一種處理褐煤移動床高烴類酸性氣的工藝技術

文 坤，馬文亮

(云南解化清潔能源開發有限公司解化化工分公司，云南 紅河 661699)

云南開遠某廠采用低熱值高水分褐煤生產合成氨和甲醇產品，制氣采用移動床塊煤氣化技術(碎煤熔渣加壓氣化技術)，粗煤氣經過中溫變換、低溫甲醇洗裝置，獲得合成氨及甲醇所需的原料氣。因原料煤中收到基硫質量分數在1.8%～2.5%，在氣化、變換過程中約70%硫轉化為H2S，H2S在低溫甲醇洗裝置中被脫出形成酸性氣。具體酸性氣成分如表1。

表1 酸性氣成分一覽表

從表1可見，該酸性氣的特點是烴體積分數達到10%左右，為高烴類酸性氣。為了確保環保裝置與主體裝置同步運行，該廠新建一套 3000 m3/h 的高烴類酸性氣處理裝置，與該廠原有的酸性氣處理裝置互為備用。

本裝置采用一種優化的制酸、尾氣處理工藝[1～4]，采用國內自主工藝技術、裝備，處理褐煤移動床高烴酸性氣，生產97%(體積分數，下同)的濃硫酸，尾氣污染物實現超低排放。

1 裝置規模及工藝流程

酸性氣在焚燒爐內與過量O2燃燒反應生成SO2、CO2、H2O等，焚燒爐出口工藝氣經廢熱鍋爐冷卻后進轉化器，在SO2轉化催化劑床層作用下SO2與O2反應生成SO3。工藝氣經轉化器床層底部工藝氣冷卻器冷卻后進入酸冷凝器。酸冷凝器為立式回流冷卻器。在酸冷凝器內工藝氣與冷卻風逆流換熱冷卻，工藝氣中的SO3和H2O在低溫下反應生成H2SO4，硫酸液滴在立管內回流時被熱工藝氣汽提含有的水份使得硫酸濃度提高到97%以上。在酸冷凝器中換熱升溫后的空氣，進入鍋爐給水預熱器預熱，鍋爐給水后排入煙囪，經酸冷凝器冷卻后的煙氣進入急冷塔冷卻后到雙氧水洗滌塔中脫除未反應的微量SO2。洗滌后的尾氣經過靜電除霧器除硫酸霧后經風機加壓排入煙囪。濃硫酸在酸冷凝器內產出后送入罐區，雙氧水洗滌煙氣產生20%的稀硫酸送生化作為廢水處理藥劑。具體如圖1。

裝置設計處理酸性氣 3000 m3/h，主產品97%的濃硫酸，附產 5.3 MPa、420 ℃ 過熱蒸汽，20%的稀硫酸；尾氣排放指標：ρ(SO2)≤50 mg/m3、ρ(H2S)≤5 mg/m3,ρ(硫酸霧)≤30 mg/m3，ρ(NOX)≤200 mg/m3。

圖1 工藝流程圖

2 技術特點及設備水平

2.1 燃燒控制

為了保證燃燒效果和控制氮氧化物的生成，在焚燒爐燃燒器的設計上采用半預混式低氮高效型燃燒器[4]，延長燃燒停留時間，保證充分燃燒的同時控制氮氧化物的產生。半預混式低氮高效型燃燒器有一組高強度的旋流葉片，旋流狀的助燃空氣和酸性氣進入燃燒火道后，由于旋流葉片的作用使得空氣和酸性氣產生強烈的旋流流場，使酸性氣得到充分的燃燒，火焰長度較短，可以很快的燃燒完全。它最大特點是渦旋狀的混合氣流在燃燒室的中心部分形成了一個低壓區，這個低壓區使得部分爐氣被抽回燃燒室，使得大量酸性氣體在燃燒室內停留時間加長，燃燒更加充分。

考慮到酸性氣中烴含量較高，特別是C5、C6含量較高，為防止重烴類物質燃燒不充分導致尾氣CO排放超標，焚燒爐停留時間從通常的1～1.2 s 增加至 1.5 s，以保證烴類物質能夠完全燃燒。

回流的爐氣和噴出的助燃空氣、酸性氣相互作用在燃燒室內充分混合。這兩股氣流交匯的區域形成了一個低速區，這個低速區使得酸性氣和空氣在一個低剪切力區域相互擴散而充分混合。所以在這個區域所形成的火焰非常穩定，這樣也為燃燒室內其它部分的火焰提供了一個穩定的基礎。由于酸性氣和空氣的充分混合，加快了燃燒反應速度從而縮短了火焰的長度。酸性氣和空氣在燃燒室內這種強力的混合以及所形成的穩定的火焰根部使得燒嘴在高效率地燃燒多種燃料時不會產生火焰不穩定和不完全燃燒的問題。

2.2 轉化器的設計和催化劑的選擇

本工藝最大的特點是工藝氣中烴含量高，在燃燒段的配風為同類制酸酸裝置的1.5～2倍，進入轉化器的工藝氣中ρ(SO2)為2.5%～2.8%。為達到99%的SO2轉化率，采取了以下措施:

1) 在床層設計上采用三段裝填，為提高每段的轉化效率和移除反應熱量，層間設置級間冷卻器，降低進入每段的工藝氣溫度；

2) 在轉化器的設計上增加設備的高度和高徑比，將高徑比增加至3，在達到提升轉化率效果的同時降低了催化劑的裝填量。

3) 選用具有超高活性和適應低溫條件下的二氧化硫轉化反應的進口含銫催化劑，具有操作溫度區間寬等特點。提高低溫下二氧化硫的轉化速率和轉化率，從而總體提升轉化率。

通過以上三個方面的控制和優化，降低了催化劑的裝填量，現有 35 kt/a 裝置較廠內同樣的 20 kt/a 濕法制酸裝置，催化劑裝填由 80 m3降至 70 m3。

2.3 尾氣中SO2及硫酸霧控制

雙氧水脫硫利用在濕法制酸尾氣處理工程實例較少，國內同類工藝雙氧水脫硫效率一般在85%～95%之間，硫酸霧的去除效率約為70%～80%。為達到設定指標，在雙氧水洗滌裝置后增設靜電除霧器[5]。本工藝采用DD-CF濕式電除霧器[6]，是用以濕煙氣顆粒物凈化的新型高效除霧設備，它具有導電性好、重量輕、耐腐蝕、性能穩定、效率高等優點。

通過運行統計，在本工藝中雙氧水洗滌SO2脫除率穩定在90%以上，靜電除霧器硫酸霧的脫除效率在70%～85%[7～8]。

2.4 設備情況

本工藝所需設備主要包括酸性氣焚燒爐及廢鍋、燃燒風機、冷卻風機、轉化反應器、酸霧控制器、酸冷凝器、急冷塔、洗滌塔、靜電除霧器等，所有設備及部件全部國產化，降低了裝備投資并縮短了建設周期。

3 處理效果及能耗情況

在2020年5月，對本工藝工業裝置進行了性能考核，主要針對生產負荷情況、產品質量情況、尾氣處理排放情況、裝置消耗情況進行了測試。

3.1 裝置負荷情況

本工藝裝置設計酸性氣量 3000 m3/h，平均硫化氫體積分數28.6%，酸產量 90 t/d，實際處理能力及負荷能夠滿足，要求詳見表2。

表2 裝置負荷情況一覽表

3.2 主要產品和輔料消耗情況

裝置設計產品硫酸質量分數大于 97%，產品質量滿足《硫酸》(GB/T534-2014)一等品及以上標準，雙氧水消耗小于 45 kg/h。實際產品硫酸質量分數大于98%，雙氧水消耗小于 30 kg/h，具體詳見表3。

表3 主要產品質量及消耗一覽表

3.3 尾氣排放情況

本裝置尾氣排放指標：ρ(SO2)≤50 mg/m3、ρ(H2S)≤5 mg/m3,ρ(硫酸霧)≤30 mg/m3，ρ(NOX)≤200 mg/m3。實際檢測：ρ(SO2)<10 mg/m3、ρ(H2S)<0.1 mg/Nm3，ρ(硫酸霧)<5 mg/m3，ρ(NOx)<50 mg/m3。實現了尾氣污染物的超低排放。具體詳見表4。

表4 尾氣煙囪檢測數據一覽表

4 結論

本工藝裝置利用國內自有技術，通過對燃燒、轉化、尾氣處理三個模塊的優化設計，可將褐煤移動床氣化制氣經低溫甲醇洗工藝產生的高烴酸性氣進行處理，生產質量分數大于 97%的濃硫酸；尾氣排放：ρ(SO2)≤50 mg/m3、ρ(H2S)≤5 mg/m3,ρ(硫酸霧)≤30 mg/m3，滿足國內最新最嚴環境排放標準，實現污染物超低排放。