JT漿液焚燒法焦化硫泡沫及含硫廢液制酸裝置設計

王中梅，楊桂蘭，陸友樂，婁 寧

（揚州金桃化工設備有限公司，江蘇揚州225008）

目前，焦化行業普遍采用以HPF、PDS等為催化劑的氨法濕式氧化脫硫工藝脫除焦爐煤氣中的H2S和HCN。氨法濕式氧化脫硫脫氰過程中會產生硫泡沫和含硫氰酸銨及硫代硫酸銨等的廢液。焦化硫泡沫及含硫廢液處理及資源化利用一直是困擾煤氣和煉焦企業的環保難題。

此前，采用的含硫廢液處理工藝有2種。

1）含硫廢液兌入煉焦配煤，送焦爐焚燒分解。該工藝雖然解決了含硫廢液的去處，表面上沒有廢液外排，但并未從根本上解決問題，由于帶有含硫廢液的煤進入焦化爐后，在高溫下仍然轉化成二氧化硫和硫化氫等含硫化合物，最終還是回到含硫廢液中。隨著時間的延長，含硫廢液中的硫化物積累越來越多，一方面將會嚴重降低脫硫效果，另一方面造成對生產設備的嚴重腐蝕[1]。

2）副產硫氰酸銨和硫代硫酸銨。該工藝存在副產鹽市場容量小，且存在產品品質低等問題。

目前行業內已普遍達成共識，將焦化含硫廢液處理制成硫酸，徹底解決氨法濕式氧化脫硫產生的廢液，避免產生二次污染，同時使硫資源得到有效循環利用。

揚州金桃化工設備有限公司（以下簡稱揚州金桃）成立于2003年，是國內大型硫酸生產裝置及化工環保設備專業設計及制造企業。揚州金桃經過近兩年的技術調研、研討及技術引進，成功開發出JT漿液焚燒法制酸及JT沸騰焚燒法制酸成套技術。

筆者以3 000 kt/a焦化裝置為例，簡要介紹JT漿液焚燒法焦化硫泡沫及含硫廢液制酸裝置的設計。

1 焦化硫泡沫及含硫廢液制酸技術現狀

目前，市場上存在的焦化硫泡沫及含硫廢液制酸技術種類較多，區別主要集中在原料預處理工序和焚燒工序，裝置運行存在問題亦多存在于以上2個工序。

焦化企業關注的主要矛盾點為裝置穩定運行連續性、凈化稀酸量、裝置能耗及裝置環境等。

預處理工序目的為減少硫泡沫及含硫廢液中的水分。預處理工序應用主要為下列技術的組合。

1）分離硫膏和硫鹽溶液：板式過濾機、離心過濾等。

2）硫鹽溶液蒸發除水：噴霧干燥、多效蒸發及閃蒸蒸發等。

預處理后制酸原料主要分為以下幾類：①液體硫膏和硫鹽溶液；②固體硫膏粉和硫鹽溶液；③硫膏和硫鹽的混合漿液；④硫膏和硫鹽的混合干粉。

焚燒工序目的：實現預處理后制酸原料的充分穩定燃燒，滿足制酸需求。焚燒工序差別主要在于原料差別、進料方式和焚燒爐型的選擇。當前，焚燒工序技術種類主要有：

1）機械霧化液體硫膏和壓縮空氣霧化硫鹽溶液分別進料，采用臥式焚燒爐。

2）固體硫粉機械輸送和壓縮空氣霧化硫鹽溶液分別進料，采用沸騰爐。

3）壓縮空氣霧化硫膏和硫鹽混合溶液進料，采用臥式焚燒爐。

4）干粉硫和硫鹽的混合干粉氣力輸送進料，采用沸騰爐。

根據揚州金桃開車團隊的實踐經驗反饋，研發團隊進行充分的市場技術調研和理論分析，并結合公司在傳統硫酸技術上儲備，針對不同業主的技術需求和矛盾關注點，開發出2套完整成熟的焦化硫泡沫和含硫廢液制酸技術解決方案，以下簡稱JT漿液焚燒法制酸和JT沸騰爐焚燒法制酸。

JT漿液焚燒法制酸和JT沸騰爐焚燒法制酸區別主要在于原料預處理工序和焚燒工序。JT漿液焚燒法制酸：預處理分離硫膏和硫鹽溶液、蒸發濃縮硫鹽溶液除去硫鹽溶液中部分水分、強力攪拌混合硫膏和去除部分水分后硫鹽溶液形成漿液，焚燒工序類似于傳統廢硫酸裂解工序。JT沸騰焚燒法制酸：預處理分離硫膏和硫鹽溶液、蒸發濃縮硫鹽溶液中水分，熔融硫膏與濃縮硫鹽混合后切片，切片硫膏和硫鹽混合物進沸騰爐，沸騰爐結構與傳統硫鐵礦沸騰爐近似。JT漿液焚燒法制酸和JT沸騰爐焚燒法焚燒爐（沸騰爐）后流程均與烷基化廢酸裂解制酸工藝類似。以下主要介紹JT漿液焚燒法制酸工藝情況。

2 主要設計參數

JT漿液焚燒法焦化硫泡沫及含硫廢液制酸裝置的主要設計參數如下：

焦炭產能3 000 kt/a，焦爐入爐煤w(S)約0.78%，煤氣最大流量160 000 m3/h、焦爐煤氣硫回收工序進口ρ(H2S)最大為8 000 mg/m3，控制硫回收工序出口ρ(H2S)≤20 mg/m3，控制脫硫液副產鹽[以NH4SCN、(NH4)2S2O3和(NH4)2SO4計，下同](ρ)≤250 g/L，脫硫液排出流量約150 m3/d，設計中脫硫液副產鹽(ρ)按200 g/L考慮。

脫硫硫泡沫及含硫廢液中所含的主要成分為單質S、NH4SCN、(NH4)2S2O3、(NH4)2SO4及少量其他雜質。處理量為150 m3/d，密度為1.1～1.2 g/cm3。

脫 硫 廢 液 的 成 分 如 下：總 硫(ρ)98.62 g/L、ρ(NH4SCN)120 g/L、ρ[(NH4)2S2O3]100 g/L、ρ[(NH4)2SO4]20 g/L、單質硫(ρ)1.5 g/L、脫硫劑(w)0.015%、其他雜質(w)0.025%，其余為水。

焦 爐 煤 氣 成 分：φ(H2O)3.00%、φ(H2)56.75%、φ(N2)4.85%、φ(O2)0.49%、φ(CO)5.82%、φ(CO2)1.94%、φ(CH4) 24.25%、φ(C2H6) 0.97%、φ(C3H8) 1.93%。

3 工藝原理

JT漿液焚燒法制酸主要工藝原理：預處理采用離心分離硫膏和硫鹽溶液、蒸發濃縮硫鹽溶液除去硫鹽溶液中部分水分、強力攪拌混合硫膏和去除部分水分后硫鹽溶液形成漿液。經過預處理后的漿液與預熱的空氣在臥式焚燒爐中焚燒，產生含SO2的高溫爐氣，然后經過爐氣凈化處理，得到潔凈的SO2爐氣。爐氣中的NOx在脫硝催化劑作用下和NH3反應還原為N2，爐氣中SO2和O2在催化劑的作用下進行轉化（即氧化）反應，生成SO3，SO3在吸收塔中由循環噴淋的濃硫酸吸收而生成硫酸。爐氣中未轉化的SO2再經催化劑層進行第二次轉化，生成SO3，再經第二次吸收后SO3生成硫酸，達到較高的SO2轉化率和SO3吸收率。第二次吸收后工藝氣經過氨法脫硫吸收工藝氣中剩余少量SO2后送入煙囪排放。

主要化學反應為：

1）含硫漿液的燃燒：

2）氮氧化物還原：

3）二氧化硫氧化：

4）三氧化硫吸收成酸：

5）尾氣處理工序：

4 工藝流程

JT漿液焚燒法制酸主要包括原料預處理、焚燒、轉化、凈化、干吸及尾氣處理等工序。

4.1 預處理工序

硫泡沫及含硫廢液通過管道經過離心分離設備，將原液中的單質硫與硫鹽廢液進行固液分離。將分離后清液再次經過精密過濾裝置，除去原液中細小雜質及未分離完全的單質硫。將得到的清液通過泵經濃縮液預熱器和濃縮液加熱器加熱后送入閃蒸塔絕熱閃蒸濃縮，濃縮至一定程度時通過泵打入廢液槽，將分離步驟中分離出的硫膏漿液通過泵打入制酸工序中的廢液槽與濃縮后的脫硫廢液攪拌均勻，然后用泵打入制酸系統。預處理工序主要工藝指標見表1。

表1 預處理工序主要工藝指標

4.2 焚燒工序

由預處理工序送來的含硫廢液和硫膏漿液進入帶攪拌器和蒸汽加熱盤管的廢液槽內。廢液被加熱至80 ℃左右由廢液泵送入裂解爐燃燒器，由壓縮空氣霧化后噴入焚燒爐內與空氣鼓風機來的空氣混合燃燒，由于含硫廢液中的水含量較高，燃燒所釋放的熱量不能維持自身熱平衡，所以爐前設有燃燒器用焦爐煤氣助燃。裂解爐的適宜操作溫度是通過調節風量、控制出口爐氣O2、SO2濃度的方法進行控制。

經過物料和熱量平衡核算，出裂解爐的爐氣約1 170 ℃，經過余熱鍋爐回收熱量后，再經空氣預熱器降溫至320 ℃左右進入凈化工序。

4.3 凈化工序

出空氣預熱器約320 ℃的爐氣首先進入氣體洗滌器中，與逆噴管中噴淋的循環稀酸密切接觸，通過絕熱蒸發，使爐氣增濕、冷卻、降溫和初步洗滌凈化[2]。氣體洗滌器出口的濕爐氣進入填料冷卻塔，與塔頂噴淋的冷卻循環稀酸逆流接觸、洗滌凈化，除去其中的雜質和蒸汽，然后經過兩級電除霧器除去殘余的塵和酸霧等雜質，使煙氣中的硫酸霧(ρ)降至5 mg/m3。凈化后的工藝氣送往干吸工序。

4.4 轉化工序

經干燥塔干燥并經干燥塔頂金屬絲網除霧器除霧后的冷氣體由二氧化硫鼓風機升壓后依次進入Ⅳa、Ⅳb及Ⅰ換熱器加熱后，溫度達到420 ℃，經SCR脫硝后進入轉化器一段進行轉化。經反應后爐氣溫度升高到約535 ℃進入Ⅰ換熱器與來自Ⅳb的SO2爐氣換熱降溫，冷卻后的爐氣進入轉化器二段催化劑床層進行催化反應，然后出轉化器進入II換熱器降溫后進入轉化器三段催化劑床層進一步反應。轉化器三段出口氣體進入Ⅲb、Ⅲa換熱器管程后，溫度降至164 ℃后進入一吸塔，吸收氣體中的SO3，并經過塔頂的纖維除霧器除去氣體中的硫酸霧后，依次進入Ⅲa、Ⅲb和Ⅱ換熱器，氣體被加熱后進入轉化器四段催化劑床層進行第二次轉化。出轉化器四段床層的氣體依次進入Ⅳb、Ⅳa換熱器管程與二氧化硫風機出口冷爐氣進行換熱冷卻，溫度降低到約142 ℃進入二吸塔，吸收氣體中的少量SO3后，經過塔頂的纖維除霧器除去氣體中的硫酸霧，然后送入尾氣處理工序。

4.5 干吸工序

采用高效、低阻力復合型球拱干燥塔，干燥塔內主填料采用76 mm階梯環，塔頂采用兩層合金絲網除沫器；吸收塔內主填料采用76 mm階梯環填料，塔頂采用纖維除霧器，塔內設新型管式分酸器(27點/m2)。采用“塔—循環槽—循環泵—冷卻器—塔”的循環流程；酸泵采用高效耐用的LSB型泵；冷卻器采用高效耐用的哈氏合金板式酸冷卻器。

經凈化后的煙氣入干燥塔內，用w(H2SO4)94%硫酸噴淋干燥，使爐氣中的ρ(H2O)降至0.1 g/m3以下，經金屬絲網除沫器除沫后，用二氧化硫鼓風機送入轉化工序。

從轉化器三段床層出來的轉化氣經換熱降溫后進入一吸塔，用w(H2SO4)98.3%硫酸吸收SO3后，經纖維除霧器除去酸霧后，加熱進入轉化器四段床層進行二次轉化，轉化器四段床層出來的轉化氣經換熱降溫后進入二吸塔，用w(H2SO4)98.3%硫酸吸收SO3后，經纖維除霧器除去酸霧后送入尾氣處理工序。

干燥酸和吸收酸的熱量，通過各自的酸冷卻器移除。干吸系統通過串酸、加水和產出成品酸來維持各塔循環酸濃度和循環槽的液位。

4.6 尾氣處理工序

二吸塔出口尾氣依次經過尾氣洗滌器和尾吸塔與含氨的銨鹽溶液逆流接觸，尾氣中的SO2被氨吸收為銨鹽進入溶液中，尾吸塔出口尾氣中SO2濃度通過氨水的加入量調節，SO2總吸收率約99%，吸收后的氣體中ρ(SO2)＜35 mg/m3、ρ(NOx)＜50 mg/m3。脫硫過程產生的質量分數約為25%的銨鹽外送。脫硫后的尾氣由電除霧器除去硫酸霧后送入煙囪達標排放。

5 主要設備的選擇及其規格

主要設備及規格、數量見表2。

表2 主要設備及規格、數量

5.1 焚燒爐

焚燒爐是含硫漿液高溫焚燒生成SO2氣體的關鍵設備。焚燒爐采用臥式鋼制圓筒內襯保溫磚和高鋁質耐火磚結構，爐膛內徑3 200 mm，長度約18 m。爐頭設有氣室供空氣與漿液混合燃燒，爐前設有燃燒器，用焦爐煤氣助燃。爐內設有花墻，以保證氣流的充分均勻混合。在爐中部布置二次進風口，二次進風量占總進風量的20%。為防止露點腐蝕及防止雨水直接接觸殼體，設備外殼設計外保溫，以保證焚燒焚燒爐外壁溫度約為250 ℃。

5.2 余熱鍋爐

余熱鍋爐為自然循環火管鍋爐，由上下鍋筒和煙箱組成。上鍋筒為汽包，汽包內設置汽水分離器，汽包左右各有3根下降管進入下部鍋筒，汽包和鍋筒由4根上升管連接。下鍋筒內布置蒸發受熱面（火管）。火管的爐氣進口端設置高強度、耐熱、隔熱的剛玉套管，從而保證管板不受或承受較小的溫差應力[3]。汽包設有連續排污管，下鍋筒設有定期排污管。下鍋筒側面設有手孔，煙箱設置人孔，供檢修用。余熱鍋爐產中壓飽和蒸汽（4.0 MPa、252 ℃）約7.5 t/h。

5.3 空氣預熱器

空氣預熱器采用2臺管殼式換熱器，殼程介質為空氣，管程介質為高溫煙氣。熱空氣預熱器的工作溫度相對較高，介質腐蝕性比較強，管束和殼體選用不銹鋼材質。冷空氣預熱器的工作溫度相對比較低，管程選用不銹鋼材質，殼程選用碳鋼材質。

5.4 動力波洗滌器

動力波洗滌器主要由過渡段、逆噴管噴嘴和氣液分離器等組成。爐氣入口處為過渡段，該過渡段能耐高溫、耐腐蝕并有良好的機械強度，以適應惡劣的工況。逆噴管由耐高溫玻璃鋼制作，其上部設有溢流堰。循環酸通過進液管切向進入溢流堰沿周邊均勻溢出流至逆噴管內，在管壁內表面形成一層液膜，以保證高溫下玻璃鋼材質逆噴管不損壞，并避免煙塵在內壁黏附。

5.5 電除霧器

電除霧器為管式電除霧器，采用立式結構，它由上集氣箱、沉淀極管束、下集氣箱和電氣絕緣箱等4個部分組成。電除霧器的主要優點有：設備阻力小，凈化效率高，對氣量波動的適應性好，只有少量聚集液。管式電除霧器制作、安裝容易，不易變形，除霧效率高。

5.6 轉化器

工藝設計要求轉化器有較高的轉化率和較長的操作周期，這主要取決于催化劑的性能和設備合理的結構設計。

轉化器采用鋼襯硅酸鋁纖維磚+鑄鐵內件，為立式圓筒形加外保溫結構。設備自下而上由若干立柱支承隔板和格柵。隔板由不銹鋼板焊接為整體，保證層間氣體不串流，立柱在隔板處設計特殊的連接結構。格柵擱置在立柱凸臺上，上鋪耐熱瓷球和不銹鋼絲網，再鋪放催化劑。

5.7 干吸塔

干吸塔是指干燥塔、一吸塔和二吸塔。

干吸塔的主要結構：塔體為立式圓筒形內襯耐酸磚，塔內填料支承采用球拱。填料采用階梯環散堆填料，殼側設有人孔和視鏡，以便除霧器的安裝、檢修和觀察。

進轉化工序的煙氣在干燥塔塔內用w(H2SO4)94%的硫酸干燥除去其中的水分，并經塔頂除霧器除去夾帶的酸霧后，再送入轉化工序。為延長SO2鼓風機的壽命，干燥塔采用絲網除霧器，提高除霧效率。一吸塔由于酸溫度高、酸霧量大、酸霧粒徑小，為保護后面的換熱設備，采用纖維除霧器。二吸塔為保證尾氣排放的要求也采用纖維除霧器，以確保除霧效率。

干吸塔的酸分布器采用管式分酸器，它是由一根分酸主管和多根分酸支管組成，酸液由酸泵送入分酸主管，由分酸主管分配至各分酸支管，再由各分酸支管上開設的分酸孔噴淋至填料表面。該酸分布器具有結構簡單，質量輕，制造、安裝及維修較方便等優點，分酸點數27個/m2。

塔底設計采用平底結構，平底結構為剛性基礎，底板加工制作方便，砌筑容易。

6 主要經濟技術指標

主要經濟技術指標見表3。

表3 主要經濟技術指標

7 JT漿液焚燒法制酸技術的特色和優勢

1）含硫漿液采用霧化焚燒技術，不僅可保證廢硫酸的充分焚燒，同時可有效抑制燃燒時NOx及SO3的生成量。

2）在焚燒爐出口設置余熱鍋爐，同時在余熱鍋爐后設熱空氣預熱器和冷空氣預熱器，并設置防露點空氣預熱器，通過工藝手段控制所有與工藝氣接觸金屬壁面溫度始終高于露點，避免出現露點腐蝕，延長設備壽命。

3）設置熱空氣預熱器和冷空氣預熱器，將冷空氣預熱至550 ℃進入焚燒爐，減少焦爐煤氣消耗。

4）余熱鍋爐、熱空氣預熱器和冷空氣預熱器出口設置在線清灰快開口和集灰箱，以提高系統開車率。

5）轉化工序采用ⅣⅠ-ⅢⅡ換熱流程，合理控制進入一吸塔和二吸塔氣體溫度，具有良好的調節性能和穩定性。

6）采用SCR脫硝和“3+1”四段轉化，總轉化率大于等于99.8%，總硫回收率大于等于95%，尾氣通過兩級氨法脫硫尾氣處理吸收后，煙囪排放尾氣：ρ(SO2)≤50 mg/m3、ρ(NOx)≤100 mg/m3、硫酸霧(ρ)≤5 mg/m3，滿足GB 26132—2010《硫酸工業污染物排放標準》要求。

7）干吸工序采用三塔三槽，干燥塔、一吸塔、二吸塔各單獨一個循環槽，w(H2SO4)94%濃硫酸干燥，w(H2SO4)98%濃硫酸吸收，干燥塔采用絲網除霧器，一吸塔和二吸塔采用纖維除霧器以提高除霧效率，減少后續設備腐蝕，滿足環保要求。

8）氣體換熱器采用有成熟經驗的結構先進的高效管殼式換熱器，特點是低壓降、高傳熱系數。

9）酸冷卻器采用技術先進可靠的濃酸板式酸冷卻器，該設備傳熱效率高，操作方便，使用壽命長，檢修方便，占地面積小。

10）干吸塔上、下酸管采用陽極保護316L不銹鋼管，安裝維修方便，使用壽命長，減少酸的跑漏。

11）工藝簡單，設備先進，自動化程度高，操作方便，裝置操作彈性大。

12）設備、材料全部國產化，投資省。

8 JT漿液焚燒法制酸與烷基化廢酸裂解制酸技術對比

JT漿液焚燒法制酸與烷基化廢酸裂解制酸技術主要設備及流程基本相同，但仍存在少量差異，主要差異見表4。

表4 JT漿液焚燒法制酸與烷基化廢酸裂解制酸技術的差異

JT漿液焚燒法制酸相對于烷基化廢酸裂解制酸而言，燃燒更容易，但漿液中硫鹽易結晶，需控制好濃度并控制好噴槍內溫度，避免結晶堵塞。

9 結語

JT漿液焚燒法焦化硫泡沫及含硫廢液制酸技術采用傳統成熟技術，可靠性高，且裝置投資低。該技術的應用可徹底解決氨法濕式氧化脫硫產生的廢液，避免產生二次污染，同時使硫資源得到有效循環利用，并將為推動國內企業的循環經濟、綠色工業和節能減排發揮更大的作用。