硫磺裝置燒氨的影響及控制

惠永仁

摘要：通過對燒氨反應的機理、燒氨系統的配置的介紹，深刻分析了處理含氨酸性氣對硫磺裝置運行的影響因素，同時結合對燒氨反應的研究結果，介紹了如何采取有效的控制方式，保證燒氨的效果以及裝置的收率。

關鍵詞：燒氨反應;富氨酸性氣;催化劑硫酸鹽化;酸性氣旁路

1前言

隨著煉油廠酸性氣處理技術的不斷發展，將含氨的酸性氣直接送入Claus硫磺回收裝置反應爐，在得到硫磺的同時將氨氣燒掉的方法處理由于氨濃度小而不能回收的污水汽提酸性氣中的氨氣的方法已經很普遍了。這種處理的方式的優點是裝置投資減少，設備運行費用低而且沒有多余的NOx排放，因此既創造了經濟效益又降低了環境污染。但是，由于進反應爐的富氨酸性氣中混入了高濃度的氨和水，會對Claus的制硫反應、催化劑性能、設備運行效果產生較大的影響，降低整個硫磺回收裝置的收率。

2 克勞斯的燒氨系統

在克勞斯反應爐中處理含氨酸性氣，為保證氨被完全的破壞，有許多可利用的技術，最普遍用于操作的有兩種配置：

（1）單一燃燒器，單一反應器，直接處理

（2）單一燃燒器，兩個反應器，對分流動處理

2.1單一燃燒器/單一反應器系統

在這種系統（圖1）中，富氨酸氣氣和富H₂S酸性氣一起進料，進入一個燃燒器處理。這種配置通常要求富氨酸性氣在進反應燃燒器前與富H₂S酸性氣預混合。富H₂S酸性氣在與富氨酸性氣混合前進行預加熱，目的是保證在燃燒前的混合酸性氣中不存在銨鹽。

引用這種配置可以把所有酸性氣體雜質（烴、NH₃、HCN、胺）送去燃燒，這樣可以降低這些成分，而且空氣和酸性氣流動控制是同向的。但同時也存在一些缺點，包括燃燒溫度完全由酸性氣的成分和酸性氣預加熱程度決定，而且這種配置常常需要空氣和酸性氣的預加熱器，這會造額外的費用。

2.2單一燃燒器/兩個反應器系統

我廠硫磺裝置燃燒爐采用下列系統（圖2），全部富氨酸性氣和部分富H₂S酸性氣混合后送入主燃燒爐，燃燒爐中通入燃燒用空氣。剩余的富H₂S酸性氣從爐中部進入到主燃燒爐。走旁路的酸性氣的多少直接影響燃燒爐火焰部分的溫度，走旁路的酸氣量多導致燃燒爐前部火焰溫度高。用這種方法分開酸性氣，主燃燒爐的溫度被控制在一個最小值，走旁路部分被增加以達到高的燃燒溫度確保氨被完全除掉。

3 燒氨反應的過程

根據近年的實驗室的研究和實際生產的經驗，反應爐內燒氨反應過程可歸結為3種主要反應：

3.1氨氧化反應

2NH₃+1.5O₂→N₂+3H₂O

---試驗顯示氨與氧氣的反應速度低于H₂S與氧氣的反應速度，所以在缺氧的情況下H₂S奪走了反應爐內的大部分的氧氣。

---在氧氣充足的情況下，在1200℃時，65%的氨氣被氧化，在1300℃時氨的氧化率達到90%。

3.2 氨的熱分解反應

2NH₃→N₂+3H₂

---氨氣的分解反應直接受到反應溫度的影響。

---在1100℃時90%的氨氣分解，在1200℃時氨氣的分解達到100%。

--- H₂S和水的出現會強烈的抑制氨氣的熱分解反應。

3.3 ?氨與SO₂反應

2NH₃+SO₂→N₂+H₂S+2H₂O

---1200℃時69%的氨與SO₂反應，在1300℃時75%的氨與SO₂反應。

從研究中，我們得到一些結論如下：

---通過對氨熱分解速度與燃燒爐反應溫度做了比較。表明氨熱分解是一個主要的反應。

---氨氧化反應不是反應爐內的主要反應。試驗顯示氨與氧氣的反應速度低于H₂S與氧氣的反應速度，所以在缺氧的情況下H₂S奪走了反應爐內的大部分的氧氣。

---氨氣與SO₂的反應貫穿在整個燒氨反應過程中。然而，基于實驗轉換速度，氨氣與SO₂的反應也不是反應爐內的主要反應。

4燒氨操作對裝置的影響

4.1 ?額外的含氨酸性氣的混入會降低進入反應爐的酸性氣的濃度，同時燒氨產生的氮、水對克勞斯反應是惰性組分，降低了有效組分分壓，從而降低了硫收率。

同時混入額外的含氨酸性氣會相應的增加助燃風機的負荷。從操作角度講，為保證高轉化率，爐后過程氣體中H₂S/SO₂應為2：1，所以燃燒爐中供氧是不完全的，而氨的完全燃燒需要供以過量空氣，因此給燃燒爐配風帶來了很大困難。

4.2 ?氨燃燒不完全會和工藝氣流中的酸性組分反應生成硫氫化氨或多硫化氨結晶，堵塞冷換設備和管線，增加系統壓降，甚至迫使裝置停工。而由于走旁路的那部分酸氣因不參與前部燃燒，所以達不到一個相對高的燃燒溫度。這樣將導致氣體中雜質去除不完全，如果存在烴含量較高的情況下會因為去除不完全而產生灰分，造成黑硫磺產生，容易導致催化劑床層積碳、堵塞管線和設備。

4.3 ?進入燃燒爐走旁路的那部分酸氣在燃燒爐中停留時間相對短，這樣會導致燃燒爐流出物中殘留高濃度的COS和CS₂，造成轉化器中COS和CS₂的水解率降低，過程氣中的有機硫含量增大，會導致硫磺成品中有機硫過高或尾氣排放不合格。

4.4 由于燃燒爐前部反應溫度高和環境中富裕的氧，所以在燃燒爐中有可能存在高濃度的NO_X和SO₃，造成催化劑中毒發生硫酸鹽化，催化劑活性逐步降低。同時氨和氧化鋁反應也會引起催化劑失活，而且NO_X會對SO₂的進一步氧化有催化作用，生成硫酸，對設備造成嚴重的腐蝕。

4.5 ?在裝置負荷較低的情況下，由于要保證前部的燒氨溫度，會造成進旁路的酸氣量不夠，過程氣中的H₂S/SO₂<2，也就是說SO₂的含量相對較高，會增加SCOT部分加氫反應的負荷，而氫氣量、胺液循環量也會相應的增加，裝置的物耗、能耗也相應增大。

5 燒氨操作的控制

硫磺回收專家們通過對各種方式的硫磺回收反應爐的長期研究，證明了影響反應爐效率和燒氨效果的因素有三個，即我們常說的3T：停留時間、溫度和混合程度。在這3個因素中溫度是前提，如果溫度達不到，再長的停留時間和再強的混合也達不到理想的燒氨效果，在溫度滿足燒氨要求的前提下（1250℃），增加另兩個因素的任何一個都有助于提高反應爐的燒氨效率。但是在滿足溫度的前提下如果反應爐內的過程氣混合不均勻或停留時間不夠也都會直接影響到反應爐的轉換去除雜質（去除氨氣、碳氫化合物）的效果，研究發現將氨殘留控制在150ppm或更低可以確保不生成氨鹽。

所以對于燒氨操作來說，反應爐的燃燒溫度控制適當，停留時間適中，采用高強力的燒氨火嘴，就能保證有效燒氨。而對于硫磺克勞斯反應來說，保持合適的氣風比以及對旁路酸性氣流量的合理分配，是保證催化反應的深度，提高Claus硫磺回收裝置轉化率、總硫回收率非常關鍵的一環。同時加強上游裝置的生產管理，做到平穩操作，使原料酸性氣中的含氨量相對穩定，確保酸性氣進裝置的溫度在85℃以上，嚴禁爐膛超溫和爐溫劇烈變化。

6 ?結論

6. 作為普遍的一種工藝方法，盡管處理富氨酸性氣對硫磺裝置的運行帶來了一定的影響，但通過合理的控制方案，嚴格的工藝參數要求，仍可把這種影響降到最低，更重要的，通過采用燒氨工藝，有效地解決了污水汽提脫出氨無出路而造成的裝置無法正常生產的一系列環境問題。

參考文獻

[1]硫磺回收裝置操作規程

[2]李菁菁 ?閆振乾 ?硫磺回收技術與工程 ?石油工業出版社 ?2010

[3]王吉云 ?硫磺回收裝置燒氨技術特點及存在的問題 ?石油與天然氣化工 ??2007