硫化矿（如二硫化钼）处理副产硫的收集装置的设备研制思路探讨
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一、研制背景
在绿色化学发展的今天，世界各国对包括硫在内的污染物排放制订了严格的排放制度，但在工业生产过程中，如辉钼精矿（主成份为二硫化钼）焙烧生产三氧化钼以及辉钼精矿分解生产金属钼粉，经常产生带有硫元素的气体，其中硫的处理回收成为一个严肃问题。
在煤炭燃烧、油气田、石化炼厂等领域，经常会存在烟气脱硫硫磺回收流程，如海工英派尔（CN201120470746.0）采用的硫磺回收冷凝冷却装置，隔板与圆筒体焊接连接成三级冷凝管程，出口管箱设夹套，通过焊接与出口管箱连接，通过垫片密封，夹套内腔通蒸汽；安徽临泉化工公司（CN201010134670.4）硫磺回收分离设备由主分离器、备分离器、旋风除尘等组成，主分离器分离大部分液态硫磺，小部分气相旋风去硫粉硫粒，备分离器将未分离硫固化、吸附和分离，备分离器阻力超过0.01MPa后，主备分离器互换，循环切换；潘传洪（CN201120083447.1）的硫磺回收冷却器 可实现工艺气冷却，设有五个调节管；此外，CN201120175305.8、CN200720191389.8、CN201020687694.8等也公开了相应的硫磺冷却收集设备；
上述硫磺回收指将含硫化氢等有毒含硫气体中的硫化物转变为单质硫，常规采用卧式列管式单级或多级冷凝冷却器，多级独立或同壳，两端封头、中部若干横置列管，管程冷凝气态硫，壳程走水，热量交换后，管程中硫蒸气冷凝为液硫；这些技术主要集中于处理一般与其他复杂过程气或工艺气如H₂S、SO₂、CO₂、CS₂、水蒸汽等混合在一起的硫蒸气，因此硫冷却收集工艺过程复杂，硫磺装置投资大、占地面积多，且装置结构复杂。
在某些化工生产过程中，会产生成分简单的硫元素组成的硫蒸汽，譬如在辉钼矿中二硫化钼真空分解制备金属钼粉过程中，产生的占原料40%的硫蒸气成分即相对简单，除原料辉钼矿中携带的少量金属杂质外，几乎全部是纯净的单质硫，上述生产过程中产生的硫蒸汽不能直接释放到空气中，需冷却回收，否则将污染环境、浪费资源，而且硫磺粉尘在空气中含量大于35mg/m³时，遇见火星会引起爆炸，威胁生产环境安全。
关于成分简单的硫蒸汽的收集，也有一些研究：如天津宝月钢制品公司（CN201120175305.8）设计一种冷凝器，两端有封头，一端设置有气体入口，另一端设置有液相出口，带液相出口端顶端还设置气相出口。含硫气冷凝器可在冷却后经封头进行气液分离同时滤除夹杂的固态硫；镇江石化（CN200720191389.8）提供的硫冷凝器，包括有前管箱、壳程及后管箱，设有三个独立腔，各腔室设置各自入气口管或出气口管。
由于硫蒸汽在低温下如100～105℃可以直接固化成为固态的硫磺，固态硫磺易于收集包装，且在固化过程中，硫蒸汽携带的部分杂质成分因不能冷凝而被除去，可以实现对硫磺的净化提纯，因此中国专利公开CN202880878提出一种回收设备，壳体上方设硫入口管，壳体下部设液相硫出口和杂质气出口，壳体设两层以上中空换热管套，换热管套与壳体内壁设置交错排列通道，并采用真空泵引流，使用时首先将硫单质蒸汽引入回收器中直接冷却为固态硫，之后通过调整介质温度使固态硫液化进入收集器从而制得硫磺，有效收集硫蒸汽。
本文之前的设计，由硫蒸气制备硫磺依靠接触换热，在硫蒸汽量大条件时，先接触的硫蒸汽冷凝形成一薄层固态硫层，后接触的硫蒸汽继续换热凝固，形成固态硫磺层，硫磺导热性差，换热效果不佳，硫蒸汽处理量受限，硫磺层达一定厚度需要切换或停止操作，不能连续化收集，效率有限。
由于硫蒸汽能在合适的温度条件下转化为液态硫磺，也有科研人员提出直接将硫蒸汽直接换热为液硫：
如CN103818882提出一种回收含尘烟气中硫蒸汽的方法，包括以下步骤：(1)、先将200℃~1200℃的含硫高温烟气通入第一段冷却器，冷却至120~200℃后，送入第二段冷却器，同时在第一段冷却器底部收集冷却液化下来的液硫；(2)、烟气通入第二段冷却器，控制其流速在0.01～30m/s之间，保证烟气在第二段冷却器中的停留时间达到0.5s以上；控制第二段冷却器的温度，保证第二冷却器出口处的烟气温度为100~200℃，同时在第二段冷却器底部收集冷却液化下来的液硫；（3）、从第二段冷却器出来的烟气进入捕集塔，在捕集塔内喷洒液硫对烟气进行喷淋洗涤；烟气流速为0.01～30m/s，保证烟气在捕集塔中的停留时间在0.5s以上；控制烟气出口温度在100~200℃，同时在捕集塔底部收集冷却液化下来的液硫。
从现有的将硫蒸汽收集为硫磺的设备来看，由于成分简单的硫蒸汽存在不同温度条件下物态的变化，可能通过改变硫蒸汽温度来将硫蒸汽收集为硫磺，虽然直接将硫蒸汽转化为固态硫磺可有效回收硫蒸汽，但其收硫效率低，需要进行及时设备切换，在切换不及时的情况下，难以保证硫的收集效率，因此，硫蒸汽的收集更倾向于先将硫蒸汽转化为液态硫，再收集液态硫为固态硫磺。
设计能实现硫蒸汽直接转化为流动性好的液态硫从而最终收集到固态硫磺的由硫蒸汽收集硫磺的设备，成为硫蒸汽收集的发展方向。
由于有色金属冶金生产过程中，由于物料分解等经常会产生成分简单的硫蒸汽，如二硫化钼分解产生硫蒸汽、硫化汞分解产生硫蒸汽，即使在煤炭燃烧、油气田、石化炼厂等领域，在其他工艺气脱除的情况下，也会产生相对纯净的硫蒸汽，硫蒸汽的回收是企业一个头等和严肃问题，如果硫蒸汽回收不能得到有效解决，危胁环境安全时，项目甚至不能上马或停产停工，因此，本文的研究，可以探索出适合硫蒸汽收集的专用设备，使硫蒸汽能够有效回收，利于环境保护，也提高了企业的经济效益，能够提高有色金属冶金、石油化工等领域的快速发展。
目前，硫蒸汽的回收仍然局限于固化切换或者采用三级以上的多级收硫系统进行收硫，本文从硫蒸汽换热过程中物态变化规律的研究入手，研制能真正实现连续化、快速和安全的硫收集装置，居行业领先地位，经本文研发的硫收集装置，能够将硫蒸汽直接换热为流动性良好的液态硫，并最终实现硫磺收集；
硫蒸汽的处理与各行各业和环境保护密切相关，如何将硫蒸汽收集为可再利用的硫磺，并满足环保要求，是所有行业关注的热点，在绿色化学及全民环保意识增强的现实背景下，具备良好市场前景。
二、研制思路
为了解决企业在二硫化钼真空分解制备金属钼粉过程中副产的气态硫的收集，本文通过对硫蒸汽在真空条件下与换热设备换热、液化性质变化及液硫收集的研究，设计出一种硫收集装置，通过设置硫收集炉、加热器、温调器和真空泵，保持硫蒸汽在进入硫收集装置后，液化为流动性良好的液硫，实现真空下硫蒸气的高效收集，适合工业化连续生产；减少环境污染，降低企业生产成本。
关键技术：
1、硫蒸汽在不同换热条件下的物态变化影响硫蒸汽的连续性收集操作
硫蒸汽是以气态形式进入硫收集装置的，在与加热器换热过程中，硫蒸汽会经历气体、粘性物、棕色液体、黄色易流动液体、黄色固体的物态变化过程，在气体条件下，硫难以收集，在固体条件下，不能进行连续性收集，而粘性物状态下，硫收集会出现停滞，这些情况下均会导致硫蒸汽不能正常收集而以气态形式流出硫收集装置排入空气，只有在易流动条件下，硫蒸汽才能实现连续、高效收集，因此，如何控制硫蒸汽进入硫收集装置后能够保持在易流动状态的温度区间内是进行硫蒸汽高效收集的关键；
2、真空条件下收集硫
硫蒸汽为相对纯净的气态硫，硫蒸汽如果与外界大气接触即容易被大气中氧氧经为硫氧化物，从而污染空气，而且一旦硫逸出硫收集装置后在空气中浓度达35mg/m3时，遇见火星会引起爆炸，存在安全隐患，因此，在进行硫蒸汽收集的同时，保证硫收集装置的真空无氧条件及最终收集效率，是实现硫蒸汽高效收集的又一个关键。
创新点：
1、加热器与温调器同时设置，控制硫蒸汽换热为流动性良好的液态硫，实现硫蒸气的高效收集，适合工业化连续生产
同时设置加热器与温调器，保证换热介质循环系统中换热介质如水蒸汽或导热油的温度适应性控制，高温硫蒸气引入硫收集炉后，与水蒸汽或导热油通过换热管换热面不断换热为流动性良好的液态硫，并自液硫出口管排出，换热后的液硫立即流下，硫蒸气始终与新鲜的换热管换热面接触换热，硫蒸汽的引入与液硫的排出同时进行，从而实现了硫蒸汽的一级高效收集，适合工业化连续生产，硫蒸气收集率在98%以上，结合硫收集炉Ⅱ对收硫余气进行两级硫蒸气收集，硫蒸气总收集率可达99.9%以上。
2、减少环境污染，降低企业生产成本
通过硫收集炉进行一级硫收集，或者通过硫收集炉结合硫收集炉Ⅱ进行两级硫收集，硫磺收集过程中均是通过物理传热原理进行，换热介质在管程中流动，硫介质在壳程中流动，在有效将气态硫蒸气收集的同时，在换热、液化及排出硫磺过程中，单质硫不会接触空气氧化，不需水洗涤，不造成二次处理废水或二次污染，不产生废硫膏，消除了杂质硫对环境的污染；硫蒸气携带的少量杂质颗粒则被捕集器截留，不直接排入大气，也减少了大气的粉尘污染；采用真空泵的导流作用作为硫蒸气在整套硫收集装置中流动的动力，无需其他硫蒸气运转机械设备和药剂消耗，维修工作量小，运行费用低，收集到的硫磺，杂质少，可直接作为硫磺产品出售，也降低了企业生产成本。
三、设备设计及实验流程：
设备包括：1、全自动液体硫磺温调器   2、硫磺蒸发器   3、硫磺一级回收器  4、风机   5、硫磺二级回收器  6、真空气水分离器   7、真空泵  8、全自动液体硫磺加热器   9、高压电热锅炉  10、制冷机  11、冷凝器
实验流程如下：
   1.将硫蒸发器2添加50kg左右的固体硫，然后密封上盖。
   2.在全自动液体硫磺加热器8添加硫，并启动全自动液体硫磺加热器8，使全自动液体硫磺加热器8、硫磺一级回收器3及全自动液体硫磺温调器 1形成液态硫循环流动；
   3.启动制冷机10和冷凝器11，使制冷机10、冷凝器11、硫磺二级回收器5形成冷凝循环，使硫磺二级回收器5温度可达到0℃；
  4.启动硫磺蒸发器2，同时启动真空气水分离器6和 真空泵7，这时硫磺蒸发器2中产生的硫蒸汽经过硫磺一级回收器3，完成液态硫一次收集；
  5.在真空泵7作用下，经过硫磺一级回收器3收集后剩余的硫整齐进入硫磺二级回收器5，进行冷凝收集。
  6.在硫磺二级回收器5和真空泵之间添加过滤网，经过硫磺二级回收器5低温冷凝收集后气流经过过滤网过滤，实现硫蒸气完全收集。
  实验注意事项：
   1.风机4和全自动液体硫磺温调器1实现硫蒸气温度控制，且保证液态硫循环流动；
   2.高压电热锅炉9主要用于硫磺一级回收器3和硫磺二级回收器5中硫的排除。
四、实验结果
   本除硫装置联通实验后，连续运行7天，收集硫120kg，且硫磺二级回收器5未冷凝情况下，硫磺二级回收器5上未发现明显硫蒸气，表明装置收硫效果明显。
五、设备制作及调试成本

部件名称	价格/元	备注
液硫温调器	7800	前后改进三次
硫蒸发器	9000	硫蒸发器先后改造7次，尺寸由φ150×300 放大到φ450×800
硫一级回收器	8760	内部布满列管，制备工艺复杂，改进3次
硫二级回收器	11400	内部布满列管，制备工艺复杂，改进2次
风机	600
真空气水分离器	3120
真空泵	0	自有设备，未列入成本
液硫加热器	10320	加热元件前后烧断十余次
高压锅炉	7800	前后改进3次
制冷机	18000	外协订做
冷凝器	4200
控制系统	11400	包括控制系统软件编程、压力表、温度控制仪
硫磺	1440	6袋
人工费	32400	前后总共用工270个，以每工120元计
电费	2750
技术服务费	30000	协商
总计	158990