:由于硫磺颗粒具有特性稳定、流动性能优越、无粉尘及无环境污染等明显优势,硫磺造粒已成为液硫处理的方向。介绍了几种国内外常用的硫磺造粒工艺,并分析了其特点,综合考虑技术、经济、生产管理与调度、市场波动和要求、能耗与运行成本等多方面的因素,并结合我国国情,对硫磺造粒工艺路线的选择提出了具体的原则意见和建议。
    关键词:硫磺;造粒;工艺;介绍;分析

1 概述

    目前,全球每年有超过40Mt硫磺作为石油、天然气的副产品以液态的形式被提炼出来,如果加上煤化工、冶炼和发电等行业脱硫所产生的硫磺,其产量将远远大于40Mt/ a,且应用的行业范围、工艺过程、生产规模及其用途也多种多样。但是由于硫磺特殊的物化特性,必须将绝大部分液体硫磺转换成规则的固态颗粒,以便安全、可靠、环保地运输、仓储和使用。总之,由于硫磺颗粒具有特性稳定、流动性能优越、无粉尘及无环境污染等明显优势,颗粒硫磺已成为相关行业首选。
    但是,针对不同行业的生产特点、工艺要求、装置规模以及产品应用领域等因素,我们该怎样选择合适的硫磺造粒工艺,以更好地满足市场的各种需求呢? 笔者结合生产实践,阐述自己的理解和认识,供大家参考和讨论。

2 硫磺造粒的主要工艺介绍

    硫磺造粒主要达到两方面的目的: ①将上游净化提炼出来的液体硫磺快速、有效地转换成固态,并满足生产工艺和安全环保的要求; ②以期得到形状规整、粒度均匀、性能稳定、利于使用(运输、储存和使用)的成品颗粒。
    目前,硫磺造粒工艺主要有:回转钢带冷凝造粒、塔式空气冷却造粒、水直接冷却造粒和喷浆造粒四种。

2. 1 回转钢带冷凝造粒工艺
    回转钢带冷凝造粒的原理如图1所示。它是利用硫磺的低熔点特性,根据物料熔融态时的黏度范围,通过特殊的布料装置将液硫或熔融硫磺均匀分布在匀速移动的钢带上。钢带下方设置了连续喷淋的冷却装置,使物料在移动、输送过程中快速冷却、固化,从而达到造粒成形的目的。

    1、主要特点
    回转钢带冷凝造粒工艺的主要特点如下。
    (1)布料器将来自上游的连续液硫快速、规则地分割成成排断续滴落的液滴,并利用其黏性和表面张力使之滴落在回转钢带上形成半球状均匀颗粒。通过调节布料器转速和物料流量,可在一定范围内调节和控制成品颗粒的粒径大小。该工艺的颗粒成品率几乎达100% ,流程简短、直接,无需筛分、返料过程。布料器工作原理见图2。
    (2)采用薄钢带传动输送和喷淋强制冷却传热,使液硫迅速冷凝、固化成形。硫磺颗粒通过钢带传热,完全避免了与冷却水的接触,成品水含量得到严格控制。
    (3)由于回转钢带在卸料端的换向弯曲,使固化后的硫磺颗粒易于从钢带表面剥落,因此卸料时粉尘极少,颗粒形状得到保护,有利于改善操作条件和环境。
    (4)根据工艺需要可方便实施全过程自动控制,以确保物料温度、流量和压力等操作参数稳定,从而确保系统操作稳定、可靠,物料状态稳定。
    (5)对大规模的硫回收装置而言,回转钢带冷凝造粒机的单机生产能力最大只能达到6 t/h,显得偏小,在工艺实现上需采用多机组并联完成。例如,图3所示的就是由8列回转钢带冷凝造粒机并联而成的300 kt/ a硫磺造粒工艺流程。
    2、特性参数
    目前,回转钢带冷凝造粒机单机最大处理能力
    为6 t/h硫磺,其特性参数如下:
    生产能力      ≤6 t/h
    颗粒尺寸 直径3~6 mm
     厚度1. 5~2. 5 mm
    颗粒形状半球状
    进料温度≈ 130 ℃
    卸料温度50~65 ℃
    成品 水含量≤0. 5%
   堆密度≈ 1 200 kg/m3
   脆度≤1. 0%
   堆积角≈ 30°
    颗粒成粒率≥95%
    3、公用工程条件
    6 t/h硫磺回转钢带冷凝造粒机的公用工程条件如下:
    电源380 V, 50 Hz, 3相
    设备总功率8 kW
    冷却水 入口温度≤30 ℃
        出口温度≤38 ℃
    循环水耗量≤20 m3 /h
    设备尺寸(mm) 12 950 ×2 050 ×2 060

2. 2 塔式空气冷却造粒工艺
    塔式空气冷却造粒工艺原理是:将熔融液硫从塔顶部滴落,通常经喷嘴加以分布;空气自塔底吹向塔顶,液硫在塔内下降过程中被上升的空气冷却而固化;在塔底收集固体颗粒。
    空气冷却造粒工艺刚开始时被称为奥托肯帕法。这是因为该工艺第一个生产装置源于芬兰的奥托肯帕·奥依公司,于1962年建在柯柯拉, 1977年停用。采用该法的另外两套装置建在日本。除了奥托肯帕法以外,用于大规模生产还有波兰式空气冷却造粒工艺( Polish Process, 见图4 ) 。该工艺于1966年首先用在波兰丹诺布切克的一个规模为150kt/ a的试验工厂, 1973年用于格但斯克的锡亚柯帕500 kt/ a的硫磺总站,上世纪80年代初,又在加拿大建设了5 套装置。这些装置全部使用单个造粒塔,产能为350~1 200 kt/ a。
    从硫磺回收装置来的脱气液态硫磺存储在液硫池中。为防止液硫凝固,液硫池内的液硫温度应保持在130~140 ℃,因此,其内部设有蒸汽加热盘管,采用低压蒸汽进行加热、保温。液硫池中的液态硫磺用液硫泵抽出,以恒定的速率输送至造粒塔顶,经喷射器分配进入塔内;冷却空气从塔底进入,补充的晶种(硫微粒)保持在造粒区以促进颗粒晶核的形成;当颗粒落于塔底的活动栅时凝固。
    空气造粒工艺的造粒塔大小随装置的生产能力而定,高度30~90 m、直径3~24 m,其产品硫磺颗粒直径为1~6mm,水含量小于0. 5% ,堆密度1 100kg/m3 ,脆度小于1. 0% ,休止角小于25°。
    空气造粒工艺不需要水,也没有太多的转动部件,操作性较可靠,适用于大批量生产。但一次性设备投资太大,且需要空气冷却,能耗相当高。
2. 3 水直接冷却造粒工艺
    水直接冷却造粒工艺的生产原理是将液态硫喷入或滴入水槽或水塔内,使其在水中固化,然后滤出。水造粒工艺的主要技术路线有R IM水造粒工艺、Hess oil Virgin Island水造粒工艺、Devco Wet水造粒工艺和Smth & Ardusi水造粒工艺。
    1、R IM水造粒工艺
    R IM水造粒工艺流程如图5所示。液硫经液硫泵送至15. 2 m高的造粒塔顶端的液硫分配器,被其分成若干流束,流束在重力和表面张力的共同作用
下形成一个个小液滴,流到造粒塔的冷水池中。小液滴在冷水池冷却成粒,硫磺粒料从塔底部被送入脱水筛脱水后即为成品,由造粒塔出来的冷却水循环使用。
    2、DevcoWet水造粒工艺
    目前,在世界范围内使用水造粒工艺生产硫磺最常用的方法是Devco Wet水造粒工艺,其工艺流程如图6所示。
    从硫磺回收装置来的液硫经过滤后送至液硫池中;振动筛筛分下来的细小硫磺微粒(即粒径达不到要求)被送入熔硫池(其内部设有蒸汽加热盘管)中熔化后,经熔硫泵输入液硫池中。为防止液硫凝固,液硫池内部设有蒸汽加热盘管,使液硫温度保持在130~140 ℃。
    液硫池中的液态硫磺被液硫泵以恒定的速率送至液硫分布器。液硫被分布器分成许多流束,流到造粒器(冷水池)中,液硫的流束在重力和表面张力的共同作用下形成一个个小粒,这些小粒从冷却池底部排出并通过振动筛,由造粒器出来的冷却水循环使用。
    从振动筛分离出的水含量约2%的合格(粒径达到要求的颗粒)固体硫磺,经带式输送机送至干燥器(可选设备,包括:流化床单元、鼓风机、燃料气加热器、入口联管箱、排气联管箱、旋风除尘器、湿式洗涤器、抽气机等)再处理,或直接送硫磺称量、包装、码垛系统。而被筛分下来的不合格产品(粒径达
不到要求的细小硫磺微粒)和工艺水一起进入分离器进行分离,分离出的细小硫磺微粒被送至熔硫池。
    DevcoWet水造粒工艺的产品硫磺直接与冷却水接触。工艺水罐中的工艺水通过换热器换热(温度从53 ℃降至49 ℃)后进入造粒器(冷水池)中,一部分工艺水从造粒器(冷水池)上部溢流后返回工艺水罐,一部分工艺水通过振动筛分离进入分离罐,再经溢流堰后返回工艺水罐,另一部分工艺水在造粒器(冷水池)中变为蒸汽,通过排风机排入大气。损失的工艺水通过补充水系统进入工艺水罐,工艺水循环使用。
    在熔硫过程中有硫化氢和硫蒸气产生,为了防止这些有毒气体散发出来,保护工作环境,熔硫池也设置了排风机,用于将废气抽出。
    水造粒工艺需要水,产品硫磺直接与冷却水接触,但能效高,对小批量和大批量生产都比较经济,且机械操作相当可靠,不易损坏,生产费用和维护费用均较低。DevcoWet水造粒工艺生产的标准级硫磺粒径为1~6mm,水含量小于2. 0% ,堆密度1 100kg/m3 ,脆度小于3. 0% ,休止角小于32°。
    DevcoWet水造粒工艺设备不需要多列布置,其工厂布置如图7所示,占地面积相对较小。

2. 4 喷浆造粒工艺
    喷浆造粒工艺原理是在固化的硫磺小颗粒(“蕊”材)上重复喷浆、附着和固化,使其粒径增至所要求的尺寸。该工艺一般使用水或空气冷却,成品硫磺
的粒径一般为1~6 mm,水含量为0. 5% ,堆密度大于1 200 kg/m3 ,脆度小于1. 0% ,休止角为27°。该工艺占地少,效率高,单线生产能力最大已达到1 100t/d,特别适合于较大规模的液体硫磺集中生产。
    喷浆造粒工艺主要有潘罗麦迪克法( PerlomaticProcess) 、普罗柯GX法( Procor GX Process)和kalt2enbach2Tharing工艺。
    1、潘罗麦迪克喷浆造粒工艺
    潘罗麦迪克喷浆造粒工艺实际上就是沸腾床喷浆造粒,其工艺流程如图8所示。液硫由潘多麦迪克造粒塔的底部送入,在塔内强空气流的作用下,从文丘里管的喉部向一个方向喷射,在文丘里管顶端形成小颗粒状。小颗粒硫磺在空气作用下在沸腾造粒床上做“喷泉”运动,并不断地被熔硫包裹、冷却。当硫磺颗粒达到了所需的粒径时,便通过溢流堰送去过筛和存贮。造粒塔顶部相当于一个膨胀箱,大部分硫屑在放空前被分离出来,空气由顶部放空。控制进入床层的空气温度在30 ℃左右,以保障床层温度在成粒的最佳温度约82 ℃。该工艺的动力消耗和尾气量比塔式空气冷却造粒工艺的大。
    2、GX滚筒喷浆造粒工艺
    GX滚筒喷浆造粒工艺是Enersul集团公司的专利技术,于1977年首次公布。其基础是肥料成粒技术和TVA尿素涂硫试验(TVA experiments on sul2
phur coating of urca) ,已经设计出一系列标准的GX法( Procor Gx Process)装置,设计能力在8~70 t/h。到上世纪90年代,世界各地已建成13套GX法装置,总生产能力超过2 000 kt/ a。2002年10月, En2ersul集团公司又向希腊的NAPC,德国的美孚,卡塔尔的Qapco、Qatargas和Rasgas,台湾的Formosa Pet2rochemicals,南非的SASOL及伊朗的South Pars1和South Pars 2&3等公司出售了GX滚筒喷浆造粒工艺设备。
    GX滚筒喷浆造粒工艺是一个颗粒粒径逐步增加的过程,小颗粒通过层层涂抹并且融合,从而消除了收缩的影响。采用该工艺生产的硫磺产品堆密度大(宽松时1 220 kg/m3 ,紧凑时1 320 kg/m3 ) ,颗粒坚硬,没有空洞,没有构造缺陷,具有很强的抗机械损伤性能。
    目前GX滚筒喷浆造粒工艺主要有GXM1 和GXM2两种形式,其设备布置分别见图9、图10。
    GXM1滚筒喷浆造粒设备的单线生产能力为1 100 t/d,占地480 m2 (40 m ×12 m) ,投资约3 546万元人民币,中间物料采用带式输送机输送。
    GXM2滚筒喷浆造粒设备的单线生产能力为550 t/d,占地为65m2 (10m ×6. 5m) ;两条生产线的处理能力达到1 100 t/d,占地为144m2 (12 ×12) ,投资约2 900万元人民币,中间物料采用垂直输送。
    Enersul GXM2滚筒喷浆造粒工艺见图11。
    从硫磺回收装置来的液态硫磺储存在液硫储罐中。液硫储罐被一个隔板分成两部分,一部分用作熔硫罐,熔硫罐中的液硫达到一定高度后,越过隔板进入液硫储罐。为了防止液硫凝固,储罐内的两部分各设有一组蒸汽加热盘管,使罐内的液硫温度保持在130~140 ℃。液硫储罐中的液态硫磺用液硫泵以恒定的速率送至双通道过滤器,经过滤后送至滚筒造粒机内。在液硫输送配管中设置了返回液硫储罐的管线,用于液硫循环和进行生产调节;为了防止液硫在输送过程中凝固,输送管线全部采用蒸汽夹套,用0. 5MPa蒸汽进行保温。
    当液硫向滚筒喷浆造粒机内喷入时,小的硫磺粒子(种粒)在机内壁设置的挡板作用下形成连续下降的颗粒帘(见图12) 。这些种粒的表面会被涂布上一层液硫,再冷却、固化,这种行为会持续不断地重复进行,使得种粒的体积和质量不断增加,直至达到要求的粒径大小(1~6 mm) 。出滚筒喷浆造粒机的硫磺颗粒送至振动筛分离,合格产品通过带式输送机送至下一道工序(可选)再处理,或直接送称量、包装、码垛系统。出振动筛的不合格固体硫磺粉末被回收,送至液硫储罐中重新熔化。
    冷却水经过滤后由冷却水泵送至滚筒喷浆造粒机内,热硫磺被冷却水冷凝、固化,其热能使冷却水汽化、蒸发,并形成气流从造粒机中排出,最后经旋风分离器净化分离后排到大气中。
    采用滚筒喷浆造粒,对种粒、液硫和水的加入比例需要严格控制,且调节范围较小,其工艺操作弹性不大。

3 造粒工艺比较与选择
 
    这几种主要的硫磺造粒工艺都具有各自的优点和明显的不足。结合具体的行业特点、不同的硫回收工艺以及不同生产规模的装置,对硫磺造粒工艺方案的选择标准只能是“没有最好, 只有相对合适”。从炼油、炼气到煤化工,再到冶炼和电力行业,硫磺生产的特点各不相同,装置规模差距极大,生产方式和市场结构也千差万别,很难用某一种造粒方法统领所有的硫磺造粒领域。
    分析上述各种硫磺造粒工艺,笔者认为,在选择硫磺造粒方式时,除了考虑能耗与投资等常规经济指标外,在工艺上我们还应重点考虑如下三个方面的因素: ①硫磺造粒装置的生产能力; ②装置对产能波动范围的适应性,包括原料来源的变化(尤其是原油含硫量变化极大) ,或市场对液体硫磺和固体硫磺的需求变化(这可能是常常造成装置运行的峰值和低谷产量的巨大差距) ; ③市场对硫磺颗粒成品质量指标的实际要求。从硫磺产品的实际应用要求来看,使用行业(如硫酸工业)对其水含量要求并不高,因此水直接冷却造粒工艺在用户市场接受的前提下,具有较强的竞争力。
    综上所述,现对几种造粒工艺的特点概述如下。
    1、回转钢带冷凝造粒工艺
    回转钢带冷凝造粒工艺仍然是目前硫磺造粒领域应用范围最广的。由于该工艺具有:产品粒度分布最为集中(3~6 mm,其他工艺为1~6 mm) ,颗粒更加均匀;无需筛分和返料,工艺过程简单、直接;冷却水与物料间接接触换热,无三废排除;投资少、能耗低等优势,因此仍是目前中、小规模硫磺造粒装置的首选方案。随着各行各业生产规模的普遍扩大,回收硫的处理量也将毫无疑义地进一步增大。但由于回转钢带冷凝造粒工艺的单机处理能力不大(最大为6 t/h) ,需多机组并联操作才能满足生产能力的要求,这样占地面积较大,这必将制约该工艺在更大规模装置上的应用。
    据了解,加拿大壳牌公司于上世纪80 年代末90年代初就建成了一套1 600 kt/ a硫磺的回转钢带冷凝造粒装置,该套装置由SANDV IK公司提供的46台回转钢带冷凝造粒机组成。2008年3月,天津石化1 000 kt/ a乙烯及其配套硫回收造粒装置投入使用,其中300 kt/ a硫回收装置就采用了回转钢带冷凝造粒工艺,且是由8台南京三普造粒装备有限公司提供的回转钢带冷凝造粒机组成。这是目前国内建成投产的最大的硫磺造粒生产装置。
    2、塔式空气冷却造粒工艺
    由于塔式空气冷却造粒装置一次性投资太大,又需空气冷却,动力消耗相当高,且需对大风量的尾气进行处理,因此该工艺在硫磺造粒行业的应用前景很不看好。从笔者掌握的信息来看,目前仅有3套早先建成的塔式空气冷却造粒工艺(大型冷却塔)的硫回收装置仍在生产,近年来未再见国外采用此技术作为硫磺造粒工艺的报道。
    3、水直接冷却造粒工艺
    由于水直接冷却造粒工艺的产品硫磺直接与冷却水接触,能效相对最高。对小批量和大批量生产都比较经济,机械操作相当可靠,且不易损坏,其生产费用和维护费用均较低。但由于硫磺颗粒与工艺水直接接触,产品硫磺的水含量约2. 0% ,没有达到《工业硫磺及其试验方法》GB 2449 - 92 中的规定(优等品不超过0. 10%、一等品不超过0. 50%、合格品不超过1. 00% ) 。因此,需对产品硫磺进行干燥,但即使通过干燥处理,也只能达到GB 2449 - 92规定的合格品要求。
    水直接冷却造粒工艺的投资和运行成本都较低,且最大生产能力可达2 000 t/d。若对硫磺产品质量要求不高,对大规模硫磺生产线而言该造粒工艺十分有效。故在对硫磺产品的水含量要求不太严格时,国外大规模硫磺造粒装置通常选择该工艺,近年来,国外已建设了十多套水直接冷却的硫磺造粒装置。
    4、喷浆造粒工艺
    喷浆造粒工艺有沸腾床喷浆造粒和滚筒喷浆造粒两种。而沸腾床喷浆造粒的动力消耗和尾气量比塔式空气冷却造粒工艺更大,尽管设备投资方面有所下降,但笔者认为其应用前景仍然不会被看好。滚筒喷浆造粒代表了喷浆造粒技术的发展方向,也是生产规模大且产能比较稳定的情况下,硫磺造粒工艺的选择方向。该法采用雾化水直接喷淋冷却,由水的汽化潜热带走物料热量,因此在换热效率、处理能力和能耗等技术经济指标方面具有非常突出的优势。但由于该工艺操作弹性不大,需要严格控制种粒、液硫和水的加入比例,且调节范围较小,因此不适应产量波动较大的硫磺造粒装置。而且该造粒工艺的设备投资相对较高。据悉,中石化普光油气田天然气净化脱硫项目选择了该工艺路线,并引进了成套生产装置和技术。

4 结论与建议

    综合考虑技术、经济、生产管理与调度、市场波动和要求、能耗与运行成本等多方面的因素,并结合我国国情,笔者对硫磺造粒工艺路线的选择提出如下具体的原则意见和建议,供大家参考和讨论。
    1、产量在800 kt/ a以内且产能波动较大,以及500 kt/ a以内的硫磺造粒装置,建议采用回转钢带冷凝造粒工艺。
    2、对硫磺产品的水含量要求不太严格且产量大于300 kt/ a的硫磺造粒装置,建议选用水直接冷却造粒工艺。对此笔者认为:从硫磺产品满足实际使用要求出发,有必要对国家标准《工业硫磺及其试验方法》GB 2449 - 92中水含量的规定进行修改,适当放宽对水含量的要求。
    3、相对而言,滚筒喷浆造粒在换热效率、处理能力和能耗等技术经济指标方面最具优势,因此,对大于500 kt/ a且产能波动范围不大的硫磺造粒生产装
置,建议选用滚筒喷浆造粒工艺。

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