硫化礦（如二硫化鉬）處理副產(chǎn)硫的收集裝置的設(shè)備研制思路探討
洛陽佰尼爾新材料科技有限公司
一、研制背景
在綠色化學(xué)發(fā)展的今天，世界各國對包括硫在內(nèi)的污染物排放制訂了嚴(yán)格的排放制度，但在工業(yè)生產(chǎn)過程中，如輝鉬精礦（主成份為二硫化鉬）焙燒生產(chǎn)三氧化鉬以及輝鉬精礦分解生產(chǎn)金屬鉬粉，經(jīng)常產(chǎn)生帶有硫元素的氣體，其中硫的處理回收成為一個嚴(yán)肅問題。
在煤炭燃燒、油氣田、石化煉廠等領(lǐng)域，經(jīng)常會存在煙氣脫硫硫磺回收流程，如海工英派爾（CN201120470746.0）采用的硫磺回收冷凝冷卻裝置，隔板與圓筒體焊接連接成三級冷凝管程，出口管箱設(shè)夾套，通過焊接與出口管箱連接，通過墊片密封，夾套內(nèi)腔通蒸汽；安徽臨泉化工公司（CN201010134670.4）硫磺回收分離設(shè)備由主分離器、備分離器、旋風(fēng)除塵等組成，主分離器分離大部分液態(tài)硫磺，小部分氣相旋風(fēng)去硫粉硫粒，備分離器將未分離硫固化、吸附和分離，備分離器阻力超過0.01MPa后，主備分離器互換，循環(huán)切換；潘傳洪（CN201120083447.1）的硫磺回收冷卻器 可實現(xiàn)工藝氣冷卻，設(shè)有五個調(diào)節(jié)管；此外，CN201120175305.8、CN200720191389.8、CN201020687694.8等也公開了相應(yīng)的硫磺冷卻收集設(shè)備；
上述硫磺回收指將含硫化氫等有毒含硫氣體中的硫化物轉(zhuǎn)變?yōu)閱钨|(zhì)硫，常規(guī)采用臥式列管式單級或多級冷凝冷卻器，多級獨立或同殼，兩端封頭、中部若干橫置列管，管程冷凝氣態(tài)硫，殼程走水，熱量交換后，管程中硫蒸氣冷凝為液硫；這些技術(shù)主要集中于處理一般與其他復(fù)雜過程氣或工藝氣如H
2S、SO
2、CO
2、CS
2、水蒸汽等混合在一起的硫蒸氣，因此硫冷卻收集工藝過程復(fù)雜，硫磺裝置投資大、占地面積多，且裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
在某些化工生產(chǎn)過程中，會產(chǎn)生成分簡單的硫元素組成的硫蒸汽，譬如在輝鉬礦中二硫化鉬真空分解制備金屬鉬粉過程中，產(chǎn)生的占原料40%的硫蒸氣成分即相對簡單，除原料輝鉬礦中攜帶的少量金屬雜質(zhì)外，幾乎全部是純凈的單質(zhì)硫，上述生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的硫蒸汽不能直接釋放到空氣中，需冷卻回收，否則將污染環(huán)境、浪費資源，而且硫磺粉塵在空氣中含量大于35mg/m
3時，遇見火星會引起爆炸，威脅生產(chǎn)環(huán)境安全。
關(guān)于成分簡單的硫蒸汽的收集，也有一些研究：如天津?qū)氃落撝破饭荆–N201120175305.8）設(shè)計一種冷凝器，兩端有封頭，一端設(shè)置有氣體入口，另一端設(shè)置有液相出口，帶液相出口端頂端還設(shè)置氣相出口。含硫氣冷凝器可在冷卻后經(jīng)封頭進(jìn)行氣液分離同時濾除夾雜的固態(tài)硫；鎮(zhèn)江石化（CN200720191389.8）提供的硫冷凝器，包括有前管箱、殼程及后管箱，設(shè)有三個獨立腔，各腔室設(shè)置各自入氣口管或出氣口管。
由于硫蒸汽在低溫下如100～105℃可以直接固化成為固態(tài)的硫磺，固態(tài)硫磺易于收集包裝，且在固化過程中，硫蒸汽攜帶的部分雜質(zhì)成分因不能冷凝而被除去，可以實現(xiàn)對硫磺的凈化提純，因此中國專利公開CN202880878提出一種回收設(shè)備，殼體上方設(shè)硫入口管，殼體下部設(shè)液相硫出口和雜質(zhì)氣出口，殼體設(shè)兩層以上中空換熱管套，換熱管套與殼體內(nèi)壁設(shè)置交錯排列通道，并采用真空泵引流，使用時首先將硫單質(zhì)蒸汽引入回收器中直接冷卻為固態(tài)硫，之后通過調(diào)整介質(zhì)溫度使固態(tài)硫液化進(jìn)入收集器從而制得硫磺，有效收集硫蒸汽。
本文之前的設(shè)計，由硫蒸氣制備硫磺依靠接觸換熱，在硫蒸汽量大條件時，先接觸的硫蒸汽冷凝形成一薄層固態(tài)硫?qū)樱蠼佑|的硫蒸汽繼續(xù)換熱凝固，形成固態(tài)硫磺層，硫磺導(dǎo)熱性差，換熱效果不佳，硫蒸汽處理量受限，硫磺層達(dá)一定厚度需要切換或停止操作，不能連續(xù)化收集，效率有限。
由于硫蒸汽能在合適的溫度條件下轉(zhuǎn)化為液態(tài)硫磺，也有科研人員提出直接將硫蒸汽直接換熱為液硫：
如CN103818882提出一種回收含塵煙氣中硫蒸汽的方法，包括以下步驟：(1)、先將200℃~1200℃的含硫高溫?zé)煔馔ㄈ氲谝欢卫鋮s器，冷卻至120~200℃后，送入第二段冷卻器，同時在第一段冷卻器底部收集冷卻液化下來的液硫；(2)、煙氣通入第二段冷卻器，控制其流速在0.01～30m/s之間，保證煙氣在第二段冷卻器中的停留時間達(dá)到0.5s以上；控制第二段冷卻器的溫度，保證第二冷卻器出口處的煙氣溫度為100~200℃，同時在第二段冷卻器底部收集冷卻液化下來的液硫；（3）、從第二段冷卻器出來的煙氣進(jìn)入捕集塔，在捕集塔內(nèi)噴灑液硫?qū)煔膺M(jìn)行噴淋洗滌；煙氣流速為0.01～30m/s，保證煙氣在捕集塔中的停留時間在0.5s以上；控制煙氣出口溫度在100~200℃，同時在捕集塔底部收集冷卻液化下來的液硫。
從現(xiàn)有的將硫蒸汽收集為硫磺的設(shè)備來看，由于成分簡單的硫蒸汽存在不同溫度條件下物態(tài)的變化，可能通過改變硫蒸汽溫度來將硫蒸汽收集為硫磺，雖然直接將硫蒸汽轉(zhuǎn)化為固態(tài)硫磺可有效回收硫蒸汽，但其收硫效率低，需要進(jìn)行及時設(shè)備切換，在切換不及時的情況下，難以保證硫的收集效率，因此，硫蒸汽的收集更傾向于先將硫蒸汽轉(zhuǎn)化為液態(tài)硫，再收集液態(tài)硫為固態(tài)硫磺。
設(shè)計能實現(xiàn)硫蒸汽直接轉(zhuǎn)化為流動性好的液態(tài)硫從而最終收集到固態(tài)硫磺的由硫蒸汽收集硫磺的設(shè)備，成為硫蒸汽收集的發(fā)展方向。
由于有色金屬冶金生產(chǎn)過程中，由于物料分解等經(jīng)常會產(chǎn)生成分簡單的硫蒸汽，如二硫化鉬分解產(chǎn)生硫蒸汽、硫化汞分解產(chǎn)生硫蒸汽，即使在煤炭燃燒、油氣田、石化煉廠等領(lǐng)域，在其他工藝氣脫除的情況下，也會產(chǎn)生相對純凈的硫蒸汽，硫蒸汽的回收是企業(yè)一個頭等和嚴(yán)肅問題，如果硫蒸汽回收不能得到有效解決，危脅環(huán)境安全時，項目甚至不能上馬或停產(chǎn)停工，因此，本文的研究，可以探索出適合硫蒸汽收集的專用設(shè)備，使硫蒸汽能夠有效回收，利于環(huán)境保護，也提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益，能夠提高有色金屬冶金、石油化工等領(lǐng)域的快速發(fā)展。
目前，硫蒸汽的回收仍然局限于固化切換或者采用三級以上的多級收硫系統(tǒng)進(jìn)行收硫，本文從硫蒸汽換熱過程中物態(tài)變化規(guī)律的研究入手，研制能真正實現(xiàn)連續(xù)化、快速和安全的硫收集裝置，居行業(yè)領(lǐng)先地位，經(jīng)本文研發(fā)的硫收集裝置，能夠?qū)⒘蛘羝苯訐Q熱為流動性良好的液態(tài)硫，并最終實現(xiàn)硫磺收集；
硫蒸汽的處理與各行各業(yè)和環(huán)境保護密切相關(guān)，如何將硫蒸汽收集為可再利用的硫磺，并滿足環(huán)保要求，是所有行業(yè)關(guān)注的熱點，在綠色化學(xué)及全民環(huán)保意識增強的現(xiàn)實背景下，具備良好市場前景。
二、研制思路
為了解決企業(yè)在二硫化鉬真空分解制備金屬鉬粉過程中副產(chǎn)的氣態(tài)硫的收集，本文通過對硫蒸汽在真空條件下與換熱設(shè)備換熱、液化性質(zhì)變化及液硫收集的研究，設(shè)計出一種硫收集裝置，通過設(shè)置硫收集爐、加熱器、溫調(diào)器和真空泵，保持硫蒸汽在進(jìn)入硫收集裝置后，液化為流動性良好的液硫，實現(xiàn)真空下硫蒸氣的高效收集，適合工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)；減少環(huán)境污染，降低企業(yè)生產(chǎn)成本。
關(guān)鍵技術(shù)：
1、硫蒸汽在不同換熱條件下的物態(tài)變化影響硫蒸汽的連續(xù)性收集操作
硫蒸汽是以氣態(tài)形式進(jìn)入硫收集裝置的，在與加熱器換熱過程中，硫蒸汽會經(jīng)歷氣體、粘性物、棕色液體、黃色易流動液體、黃色固體的物態(tài)變化過程，在氣體條件下，硫難以收集，在固體條件下，不能進(jìn)行連續(xù)性收集，而粘性物狀態(tài)下，硫收集會出現(xiàn)停滯，這些情況下均會導(dǎo)致硫蒸汽不能正常收集而以氣態(tài)形式流出硫收集裝置排入空氣，只有在易流動條件下，硫蒸汽才能實現(xiàn)連續(xù)、高效收集，因此，如何控制硫蒸汽進(jìn)入硫收集裝置后能夠保持在易流動狀態(tài)的溫度區(qū)間內(nèi)是進(jìn)行硫蒸汽高效收集的關(guān)鍵；
2、真空條件下收集硫
硫蒸汽為相對純凈的氣態(tài)硫，硫蒸汽如果與外界大氣接觸即容易被大氣中氧氧經(jīng)為硫氧化物，從而污染空氣，而且一旦硫逸出硫收集裝置后在空氣中濃度達(dá)35mg/m3時，遇見火星會引起爆炸，存在安全隱患，因此，在進(jìn)行硫蒸汽收集的同時，保證硫收集裝置的真空無氧條件及最終收集效率，是實現(xiàn)硫蒸汽高效收集的又一個關(guān)鍵。
創(chuàng)新點：
1、加熱器與溫調(diào)器同時設(shè)置，控制硫蒸汽換熱為流動性良好的液態(tài)硫，實現(xiàn)硫蒸氣的高效收集，適合工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)
同時設(shè)置加熱器與溫調(diào)器，保證換熱介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)中換熱介質(zhì)如水蒸汽或?qū)嵊偷臏囟冗m應(yīng)性控制，高溫硫蒸氣引入硫收集爐后，與水蒸汽或?qū)嵊屯ㄟ^換熱管換熱面不斷換熱為流動性良好的液態(tài)硫，并自液硫出口管排出，換熱后的液硫立即流下，硫蒸氣始終與新鮮的換熱管換熱面接觸換熱，硫蒸汽的引入與液硫的排出同時進(jìn)行，從而實現(xiàn)了硫蒸汽的一級高效收集，適合工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)，硫蒸氣收集率在98%以上，結(jié)合硫收集爐Ⅱ?qū)κ樟蛴鄽膺M(jìn)行兩級硫蒸氣收集，硫蒸氣總收集率可達(dá)99.9%以上。
2、減少環(huán)境污染，降低企業(yè)生產(chǎn)成本
通過硫收集爐進(jìn)行一級硫收集，或者通過硫收集爐結(jié)合硫收集爐Ⅱ進(jìn)行兩級硫收集，硫磺收集過程中均是通過物理傳熱原理進(jìn)行，換熱介質(zhì)在管程中流動，硫介質(zhì)在殼程中流動，在有效將氣態(tài)硫蒸氣收集的同時，在換熱、液化及排出硫磺過程中，單質(zhì)硫不會接觸空氣氧化，不需水洗滌，不造成二次處理廢水或二次污染，不產(chǎn)生廢硫膏，消除了雜質(zhì)硫?qū)Νh(huán)境的污染；硫蒸氣攜帶的少量雜質(zhì)顆粒則被捕集器截留，不直接排入大氣，也減少了大氣的粉塵污染；采用真空泵的導(dǎo)流作用作為硫蒸氣在整套硫收集裝置中流動的動力，無需其他硫蒸氣運轉(zhuǎn)機械設(shè)備和藥劑消耗，維修工作量小，運行費用低，收集到的硫磺，雜質(zhì)少，可直接作為硫磺產(chǎn)品出售，也降低了企業(yè)生產(chǎn)成本。
三、設(shè)備設(shè)計及實驗流程：
設(shè)備包括：1、全自動液體硫磺溫調(diào)器 2、硫磺蒸發(fā)器 3、硫磺一級回收器 4、風(fēng)機 5、硫磺二級回收器 6、真空氣水分離器 7、真空泵 8、全自動液體硫磺加熱器 9、高壓電熱鍋爐 10、制冷機 11、冷凝器
實驗流程如下：
1.將硫蒸發(fā)器2添加50kg左右的固體硫，然后密封上蓋。
2.在全自動液體硫磺加熱器8添加硫，并啟動全自動液體硫磺加熱器8，使全自動液體硫磺加熱器8、硫磺一級回收器3及全自動液體硫磺溫調(diào)器 1形成液態(tài)硫循環(huán)流動；
3.啟動制冷機10和冷凝器11，使制冷機10、冷凝器11、硫磺二級回收器5形成冷凝循環(huán)，使硫磺二級回收器5溫度可達(dá)到0℃；
4.啟動硫磺蒸發(fā)器2，同時啟動真空氣水分離器6和 真空泵7，這時硫磺蒸發(fā)器2中產(chǎn)生的硫蒸汽經(jīng)過硫磺一級回收器3，完成液態(tài)硫一次收集；
5.在真空泵7作用下，經(jīng)過硫磺一級回收器3收集后剩余的硫整齊進(jìn)入硫磺二級回收器5，進(jìn)行冷凝收集。
6.在硫磺二級回收器5和真空泵之間添加過濾網(wǎng)，經(jīng)過硫磺二級回收器5低溫冷凝收集后氣流經(jīng)過過濾網(wǎng)過濾，實現(xiàn)硫蒸氣完全收集。
實驗注意事項：
1.風(fēng)機4和全自動液體硫磺溫調(diào)器1實現(xiàn)硫蒸氣溫度控制，且保證液態(tài)硫循環(huán)流動；
2.高壓電熱鍋爐9主要用于硫磺一級回收器3和硫磺二級回收器5中硫的排除。
四、實驗結(jié)果
本除硫裝置聯(lián)通實驗后，連續(xù)運行7天，收集硫120kg，且硫磺二級回收器5未冷凝情況下，硫磺二級回收器5上未發(fā)現(xiàn)明顯硫蒸氣，表明裝置收硫效果明顯。
五、設(shè)備制作及調(diào)試成本
| 部件名稱 |
價格/元 |
備注 |
| 液硫溫調(diào)器 |
7800 |
前后改進(jìn)三次 |
| 硫蒸發(fā)器 |
9000 |
硫蒸發(fā)器先后改造7次，尺寸由φ150×300
放大到φ450×800 |
| 硫一級回收器 |
8760 |
內(nèi)部布滿列管，制備工藝復(fù)雜，改進(jìn)3次 |
| 硫二級回收器 |
11400 |
內(nèi)部布滿列管，制備工藝復(fù)雜，改進(jìn)2次 |
| 風(fēng)機 |
600 |
|
| 真空氣水分離器 |
3120 |
|
| 真空泵 |
0 |
自有設(shè)備，未列入成本 |
| 液硫加熱器 |
10320 |
加熱元件前后燒斷十余次 |
| 高壓鍋爐 |
7800 |
前后改進(jìn)3次 |
| 制冷機 |
18000 |
外協(xié)訂做 |
| 冷凝器 |
4200 |
|
| 控制系統(tǒng) |
11400 |
包括控制系統(tǒng)軟件編程、壓力表、溫度控制儀 |
| 硫磺 |
1440 |
6袋 |
| 人工費 |
32400 |
前后總共用工270個，以每工120元計 |
| 電費 |
2750 |
|
| 技術(shù)服務(wù)費 |
30000 |
協(xié)商 |
| 總計 |
158990 |
|
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