硫回收尾氣及含氨酸性氣處理工藝研究

戴炳慧

（南京博納能源環保科技有限公司，江蘇南京 210048）

石油化工及煤化工生產過程中會產生大量含硫化氫的氣體。對于這部分氣體通常采用克勞斯硫回收工藝將硫化氫轉化為單質硫加以回收。但常規的克勞斯硫回收工藝排放的尾氣中含有少量的硫化氫，液硫以及各種含硫化合物等，不能直接排放，因此需要尾氣處理裝置進行進一步凈化處理。

以下是為某公司的硫回收尾氣及含氨酸性氣提出的處理工藝。

1 物料分析

1.1 含氨酸性氣

目前國內含氨酸性氣的來源是排放至氨火炬的廢氣，主要來自煤化工裝置，一般來源于變換工段的變換氣，變壓吸附工段的尾氣及合成氨裝置的尾氣等；這些氣體的共同點是含氨氣，另外還夾雜著一些酸性氣如硫化氫、一氧化碳、羰基硫等；下面是某公司煤化工裝置的變換氣，成分特性見表1。

表1 某公司煤化工裝置的變換氣成分特性表

續表

NH3在氧含量充足的情況下會直接氧化成氮氧化物，對焚燒尾氣處理要求很高；硫化物會氧化生成二氧化硫及三氧化硫，溫度過低會形成露點腐蝕；采用ASPEN軟件算出此變%換氣熱值約為4 053kJ/m3。

1.2 硫回收尾氣

硫回收過程氣的來源主要是克勞斯硫回收排放的尾氣，尾氣中含少量的硫化物及少量的可燃氣體成分；以下是某公司煤化工裝置的硫回收過程氣，成分特性見表2。

表2 某公司煤化工裝置的硫回收過程氣成分特性表

續表

采用ASPEN軟件算出此變換氣熱值約為1 554kJ/m3，熱值過低，直接通過焚燒處理需要輔助燃料。

2 技術路線

2.1 分析及解決方案

通過對此裝置中的廢氣成分的分析，想要通過焚燒的方式處理，存在以下的問題：

（1）富氧環境會使氨反應生成大量氮氧化物；完全欠氧環境會使得焚燒不完全，造成積碳。

（2）此裝置中的硫回收尾氣熱值較低，自身熱值不能維持焚燒溫度，需要伴燒燃料。

（3）從節能降耗角度，如何降低助燃劑的用量。

（4）如何避免溫度低帶來的設備本體腐蝕的問題。

以上的問題，給出的解決方案如下：

焚燒爐采用兩段，第一段采用欠氧燃燒，含氨酸性氣進入焚燒，氨氣大部分氧化為氮氣，化學反應如下：

第二段補充空氣，硫回收過程氣及第一段出口未燃盡的組分進入第二段焚燒，補充充足氧氣，充分燃燒。

將硫回收尾氣進行預熱，提高進焚燒爐的熱量。

降低助劑的用量可以采用提高進焚燒的熱量，另外盡可能回收焚燒后煙氣的余熱。

焚燒煙氣中含有二氧化硫、三氧化硫等酸性氣，可以通過提高爐體壁溫，高出露點溫度40℃以上。

2.2 工藝路線

該焚燒凈化裝置采用兩段式焚燒爐，可高效處理硫回收尾氣以及含氨酸性氣；通過在第二焚燒爐后依次連接余熱鍋爐以及硫回收過程氣預熱裝置、助燃氣預熱裝置，可有效減少燃料氣的消耗并且回收余熱；助燃氣預熱裝置后連接選擇性催化還原脫硝裝置和脫硫裝置，可實現含氨酸性氣和硫回收尾氣有效脫硝脫硫；反應后的煙氣進入蒸汽-煙氣換熱裝置換熱升溫后再排放，可達到煙氣消白的效果。

圖1 兩段式焚燒爐工藝路線圖

2.3 工藝流程描述

酸性氣、第一燃料氣和第一助燃氣進入第一焚燒爐進行欠氧燃燒，使得第一焚燒爐的溫度達到1 300~1 400℃。第一焚燒爐內產生的高溫煙氣通過管道進入第二焚燒爐，硫回收尾氣進入第二焚燒爐內，與來自第二燃料氣和第二助燃氣進行過氧燃燒，使得第二焚燒爐的升溫至800~1 000℃。來自第二焚燒爐的煙氣進入余熱鍋爐進行熱量回收，產生飽和蒸汽。經余熱鍋爐冷卻后的煙氣進入廢氣預熱裝置加熱硫回收過程氣至400~600℃，預熱后的硫回收過程氣通入第二級焚燒爐。來自廢氣預熱裝置的煙氣進入助燃氣預熱裝置加熱助燃空氣，預熱后的助燃氣一部分經第一燃燒裝置進入第一焚燒爐，另一部分經第二燃燒裝置進入第二焚燒爐。來自助燃氣預熱裝置的煙氣被冷卻至200~400℃，送入選擇性催化還原脫硝裝置進行脫硝，隨后進入脫硫裝置脫硫。脫硫后的濕煙氣約80℃，再經過蒸汽-煙氣換熱裝置增溫至120~160℃后通過引風裝置送入煙囪排向大氣。

3 設備特點及選型

3.1 焚燒爐

焚燒爐采用鋼制“臥式圓筒雙段爐”爐體，一段絕熱爐膛焚燒含氨尾氣，爐溫控制在1 300~1 400℃。二段絕熱爐膛焚燒硫回收廢氣，爐溫控制在950℃±50℃。焚燒爐尾部煙氣水平出口接后工段的余熱回收裝置。爐膛的構造采用鋼板筒體內襯耐火磚結構。爐壁設計溫度350℃，在殼體外涂防腐油漆，且設置防雨罩。在一段焚燒爐前部，含氨廢氣及燃料氣混合燃燒器，通過燃料氣點火啟爐后，待爐溫啟動到允許廢氣投入的溫度后，噴入含氨廢氣，以保證焚燒爐內溫度場平穩均勻。爐膛的結構尺寸充分考慮了單位體積的熱容量，同時根據燃燒后的煙氣流速及停留時間綜合確定；流速選擇的合理性是結合機械強度及長徑比。考慮廢氣與空氣的充分混合后的熱氧化時間，一段焚燒爐爐內煙氣停留時間≥1.1s，二段焚燒爐爐內煙氣停留時間≥1.1s。爐膛本體上布置了運行操作所需的儀表接口及附件，其中有觀火孔、檢修人孔門、爐膛溫度、負壓等供安裝監測及調節用儀表的接口等。

3.2 外防護裝置

助燃空氣及廢氣都是經過預熱的，兩級焚燒爐的外表面溫度要求大于等于230℃以上，所以在焚燒爐燃燒器及爐體外部需設置防護罩，考慮到內襯性能的不確定性、外部環境溫度的浮動及外壁材質的局限性，防護罩可以采用鋁皮或者不銹鋼材質，整個筒體可以達到全方位即360°全覆蓋。防護罩與筒體之間留有100~200mm的間隙，內部不填充保溫材料。在防護罩頂部及底部都設置通風口，根據設備的長短，在底部設置兩到三個長條形的抽板，依靠頂部的高度差形成的自拔力來調整爐壁面的溫度，既防止酸露點腐蝕，又可以控制高溫帶來鋼體材料強度降低的風險。另外在防護罩兩側設置可方便打開的活頁式視窗，便于巡檢。

3.3 余熱鍋爐及汽包

余熱鍋爐采用自然水循環原理；頂部設置汽包，鍋爐與汽包之間以上升下降管連接，由于上升管在余熱鍋爐的水側吸熱，一部分水發生相變變成了蒸汽，形成氣液兩相的狀態；下降管是來自汽包中的水，是液相，水汽相的密度相對于液相而言比較低；兩者之間的密度差就形成了推動力，使汽水混合物沿著上升管向上流動，進入汽包，汽包中的水經下降管流入余熱鍋爐中，從而形成水的自然循環流動。

余熱鍋爐采用管殼式結構，高溫煙氣通過管內輸送，殼程內承載滿容量的鍋爐水；此型式可以成為煙管式也可以成為火管式。這種型式最大的問題是換熱管壁的溫度最好控制在酸露點溫度以上，根據煙氣中的硫含量及濕度的不同，產汽的壓力可以進行相應的調整。

為避免高溫煙氣直接沖刷余熱鍋爐的前煙箱管板，在前管板表面澆筑耐高溫的耐火保護層，并在每根煙管進口處安裝了耐高溫保護套管。常規的高溫防護套管的材質為陶瓷剛玉，但是這種材質受碰撞就會損壞。此高溫保護套管的材質采用0Cr25Ni20不銹鋼，伸出的部分也需要用耐火材料覆蓋。

汽包殼體上設置有安全閥接管、壓力表接管、放空接管、就地液位計接管、遠傳液位計接管，加藥口接管、給水接管、連續排污管，以及上升管和下降管接管。

汽包內部設有連排管，加藥裝置和給水分配管。下降管入口處設有防旋渦裝置，為減少汽水循環阻力，汽水分離裝置采用一次擋板和絲網結構，能保證飽和蒸汽出口含水率達到標準的要求，滿足蒸汽品質的要求。

3.4 脫硝處理裝置

脫硝裝置采用選擇性催化還原法（SCR）。采用氨水或者尿素作為原料經過蒸汽加熱后變成氣相，作為選擇性催化還原的還原劑。SCR脫硝工藝是在一定的溫度和催化劑的作用下，還原劑有選擇地把煙氣中的NOx還原為無毒無污染的N2和H2O，核算后，反應溫度選取在300℃附近，可以達到較高的脫硝效率，同時保證較高的熱能利用率及系統穩定性。

SCR工藝包括煙道系統、反應器系統和供氨系統，主要設備由整流器、稀釋風機、催化劑等組成。

還原劑由管道帶壓輸送至界區，與稀釋風機引來的熱風混合加熱后通入整流器內，并進一步在反應器中完成脫硝反應。

3.5 脫硫裝置

脫硫裝置采用二段堿洗塔。脫硫工藝采用雙堿法；采用氫氧化鈉和氫氧化鈣作為堿液原料，脫酸效果好，噴口及除霧器不易產生污垢堵塞；生成的硫酸鈉鹽與氫氧化鈣在置換沉淀池中發生反應，將鈉堿再生循環利用，同時生成固體硫酸鈣、亞硫酸鈣的沉淀。生成的沉淀可壓濾后直接填埋，相比鈉鹽更易于處理。系統穩定運行后只需少量補充鈉堿，運行成本低、可靠性高、脫硫效果好，適合小規模的煙氣治理項目。

4 主要的工藝參數

表3 焚燒出口的控制指標

表4 工藝路線中主要的技術參數

5 結語

與現有技術相比，此裝置至少具有以下有益效果：

1）此焚燒凈化裝置采用了兩段式焚燒爐，對于含氨酸性氣和硫回收尾氣的焚毀去除率高；采用余熱鍋爐以及硫回收過程氣預熱裝置、助燃氣預熱裝置，有效減少了燃料氣的消耗并且回收了余熱。

2）硫回收尾氣焚燒凈化裝置結構簡單合理，安全可靠，硫回收尾氣去除率高，無二次污染，具有良好的經濟效益和環境效益。