硫磺湿法成型装置技术研究与应用

摘要：液体硫磺温度通常在118℃以上，低于118℃则迅速结块凝固，且温度一旦高于157℃则流动性特差，容易着火，与金属反应易自燃。其特殊的物理性质决定了其不可能大规模被储存及运输，因此，将液体硫磺转固，形成规模化，流水线化的硫磺转运及运输作业必然具有重要的意义。硫磺湿法成型的工艺对比传统硫磺成型工艺具有效率高、能耗小、危害低等优点，本文主要介绍硫磺湿法成型工艺原理。

关键词：硫磺 液体硫磺 湿法成型 水循环系统

一、硫磺的性质

元素符号S，颜色：黄色颗粒，由液态硫磺凝固制得，分为结晶型和无定形两种。结晶型硫主要有两种同素异形体。在95.6℃以下，相对密度（20℃）2.07、熔点112.8℃、折射率1.957。在95.6℃以上，相对密度（20℃）1.96、熔点119.25℃、折射率2.038。不溶于水，稍溶于乙醇和乙醚，溶于二硫化碳、四氯化碳和苯。无定形硫主要是弹性硫，是将熔融硫迅速注入冷水中而得，不稳定。净化厂生产的硫磺就是这种形态的，主要用于制酸行业，本品为天然橡胶及合成橡胶最通用最重要的硫化剂。

固体硫磺自燃点为250℃，熔点为114.5～119℃，当加热至114.5℃以上时即熔化为明亮的液体，当加热至160～170℃时变稠变黑，继续加热到250℃时，又变成液体。

硫磺水分含量过高，会促进嗜硫杆菌的作用产生硫酸，也就是硫磺中的酸度会增加，从而腐蚀储运设备和熔硫设备；此外，硫磺水分过高，会增加熔硫蒸汽的消耗和降低熔硫设备的能力（水分含量提高1%相应熔硫能力下降近5%）。

二、传统型硫磺成型装置

1.回转钢带式硫磺成型装置

目前，回转钢带式硫磺成型装置在国内广泛应用，其示意图如图1所示：

图1 回转钢带式硫磺成型装置示意图

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。最大处理能力为6t/h，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，因此是目前中、小规模硫磺造粒装置的首选方案，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，占地面积较大，根本无法适应大规模硫磺生产的需要。

2.硫磺转筒喷浆造粒装置

硫磺转筒喷浆造粒装置也是常用的硫磺造粒设备，该示意图如图2所示，其过程机理是：在一个旋转的圆筒内壁安装许多抄板，随着圆筒的旋转，不断将筒内的粉末或小颗粒硫磺抄起，并在圆筒内一侧形成物料幕帘。在另一侧液体硫磺从喷头喷入筒内的物料幕帘上，经与硫磺粉粒混合、喷涂凝聚形成球形颗粒，落在圆筒的底部，并被筒内抄板重新抄起，液硫继续喷涂、颗粒进一步长大成球。当颗粒形成2～6mm的圆球后，通过转筒的一端落入皮带输送机进行包装。在液硫喷入圆筒内的同时，喷入高压雾化水，利用水的气化潜热使喷涂、包覆的液硫颗粒得以快速冷却固化，同时水蒸汽由引风机排出造粒机回转滚筒外，排出的尾气经除尘后排空。由于整个过程通过检测造粒机内的物料温度，由计算机实时控制液硫或冷却水的流量，使物料既能快速冷却，又能有效防止物料含水量过大，避免造成水分超标。国外特别是在中东地区国家，转筒喷浆造粒机使用量占70%，而钢带只占30%。目前，由南京三普造粒装备有限公司生产的转筒喷浆造粒机最大处理能力为15t/h，若采用该类型硫磺成型机，则普光净化厂需建设24套这样的硫磺造粒装置。设备数量多，占地面积大，维护维修工作量大。不适合规模化生产。

图2 硫磺转筒喷浆造粒装置示意图

三、湿法硫磺成型工艺原理简介

来自硫磺回收单元或液硫罐区单元的温度为138～142℃的液硫，靠重力作用滴入温度为50～60℃工艺冷水中，在液硫界面张力作用下冷却固化为直径为2～6mm的圆球状颗粒，后经两级振动筛对硫颗粒进行脱水使得到的硫磺产品含水量低于2%，粒径小于2mm的所含比例小于2%。

四、湿法硫磺成型工艺流程描述

液体硫磺进入硫磺成型装置前，先进入成型装置区的液硫池，液硫池中的液硫由伴热蒸汽维持温度为124～142℃，立式液硫泵将液硫大约以45m3/h、0.25MPa的压力泵入成型机。到达硫磺成型机顶部的液硫，由流量控制阀控制流向带孔的成型盘，此时液硫的温度为138～142℃。液硫分布器保证了蒸气加热的成型盘里液硫均匀分散，成型盘位于支撑盘和装满水的成型罐上部。液硫通过成型盘底部预设的一定直径的孔眼滴入到下方温度为50～60℃的工艺冷水中，在水中沉降并进一步冷却成球状颗粒，沉积到成型罐底部。成型罐中的进水方向与液硫滴珠沉降的方向相反，保证了液硫滴珠在温度较低的水中慢慢冷却固化成硫颗粒。硫颗粒沉积于成型罐底部，颗粒的高度由成型罐排放口处的硫颗粒高度控制阀门控制。载荷检测器监测成型罐中硫颗粒的重量，通过硫颗粒高度控制阀门，保持所需硫颗粒高度。硫颗粒与水一起排离成型罐后，在重力作用下，进入振动筛，除去粒径较小的细粉硫磺和水，得到成品硫磺，其含水量低于2%，粒径小于2mm的所含比例小于2%。成品硫磺颗粒由皮带输送机构外输装袋或装车外输。

振动脱水筛脱出的水、来自成型罐的溢流回水及从螺旋输送器脱出的水进入热水槽由水力旋流进料泵泵入水力旋流分离器脱除水中的细粉硫，脱除细粉硫后的净水自水力旋流分离器上部流到净水槽，净水槽中被净化后的热水（不含细粉硫）由冷却塔进料泵泵入冷却塔，冷却后的水靠重力作用流入冷水槽，成型罐进水泵将冷水槽内冷却水泵入成型罐，冷水槽补水通过液位控制阀保持冷水槽正常液位。

图3 湿法硫磺成型装置示意图

1外界进液硫管线 2 液硫池 3 液硫池液硫泵 4 成型罐 5 硫磺成型盘 6 粉尘罩7 调节阀 8 振动脱水筛 9 皮带外输机构 10 水力旋流进料泵 11 热水槽 12 冷却塔进料泵 13 净水槽 14 成型罐进水泵 15 冷水槽 16 外界补充水 17冷却塔风扇 18 冷却塔 19 水力旋流分离器 20 螺旋输送器 21 再熔器 22 再熔器液硫泵

从振动筛过筛下来的细粉硫磺和水经落料口通过管道传送到热水槽进行汇集，细粉硫在管道中流动的动力由两部分提供：一是通过振动筛分离出水的流动携带细粉硫流向热水槽；二是通过落料口管线上的振动电机给管线振动产生振动力迫使细粉硫向热水槽移动。汇集到热水槽的水和细粉硫由水力旋流进料泵打入水力旋流分离器，排放至细粉硫料斗/螺旋输送器，经滑道至细粉硫再熔器，在细粉硫再熔器中和来自液硫池的液硫由0.6MPa蒸汽加热共熔后由再熔硫磺输送泵泵入液硫池。

五、硫磺成型装置主设备的结构和工作原理及在工艺流程中的作用

1.成型罐

成型罐提供液硫成型的场所，该设备材质为不锈钢，从上到下呈锥形设计，中下部以旋流状分布有4个冷却水进口，使得进入成型罐内的冷却水自下而上保持旋流状态通过成型罐，成型罐顶部设置溢流口，冷却水自成型罐上部的溢流口进入溢流管线回到热水槽。成型罐顶部溢流口处安装有成型罐水温和液位监测装置。成型罐内水温自下而上由低到高呈梯度分布，液硫在成型罐内自上而下靠重力下降，与成型罐内的呈旋流态的冷却水逆向接触并充分与硫颗粒混合，提高了冷却水对液硫的冷却效果。

2.液硫分布盘和成型盘

液硫分布盘位于成型盘的上部，其侧壁靠下分布着直径大约为1cm的圆形孔眼，分布盘上的液硫溢流通过该孔眼进入成型盘。成型盘的侧壁为200mm高，底部分布有直径约为1024个的孔眼，液硫在成型盘上保持一定的液位，靠重力通过成型盘进入下部的成型罐。成型盘侧壁上的安装两个热电偶，可以感知成型盘盘温。成型盘中部同样安装感知液硫温度热电偶，当液硫温度过高时，逻辑控制器的警报器报警。成型盘顶部安装有感知成型盘液位的热电偶用于高液位警报警和停车。当温度过高，达到报警温度时，液硫进料控制阀自动关闭。

3.振动脱水筛

振动脱水筛是保证硫颗粒产品含水达标的重要设备，振动脱水筛由四块相互连接的筛板组成。筛板上分布有可以让水带细粉硫颗粒、破碎的硫颗粒通过的直径大约为2-3mm的条形孔眼。振动脱水筛通过振动马达的椭圆转动，产生振动，使水和硫颗粒分离。

4.水力旋流分离器

水力旋流分离器用压力梯度作为驱动力从水中把细粉颗粒分离出来，待分离物沿切线进入水力旋流分离器，并以螺旋状态通过水力旋流分离器，通过离心作用，密度较大的硫颗粒自水力旋流分离流出，密度较小的含少量细粉的自水力旋流分离器上部溢出。通过离心分离作用99.4%粒径超过53微米的细粉颗粒被去除。

5.细粉硫再熔器和再融硫磺输送泵

硫磺再熔器为立式罐，其内部分布有螺旋状的蒸气加热盘管，提供振动筛脱除的细粉硫的溶解场所，溶解后的细粉硫被再融硫磺输送泵泵入液硫池重新进行成型。

6.液硫送料泵

液硫送料泵是将液硫池中的液硫举升至成型机顶部的装置，该泵由美国LEWIS PUMPS公司生产，额定硫磺50m3/h，一台泵可供给一台成型机生产，采用变频设计，通过改变泵的转速，可自动调节泵出口流量。该液流泵采用填料密封和自冲洗装置，并采用蒸汽夹套使输送液硫保持一定的温度。

7.循环水泵

整个硫磺成型机共有6台循环离心水泵，是完成硫磺成型装置水循环系统的重要输送装置，额定流量30m3/h，承担着将硫颗粒及水送至螺旋输送器、将净化水送至冷却塔进行冷却及将冷却水送至成型罐的作用，3开3备用。

8.螺旋输送器

细粉硫颗粒经旋转很慢的料斗进一步的脱水。进一步脱水后的细粉硫由螺旋料斗的上部出来，进入细粉硫再熔器。

六、湿法硫磺成型装置技术创新点

1.单台成型机处理量大，占地面积小，生产能耗低

该套硫磺成型装置处理量为90t/h，最大处理量为95t/h，据亚洲首位，四台成型机共约占地100平方米、结构紧凑、占地面积小，在川东北地质状况下，极大地节约了场平成本。其中硫磺成型机所用蒸汽来自联合装置自产蒸汽，每小时一台硫磺成型机的电力消耗约为147.15度，每吨硫磺的能耗为147.15÷90=1.635度/吨。生产能耗低。

2.产品生成过程无硫磺粉尘产生，对人体刺激小，安全系数高

干法生产硫磺时，无可避免地会产生硫磺粉尘，硫磺粉尘严重污染空气，人如果长时间、过多地暴露于硫粉尘中，会引起眼部、肺部和呼吸系统地不适。而且绝缘体，在相互碰撞过程中会产生静电，而静电产生的电火花可导致起火，引起较大的火灾危险性。而采用湿法硫磺成型技术，硫磺颗粒表面形成一次致密、坚硬、光滑的外壳，并有适宜的含水量，决定了整个硫磺生产过程无硫磺粉尘产生。对人体刺激小，安全系数高。

3.操作简单，操作灵活性高

在蒸汽伴热正常的情况下，成型机开停机过程只需5分钟就可完成，由于液硫送料泵采用变频设计，单台硫磺成型处理量可在20-90t/h进行自动调节。操作简便，操作灵活性高。

4.全套水循环系统采用CPVC管材设计，成本低，抗腐蚀性好

硫磺本身对设备无腐蚀性，但硫磺在较高含水量的情况下，会促使硫磺水分含量过高，促进嗜硫杆菌的作用产生硫酸，在一定程度上对管材产生腐蚀。水循环系统采用全套CPVC管材，起到了较好的抗硫颗粒及水腐蚀的效果，CPVC 树脂由聚氯乙烯（ PVC ）树脂氯化改性制得到。 PVC 树脂经过氯化后，分子键的不规则性增加，极性增加，使树脂的溶解性增大，化学稳定性增加，从而提高了材料的耐热性、耐酸、碱、盐、氧化剂等的腐蚀。且CPVC管材价格是不锈钢管材的五分之一，极大节约了投资成本。

七、结论

硫磺湿法成型相对于传统回转钢带式硫磺成型处理量大、效率高，无粉尘，对人体伤害小，安全系数高，成型的硫颗粒达到国家优等品国家标准。湿法硫磺成型工艺技术解决了百万吨级液体硫磺的转固问题，使规模化、流水线化硫磺运输模式在成为现实，具有较好的经济效益和社会效益。

参考文献

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