WSA湿法制硫酸装置平面布置探讨

WSA湿法制硫酸装置平面布置探讨
摘要：文章结合某厂10万吨/年WSA湿法制硫酸装置的平面布置，从装置占地
的初期规划，工艺和设备的特殊性，以及大口径管道的规划等方面，对影响WSA
湿法制硫酸装置平面布置的因素进行了讨论。

得出了此类装置的平面布置必须提
前规划，综合考虑影响装置平面布置的所有因素，尤其是此类装置特有的设备，
管道器材等，才能保证装置平面布置合理的结论，对类似装置的平面布置具有一
定的参考意义。

关键词：WSA湿法制硫酸；特殊性；大管道
随着硫酸工业在国内的飞速发展，丹麦托普索公司的WSA湿法制硫酸工艺在国内得到
了越来越多的应用。

装置因为流程简单，操作弹性大，燃料消耗少，副产蒸汽效率高[1]，且
占地面积小而备受青睐。

但此种装置在国内仍然处于发展阶段，在设计过程中，由于国内外
设计理念不同而导致的问题仍然很多。

尤其是装置的平面布置，受到各种条件的制约，业主
往往按照工艺包商的建议平面，在全厂总平面规划阶段就确定了装置的占地面积，导致后期
调整的空间非常有限，其设计难度远超过相对成熟的炼化装置。

本文以某厂10万吨/年WSA
湿法制硫酸装置为例，从工艺要求，设备特殊性和大口径管道布置等几个方面对装置平面布
置的影响进行了探讨与分析。

1.工艺要求的特殊性
WSA湿法制硫酸装置的工艺分为氧化、转化、水合冷凝3个部分[2]。

串联式流程、装
置狭小的占地，决定了平面只能采用环状布局，以充分利用空间。

1.1全流程串联无分支
原料气从装置左上角进入原料处理系统，向下进入焚烧炉氧化，再沿平面下部从左至右，分别经过反应和转化系统，再沿右侧向上进入WSA冷凝器水合冷凝成产品硫酸，最后到右上角的尾气处理系统。

设备几乎将装置占满，导致装置的平面布置没有太多的回旋余地。

1.2保温厚度大
WSA湿法制硫酸装置保温的首要目的是确保工艺气的温度远高于其中的硫酸的露点。

气态硫酸因反应（SO3+H2O→H2SO4）而存在于工艺气中，如果温度降至硫酸的露点（250℃）
以下，工艺气中的部分气态硫酸将会冷凝成液态硫酸，而刚刚冷凝出的高温液态硫酸对钢材
的腐蚀速度非常快[3]。

因此，装置的设备、管道等的保温厚度普遍达300mm，且在常规装置中无须保温的膨胀节也要求保温，由于拉杆在径向上超出管外壁很多，想保证拉杆处的保温
厚度，就要进一步向装置内扩大框架尺寸，使本来就非常紧张的占地更显局促。

1.3仪表检测点多
为防止露点腐蚀，过程气管道上设置了大量温度检测点，大部分均设有就地和远传两种
仪表。

为有效监测过程气的状态，须设置大量巡检走道。

结果就是装置框架林立，走道交错
纵横，必须在平面布置开始时就合理规划，才能满足如此多的平台走道的空间。

2.设备的特殊性
2.1大尺寸卧式焚烧炉
焚烧炉为一卧式圆筒炉，中间有一缩经口，以便合理的组成燃烧动力场，加强炉内气流
的充分混合和燃烧[4]。

焚烧炉规格为Φ4600X16500mm（图-2左侧），入口配有两组撬装的
燃烧控制系统，各占地3500X2500mm，出口串接Φ3800X9000mm的废热锅炉。

装置整个左
侧被燃烧系统占去大半。

焚烧炉两侧分布大量测温仪表，均需要现场观测，要求加热炉两侧
各布置一条操作检修平台，受平面布置所限，装置内侧走道不得不设置在管桥下方。

2.2管嘴零受力要求的特殊设备
WSA酸冷却器的作用是将反应产生的SO3和H2O水合冷凝为产品硫酸。

该设备为槽钢
框架，钢板贴面，内部为竖直玻璃冷凝管结构，玻璃管悬挂于设备顶面内部。

玻璃管在设备
内不完全固定，设备管嘴直接开在设备外壁钢板上，因此要求管嘴零受力，且柱子不允许搭接。

设备四路进出口管道口径很大，分别为DN1900mm和DN2100mm，每路主管分五路出
入设备。

为满足设备管嘴零受力要求，此部分管道使用大量膨胀节，并在设备管嘴侧设置独
立框架支撑管道。

导致冷凝器出口侧其他设备移位，对平面布置产生很大的影响。

急冷塔和洗涤塔均为玻璃钢设备，管嘴同样要求零受力。

相关管道靠近设备管嘴部分均
须考虑使用弹簧支吊架来确保管嘴的零受力要求。

静电除尘器底部的循环泵为衬里结构，相
关管线为碳钢衬里材质，泵口同样要求零受力，除了在管道布置上考虑足够的柔性外，泵进
出口处还要求设置膨胀节来确保泵与管道之间的受力要求。

装置内此类设备还很多，均需要
在平面布置时预留足够的空间来满足要求。

2.3过大的风机尺寸
TOPSOE公司的PID和参考平面布置中，三个位号的风机均为一台，且尺寸较小。

在施
工图设计过程中，应业主要求，每个位号的风机设置两台（一开一备），且订货风机尺寸远
大于预估尺寸，导致风机周边设备及框架移位，风机进出口管道布置方案大幅调整，由于一
级反应器框架底部的过程气风机尺寸过大，导致反应器和转化器框架整体抬高了2.5米，该
部分大管道布置方案全部重新核算。

3.大口径管道对装置平面的影响
WSA湿法制酸工艺可以看做是一系列大管道将所有设备连接起来的过程。

装置的平面布置在很大程度上取决于大管道的规划设计。

3.1直管段的要求
3.1.1扰流板的直管段要求
装置介质为燃料气，与热空气混合后燃烧氧化，再经过两级反应器和一级转化器，将大
部分含硫介质氧化为SO3。

在这一氧化、转化的过程中，每一阶段都有新的产物生成，为保
证过程气中各种介质混合均匀，在每个设备的进出口附近的管道内部，均设置有斜置45度
的圆形扰流板。

该扰流板前后或者直接有直管段距离要求，或者直接指定前后的直管段长度。

由于过程气管道口径非常大，设备的水平与垂直间距不得不反复调整，对装置的平面布局影
响很大。

3.1.2流量计要求
过程气管道口径从1700~2200不等，任何对于直管段有要求的流量计的布置，都将对装
置的平面布局产生致命的影响。

例如，装置净化空气去WAS冷凝器的管线，流量计要求前后共8D的直管段，由于风机是一开一备，出口要在水平管段上平接，导致此流量计前后直管
段非常紧张。

最后直接将风机及入口框架布置到了装置边界，才勉强满足要求。

3.1.3工艺要求
焚烧炉烟气经废热锅炉后，沿水平方向敷设，后向上进入一级反应器。

此部分水平管道须满足5D直管段，管道口径DN1600mm，导致反应器框架基础出装置边界，不得不将焚烧炉向北移动，但也进一步压缩了装置的检修空间。

3.2膨胀节的大量使用
装置占地小，管道口径大、介质温度高，且工艺上要求管道的阻力降尽可能小，因此管道一般布置短而直，尽量少拐弯[5]。

很多情况下必须使用膨胀节来吸收管道热胀。

膨胀节需要比管道大得多的安装空间，导致多处检修通道空间不足，只能增大框架尺寸。

装置大部分框架互相连通，局部的微小改动都会导致相关框架大面积的更改。

硫酸作为“化工之母”，其利用面非常广泛，经济效益也非常可观[6]。

WSA湿法制硫酸工艺在国内的使用仍然处于发展阶段，需要设计人员，尤其是装置负责人多方面综合考虑，及时开始装置的平面布置工作，并在设计的开始阶段就落实全部影响平面布置的细节因素，及早介入全厂的总平面设计，以满足此类装置在国内应用的特殊要求。

参考文献：
[1]宣守力.WSA湿法制硫酸工艺的应用[J].安徽化工，2014年，40（2）：53.
[2]张洪亮.WSA湿法制酸工艺探讨[J].科技论坛，2014年，5：1.
[3]张永军，秦雅婷，魏小鹏，颜坤坤.WSA湿法制硫酸装置运行中出现的问题及解决措施[J].中氮肥，2017年，3：10.
[4]汪家铭.酸性气硫回收WSA湿法制酸工艺及应用前景[J].泸天化科技，2009年，1：16.
[5]龙忠辉.硫酸装置膨胀节选型方案的分析[J].化工设备与管道，2001年，38：5.
[6]刘福生.WSA湿法硫酸工艺运行总结[J].化工设计通讯，2012年，38（1）：87.。