高铬铁素体不锈钢制造硫磺制酸干吸设备探讨

高铬铁素体不锈钢制造硫磺制酸干吸设备探讨来源:中国化工信息网2007年10月17日1概述与矿制酸及冶炼烟气制酸工艺相比，硫磺制酸工艺具有诸多不同之处，在干燥与吸收工序，由于多年来形成的习惯性思维，其不同之处常常被人们忽视。实际上，由于硫磺制酸装置干燥塔中干燥的是空气，而不是湿度很高的含二氧化硫气体，因而可谓不存在水平衡问题，也不存在二氧化硫在干燥塔循环酸中溶解并在吸收塔中解吸，因此可以使用w(H2SO4)=98%的硫酸干燥空气。从吸收平衡及吸收速度的角度来看，干燥塔淋酸的w(H2SO4)在98.3%左右最好。使用98%H2SO4干燥空气，干燥塔和吸收塔的循环酸既可以交叉循环，也可以共用循环槽。高铬铁素体不锈钢对w(H2SO4)≥98%的浓硫酸耐腐蚀性能良好，用其制造硫磺制酸装置中的干燥塔和吸收塔更合理，更能适应干吸系统工艺变化的要求。硫磺制酸中干燥与吸收酸循环的工艺流程有：“三塔三槽”、“三塔两槽”(干燥塔和一吸塔循环槽合一或干燥塔和二吸塔循环槽合一)和“三塔一槽“（干燥塔和吸收塔循环酸完全混合、干燥塔和一吸塔循环酸混合、干燥塔和吸收塔循环酸交叉）、还有热回收系统的干燥和吸收循环酸工艺流程等。这些工艺流程中的塔、槽均可用高铬铁素体不锈钢制造。硫磺制酸装置中的塔设备主要是指干吸系统的干燥塔、一吸塔和二吸塔。干燥塔用98%H2SO4将工艺系统所需空气除水后送至焚硫炉，作为生成二氧化硫的原料气；一吸塔和二吸塔用98%H2SO4在两转两吸工艺流程中分别将一次转化和二次转化后的工艺气体中三氧化硫组分加以吸收，制成产品硫酸。目前干吸塔基本上都是相似的填料塔，塔体多为钢壳内衬耐酸瓷砖立式圆筒形结构。耐酸瓷砖在砌筑过程中难以保证耐酸胶泥填满砖缝，“砖缝”易渗漏；在温度变化、焊接、敲击、震动等特殊情况下，“砖缝”易出现裂纹，严重时会造成酸渗漏。当硫酸渗漏到塔壳与耐酸瓷砖之间会生成硫酸盐，其体积约膨胀7倍，塔壳体将被胀裂。这种胀裂穿孔事故不易根治，另一方面，钢壳衬砖的塔体十分笨重、施工复杂、制造工期长、费用高、衬里砌筑质量难以保证。国外高温浓硫酸用高硅奥氏体不锈钢的开发与应用是在20世纪80年代。众所周知，最具代表性的是加拿大Chemetics公司开发的Saranet不锈钢，其中的镍含量为17%，硅含量达到5.5%。瑞典Sandvik公司开发的SandvikSX不锈钢，镍含量为19%-22%，硅含量达到6%左右。90年代中期，德国RUPP-VDM公司报道了700Si(2509Si7)不锈钢的镍含量为26%，硅含量达到7%左右。90年代末美国市场销售镍含量15%-16%，硅含量5.5%-6.5%的ZeCor高硅奥氏体不锈钢。在当今世界高温浓硫酸领域这些性能优良的不锈钢已得到广泛应用，它们的塑性变形性能良好，可轧成薄板，用来制造干吸塔、酸冷却器，以及管线和分酸器、泵、阀等。国内专门研究高温浓硫酸用高硅奥氏体不锈钢始于20世纪80年代末。其中有SS920，硅含量为6%，但由于种种原因，均未得到广泛推广应用，更不用说用来制造干吸塔等大型关键设备。21世纪初，旅顺滨城化工设备配件厂研制了超低碳高硅奥氏体不锈钢DS-1作为干吸塔内衬的耐腐蚀层，并在金川集团化工厂，太化集团硫酸厂取得成功业绩。目前镍的价格飞涨，已涨到本世纪初的7倍还多，因此目前的高硅奥氏体不锈钢的价格十分昂贵。3高铬铁素体不锈钢在硫酸生产中的应用3.1高铬铁素体不锈钢耐硫酸腐蚀的特殊不锈钢价格主要由金属炉料费用决定，尤其是铬和镍，其中金属镍是影响不锈钢成本和价格的主要因素。近年来金属铬和铬铁价格上涨的幅度比较平缓，而金属镍价格上涨幅度较大，使高镍不锈钢的应用和开发受到影响。试验表明，采用镍和铬、钼复合合金化虽然有提高不锈钢耐腐，蚀性能效果，但镍的主要作用是改善不锈钢的力学性能和成型、焊接等工艺性能，合金元素镍对硫酸的耐腐蚀性能不起决定性作用。所以开发应用低镍的双相不锈钢和无镍的高铬铁素体不锈钢，对降低其成本，减少设备投资，具有很大的经济意义。但双相不锈钢毕竟尚含有5%-8%的镍。所以国外十分重视开发研究高铬铁素体不锈钢。所谓高铬铁素体不锈钢是指铬含量高于25%(一般接近30%)的铁素体不锈钢。有时采用钼(Mo)、钛(Ti)和铌(Nb)等元素进一步合金化。有的高铬铁素体不锈钢可加入少量镍，但最高不超过2%。高铬铁素体不锈钢具有很多优点：①从经济上看高铬铁素体不锈钢可节约大量的贵重金属镍，降低合金板材造价；②高铬铁素体不锈钢具有优良的力学性能和冷、热加工成型性能；③高铬铁素体不锈钢具有优良的耐腐蚀性能，尤其是抗氯离子腐蚀性能，远高于常用的奥氏体不锈钢；④高铬铁素体不锈钢具有优良的抗应力腐蚀开裂(SCC)性能和优良的抗点蚀、抗缝隙腐蚀性能；⑤调整提高高铬铁素体不锈钢的碳含量，采用碳化物弥散强化，可提高其硬度，提高抗磨损性能。3.2超低碳高铬铁素体不锈钢超低碳高铬铁素体不锈钢主要指的是w(C)≤0.03%，w(Cr)=28%-30%，w(Mo)=3.6%-4.2%的不锈钢。该不锈钢同时可用钛和铌稳定碳化物。在任何温度下，金相组织均为铁素体。该钢由于铬含量高，同时加入钼，所以具有优良的抗氯离子腐蚀、抗点蚀和抗缝隙腐蚀性能。超低碳高铬铁素体不锈钢的点蚀指数高达42.20。一般地说，点蚀指数PRE大于40的合金基本上不产生点腐蚀。超低碳高铬铁素体不锈钢的临界点蚀温度75℃，接近高钼含氮的超级奥氏体不锈钢AL-6XN(80℃)，而临界缝隙温度(54℃)则高于AL-6XN(43℃)。说明它具有很强的抗点蚀和抗缝隙腐蚀能力。超低碳高铬铁素体不锈钢在高温浓硫酸中具有优良的耐腐蚀性能。从图1(略)可见，它在80-110℃、98%H2SO4中具有优良的耐腐蚀性能，其腐蚀速度小于0.025mm/a。当腐蚀速度为0.1mm/a时与其他耐高温浓硫酸的合金和700Si高硅不锈钢相比，超低碳高铬铁素体不锈钢的耐腐蚀性能仅次于700Si，但优于其他合金。当w(H2SO4)98%后，超低碳高铬铁素体不锈钢的耐腐蚀性能开始优于700Si(见图2略)，具有优良的耐腐蚀性能。3.3在硫酸生产中的应用展望1、干吸塔干吸塔用的材料除要满足工艺要求外，还要综合考虑经济投资费用。通常，干吸塔空塔操作气速选在1.2-1.6m/s，其综合效果更合理，也有把操作气速提高到1.8m/s，它应与采用高效填料和除沫效率高的除沫器技术相匹配。选取操作气速、生产能力和气体浓度，决定了干吸塔的内径。塔内填料高度与分酸装置、填料箅子板特性有关。根据我厂的成功经验，采用的填料层高度可降至3.5-4.0m。塔壳主材仍选用碳钢板，内衬2mm厚的超低碳铁素体不锈钢板，内衬板与内衬板焊接组成塔内的衬里层，封口处与碳钢壳体焊接。内衬板焊缝一次焊接后再用薄板条焊接密封。使塔内介质不与易腐蚀的碳钢壳体接触。干吸塔内不用砌筑耐酸瓷砖防腐蚀。2、箅子板、梁与梁支座塔内的填料支撑装置对于干吸塔的性能是至关重要的，它所追求的参数是开孔率高，使气体分布均匀。采用超低碳高铬铁素体不锈钢铸造的箅子板及支撑构件，开孔率可达80%以上。超低碳高铬铁素体不锈钢箅子板的尺寸大小是根据塔直径而定，其安装方法也是根据塔的直径而定。该箅子板放在梁上，也可放在耐酸砖砌的拱梁或梁支座上。只要设计选择的气体进塔速度合适，就可确保填料床内气体分布均匀。3、分酸器超低碳高铬铁素体不锈钢板制的槽式分酸器由分酸槽和分酸管组成，分酸管(外径一般在19-25mm)管内安装单向阀，只有酸能流下，气体不能进入，减少带酸沫。分酸点可达43个/米2，管式分酸器采用LSB-2合金球墨铸铁制成，但在分酸口(Φ8-12mm)处嵌镶了高铬铁素体不锈钢精铸的喷嘴，耐腐蚀抗磨损，可长期保持设计参数不变。分酸器可向下喷酸，也可向上喷酸，确保分酸均匀，使用寿命长。由于分酸点多，分酸量覆盖面积大，意味着不用靠增加填料高度再分酸，故硫酸干吸塔内的填料层高度可降到3.5m左右。4、管壳式酸冷却器若用高铬铁素体不锈钢小管制作的管壳式冷却器，酸走管内，冷却水走管外。由于该材料在98%H2SO4中有很好的耐腐蚀性，故酸冷却器不需要设置阳极保护。此外，也可用氯含量高的水(例如海水)作为冷却介质。4结束语1、低碳和超低碳高铬铁素体不锈钢在高温w(H2SO4)≥98%的硫酸中具有优良的耐腐蚀性能，同时具有优良的抗点蚀、抗缝隙腐蚀和抗氯化物腐蚀性能。是硫磺制酸装置干吸系统设备可选用的优良的耐腐蚀金属材料。2、低碳和超低碳高铬铁素体不锈钢具有优良的力学性能和冷热加工性能。既可轧成板、带、管、棒、丝等用来制造干吸塔、槽、管线，也可用于铸造泵、阀等的零部件。3、金属镍是影响不锈钢价格的主要元素。高铬铁素体不锈钢由于不含或含少量的贵重金属镍，从而降低了其造价。在当今镍价暴涨的情况下，开发和应用高铬铁素体不锈钢，具有十分可观的经济效益和广阔的应用前景。