硫回收尾氣引鍋爐燃燒的實施與應用

孫 棟

(中海石油華鶴煤化有限公司, 黑龍江鶴崗 154100)

中海石油華鶴煤化有限公司“30·52”項目的氨合成硫回收裝置采用荷蘭荷豐克勞斯三級硫回收工藝,自2015年原始開車以來,焚燒爐出口排放煙氣中SO2質量濃度為700 mg/m3,能夠滿足出口尾氣SO2質量濃度小于960 mg/m3的國標要求。自2017年開始,國標發生變化,部分省份采用煙氣含氧量折算來測定硫回收裝置出口煙氣成分,且尾氣中SO2質量濃度指標降至500 mg/m3,該克勞斯硫回收裝置出口煙氣從設計上已經逐漸滿足不了國標要求,需要尋求新的煙氣處理方案。

1 硫回收工藝流程

硫回收裝置采用三級克勞斯硫回收工藝,處理低溫甲醇洗裝置來的H2S酸性氣體。來自低溫甲醇洗的酸性氣利用酸性氣體加熱器加熱,送入主燃燒爐和氧氣混合燃燒。燃燒后的工藝氣通過廢熱回收器的管程,氣體被冷卻,同時加熱鍋爐給水產生飽和低壓蒸汽,回收燃燒產生的熱量。工藝氣中的硫黃蒸氣被冷凝,形成液態硫黃從工藝氣中分離出來,通過一級液硫封被送入液硫罐中。從廢熱回收器出來的工藝氣經過一級加熱器加熱后進入一級反應器發生克勞斯反應。從一級反應器出來的工藝氣進入一級硫冷凝器中降溫冷凝,然后進入二級加熱器,加熱后進入二級反應器中進行克勞斯反應。二級反應器產生的工藝氣在二級硫冷凝器中冷凝,然后進入三級加熱器,加熱后進入三級反應器中進行克勞斯反應。經過硫捕集器后合格的工藝尾氣進入焚燒爐中燃燒后排入大氣。通過硫回收工藝處理后的排放煙氣中SO2質量濃度達到500～700 mg/m3。原硫回收工藝流程見圖1。

圖1 原硫回收工藝流程

2 存在的問題

設計之初,由于黑龍江地區出產低硫煤,因此為“30·52”合成氨項目配套的硫回收裝置容量小、操作彈性小;日常生產中氧氣加入量操作頻繁,H2S與SO2比例控制的操作彈性小。每當煤種發生變化或系統負荷大幅度變化時,工藝氣中的H2S含量會大幅度波動,導致硫回收裝置運行波動;硫回收裝置抗波動能力差,容易造成硫回收裝置出口尾氣短時SO2濃度超標的風險[1]。

自2017年開始,國家檢測標準發生變化,部分省份采用煙氣含氧量折算來測定硫回收裝置出口煙氣成分,且出口尾氣中SO2排放質量濃度指標降至500 mg/m3,甚至有的省份尾氣中SO2排放質量濃度指標已經降至50 mg/m3。克勞斯硫回收裝置出口煙氣無法滿足越來越嚴苛的國標排放要求。

克勞斯硫回收工藝的回收率是有限的,理論上最高98%的回收率無法滿足日益嚴苛的環保排放要求,無論是優化H2S與SO2比例控制操作還是更換新的催化劑都無法有效地解決尾氣排放超標風險[2]。

目前行業內應對硫回收出口尾氣超標的方法多為增加尾氣再處理裝置,但僅依靠克勞斯硫回收裝置是無法實現出口尾氣達標排放的,因此需要尋求新的尾氣達標解決方案。如果在硫回收出口新建設尾氣再脫除裝置,面臨著投資大、施工周期長、見效慢、與鍋爐煙氣處理裝置重復投資造成資源浪費等情況。硫回收裝置尾氣流量低,在捕集器出口設計體積流量只有270 m3/h,尾氣處理量較低。

3 解決措施

“30·52”合成氨項目配套的大型流化床燃煤鍋爐本身就配套有專業的脫硫脫硝裝置,脫硫方式采用石灰石脫硫。該裝置操作彈性大、處理能力強,對于硫回收裝置出口尾氣殘余的SO2有很好的處理能力,能夠徹底解決硫回收出口尾氣排放超標帶來的隱患,解決硫回收裝置操作彈性小、容易出現出口尾氣不穩定等情況。將硫回收裝置出口尾氣引入流化床燃煤鍋爐,利用鍋爐配套的脫硫脫硝能力對硫回收裝置尾氣進行再處理,使硫回收操作的抗波動能力大大加強。

硫回收尾氣管線自硫捕集器處加1處三通引出1條管線至鍋爐、增加2道閥門作為去焚燒爐和鍋爐2處用戶切換使用。來自廠區硫回收裝置的含硫氣體(氣體組分主要為硫化氫、二氧化硫、二氧化碳、氮氣、水,以及少量單質硫),通過管道送往廠區流化床1號鍋爐摻燒口。物料管道主要架設在廠區硫回收管廊與外管廊上,操作壓力為20～30 kPa,操作溫度為120 ℃。

硫回收尾氣引鍋爐的管線設計為帶夾套伴熱的管道,通過低壓蒸汽夾套伴熱,使整條管線溫度達到130 ℃左右,高于硫黃的凝固點(120 ℃),即使硫捕集器沒有完全將尾氣中的硫黃完全捕集干凈,硫黃被帶入尾氣管線中也不會在管線中凝固、堵塞,避免硫回收引鍋爐的尾氣管線出現硫黃堵塞、壓差高無法正常運行等情況;夾套伴熱間距為50 m,每50 m設置1臺疏水器,保證伴熱溫度達到要求。

4 改造步驟

(1) 在硫捕集器出口接三通,將原來的進焚燒爐的尾氣在三通處引出,接入流化床鍋爐的燃料氣燒嘴入口,該條管線在硫捕集器出口和鍋爐入口設調節閥,便于中控操作。

(2) 尾氣引入鍋爐管線入口處增加阻火器,防止鍋爐爐膛火焰回火。

(3) 硫捕集器原來引入焚燒爐的管線增加調節閥,便于中控緊急情況下進行切換,也便于尾氣能夠順利引入鍋爐。

(4) 硫回收焚燒爐在尾氣引入鍋爐后處于備用狀態,中控控制燃料氣量控制好操作溫度,流化床鍋爐參數見表1。

表1 流化床鍋爐參數

5 尾氣管線投用操作要點

(1) 將硫回收引鍋爐夾套管線的伴熱投用,確保伴熱通暢、溫度正常。由于硫捕集器出口引出的硫回收尾氣會夾帶少量的硫黃,如果該改造管線溫度低于120 ℃,在長期運行的過程中容易出現堵塞風險,導致尾氣無法正常送入鍋爐[3]。

(2) 硫回收尾氣引鍋爐管線投用時,需要先打開硫捕集器出口閥門對管線進行均壓,均壓完成后關閉硫捕集器出口閥門,開鍋爐側閥門,保證鍋爐側流程通暢,且該條管線在鍋爐側應設置阻火器,防止鍋爐內火焰回火。

(3) 逐漸打開硫捕集器出口至鍋爐的閥門,直至全開,確保硫回收尾氣引入鍋爐的管道處于完全暢通狀態。

(4) 根據硫回收系統壓力,逐漸關閉硫捕集器出口至焚燒爐閥門,逐漸將硫回收尾氣引入鍋爐爐膛。在引入鍋爐的過程中觀察硫回收系統壓力,避免因該改造管道不通暢導致的硫回收系統壓力高聯鎖;觀察鍋爐出口尾氣SO2含量的微量變化,避免鍋爐出口SO2含量微量波動(根據實際運行情況來看,硫回收尾氣引入鍋爐燃燒后,鍋爐出口溫度、總硫含量均未出現明顯變化)。

(5) 尾氣引入鍋爐后,及時調整焚燒爐燃料氣量,控制焚燒爐溫度穩定在500 ℃左右,此時硫回收焚燒爐處于備用狀態,如果鍋爐出現故障導致停車,硫回收尾氣可以直接退回焚燒爐,實現無縫銜接[4]。

(6) 硫回收引入鍋爐的尾氣管線沿途需要增加SO2在線監測有毒氣體檢測報警系統,避免因管道泄漏造成的人員傷害問題。

6 改造效果

改造后的硫回收工藝流程見圖2。該改造可以有效解決硫回收裝置尾氣超標的風險,利用鍋爐自身的脫硫脫硝能力,對硫回收裝置尾氣進行處理,硫回收裝置出口要根據主燃燒爐壓力進行調整,維持壓力在70 kPa以下,避免出現壓力高聯鎖情況。改造投用后,對鍋爐出口煙氣進行監測,鍋爐出口尾氣含量沒有變化和波動,能夠完全處理這股硫回收尾氣。

圖2 改造后硫回收工藝流程

7 結語

硫回收尾氣改造,雖然不能產生直接的經濟效益,但是能夠有效減輕公司環保壓力,能夠更加從容地應對國內日益嚴苛的環保標準;同時,該改造不會影響硫回收系統與鍋爐系統的正常運行。根據設計院計算結果設計該管線的尺寸與走向,能夠很好地控制硫回收裝置尾氣中的硫含量,有效降低尾氣硫含量。改造投用過程中應注意系統壓力和焚燒爐溫度,緩慢投用,提前判定存在的風險,以應對硫回收尾氣排放問題。該改造可以為其他類似項目提供參考,降低項目投資,降低尾氣超標風險。