WSA濕法制硫酸技術(shù)在煤化工裝置的應(yīng)用

陳玉民

（鄂爾多斯市蒙華能源有限公司，內(nèi)蒙古 東勝 017000）

1 WSA濕法制硫酸技術(shù)簡介

WSA濕法制硫酸工藝是丹麥托普索公司20世紀(jì)80年代開發(fā)的一種新型高效催化制酸工藝，英文是Wet gas Sulphuric Acid，縮寫WSA。該工藝可回收H2S和其他硫化物中的硫，對硫化物的濃度適應(yīng)范圍廣，可用H2S體積分?jǐn)?shù)低至0.5%的廢氣生產(chǎn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)93%～98%的硫酸，硫回收率99.5%。近年來該工藝廣泛用于石油、化工及冶煉行業(yè)。目前，長嶺煉油廠60kt／a WSA硫酸裝置、株洲冶煉廠及柳化股份有限公司等企業(yè)的WSA裝置已經(jīng)投產(chǎn)，在建的煤化工裝置采用托普索WSA濕法制硫酸工藝技術(shù)的有新疆廣匯能源有限公司、內(nèi)蒙古東華能源有限公司、兗礦新疆煤化工有限公司、貴州天?；び邢挢?zé)任公司等。該工藝是將含硫氣中的各種硫化物轉(zhuǎn)化為濃硫酸，采用的冷凝裝置為降膜式冷凝器。工藝過程為，酸性氣燃燒生成SO2，經(jīng)冷卻進入SO2轉(zhuǎn)化器，生成SO3，SO3和攜帶的水蒸氣進入冷凝器，直接冷凝成酸。

WSA工藝實際是一個催化反應(yīng)工藝過程，非常適合處理各種濃度的含硫氣體，其濃度可從百分之零點幾到很高，也可處理水分相當(dāng)高的工藝氣，處理前無需干燥。即使酸性氣中水分達(dá)30%～50%，成品酸的質(zhì)量濃度也能達(dá)到93%～94%。此外，該工藝流程簡單，能效高，當(dāng)酸性氣SO2體積分?jǐn)?shù)低至3%時仍可自熱運行。

2 WSA濕法制硫酸技術(shù)的原理

（1）酸氣和廢氣的燃燒

（2）SO2的轉(zhuǎn)換

（3）SO3水合生成 H2SO4（g）

（4）H2SO4（g）的冷凝

（5）DENOX脫氮

3 WSA濕法制硫酸技術(shù)的流程簡介

WSA濕法制硫酸技術(shù)主要包括酸氣和廢氣的燃燒，工藝氣的冷卻，SO2轉(zhuǎn)化為SO3，硫酸的冷凝和冷卻，霧控單元等。

3.1 酸氣和廢氣的燃燒

含有H2S的幾股酸性氣體（除來自低溫甲醇洗熱再生來的酸性氣，可能還會有水煤氣膨脹氣、汽提酸性氣、酚回收酸性氣等）在燃燒爐中燃燒，生成含有SO2的工藝氣體，助燃空氣一方面確保燃燒器內(nèi)空氣過量，同時還對煙氣進行稀釋，來控制煙氣的濃度和溫度。為了提高酸性氣燃燒爐的溫度，節(jié)約燃料氣，助燃空氣在進入燃燒器之前，首先在酸冷凝器中被預(yù)熱到225℃左右，再通過燃燒空氣風(fēng)機升壓后進入燃燒器。當(dāng)爐溫太低時，適當(dāng)補加燃料氣，維持燃燒室的溫度在1175℃。

3.2 工藝氣體的冷卻

從燃燒器出來的工藝氣溫度為1175℃，首先在廢熱鍋爐中被冷卻到497℃，然后又在蒸汽過熱器中被冷卻到410℃，進入SO2反應(yīng)器。同時副產(chǎn)4.0MPa、450℃的過熱蒸汽，送出界區(qū)。

3.3 SO2 的轉(zhuǎn)換

在SO2反應(yīng)器中，工藝氣中的SO2通過反應(yīng)器中裝有托普索硫酸催化劑的三層絕熱反應(yīng)床轉(zhuǎn)化為SO3，其SO2轉(zhuǎn)化率最低為99.24%。此反應(yīng)為放熱反應(yīng)，其主要化學(xué)反應(yīng)方程式為：

此反應(yīng)為一個可逆反應(yīng)，增加反應(yīng)物的濃度、降低反應(yīng)的溫度都有利于反應(yīng)向生成物的方向進行。第一層催化劑反應(yīng)床下游的工藝氣體與一段床間冷卻器的飽和蒸汽進行熱交換，使其溫度從496℃降到450℃，第二個催化劑反應(yīng)床下游的工藝氣體與二段內(nèi)置冷卻器中的蒸汽進行換熱，使其溫度從454℃降到380℃。工藝氣從二段內(nèi)置冷卻器出來后進入第三個催化劑反應(yīng)床，溫度為380℃，被轉(zhuǎn)化后的工藝氣體最終在工藝氣冷卻器中通過產(chǎn)生5.32MPa的飽和蒸汽，從而把工藝氣溫度從379℃降到了285℃。工藝氣在工藝氣冷卻器中被冷卻的時候，就有部分SO3形成，這部分SO3與工藝氣中的水蒸氣發(fā)生水合反應(yīng)：

氣相硫酸的存在表明工藝氣的溫度高于酸的露點溫度，因此，從工藝氣冷卻器出來的工藝氣出口溫度必須控制到285℃，確保與酸的露點溫度（251℃）有34℃的溫差。

3.4 硫酸的冷凝

工藝氣然后進入WSA冷凝器內(nèi)，被冷卻到100℃；水合反應(yīng)未反應(yīng)完的部分開始進行反應(yīng)，氣相硫酸開始冷凝。酸冷凝器是一種水幕式的管殼冷凝器，其中管子為玻璃管。含有酸的工藝氣沿著玻璃管向上流動，遇冷空氣冷凝的硫酸沿著玻璃管壁向下流動到有耐酸磚襯里結(jié)構(gòu)的酸冷凝器底部，生成硫酸的濃度為97.5%。從酸冷凝器頂部管內(nèi)出來的潔凈氣酸霧的含量最多為10×10－6，SO2的含量最多為960mg／m3。經(jīng)過空氣過濾器過濾后的冷空氣經(jīng)冷卻風(fēng)機加壓后對酸冷凝器管內(nèi)的工藝氣進行冷卻，在冷卻風(fēng)機入口設(shè)置空氣過濾器的目的，是為了防止灰塵和雜質(zhì)帶入WSA裝置內(nèi)，影響酸霧的形成與控制，還會導(dǎo)致第一個催化劑層發(fā)生積垢現(xiàn)象。從酸冷凝器出來的熱空氣分成三股，其中一股被送入燃燒空氣風(fēng)機內(nèi)，升壓到15.4kPa，作為助燃空氣進入燃燒器；第二股熱空氣與從酸冷凝器頂部出來的潔凈氣混合，稀釋后的潔凈氣溫度降至156℃，通過煙囪排放到大氣中，潔凈氣中SO2的含量最多為175×10－6；第三股熱空氣回到冷卻風(fēng)機的入口處，目的是把酸冷凝器入口的冷空氣提高到25℃。嚴(yán)寒季節(jié)，在空氣過濾器內(nèi)引入一股熱空氣，防止雪霜進入而結(jié)冰。

3.5 酸霧的控制

氣相硫酸的冷凝會導(dǎo)致酸霧小液滴的產(chǎn)生。在酸冷凝器中，如果沒有任何措施，這些酸霧小液滴是不會與工藝氣分開的。為了解決這個問題，需在裝置內(nèi)安裝酸霧控制單元。通過燃料氣燃燒氣相硅油，產(chǎn)生一股含有微小硅樹脂顆粒的氣相流體。為了控制酸霧在酸冷凝器中的形成，把這些硅樹脂顆粒添加到SO2反應(yīng)器出口含有SO3的工藝氣中，這些硅樹脂顆粒就相當(dāng)于一個個原子核，那些酸霧小液滴就會在其表面逐步增大，直到可以在酸冷凝器中與工藝氣分離為止。

3.6 硫酸的冷卻

冷凝下來的251℃硫酸從酸冷凝器的底部流出，與來自酸冷卻器中40℃的冷酸混合，控制酸的循環(huán)量，使進入酸儲罐的溫度約67℃。再經(jīng)酸泵加壓后進入酸冷卻器，被冷卻到40℃，分成兩股，一股作為冷酸打循環(huán)，一股作為產(chǎn)品硫酸送往成品罐區(qū)。

3.7 水汽系統(tǒng)

水汽系統(tǒng)設(shè)備包括鍋爐給水升壓泵、蒸汽發(fā)生器廢熱鍋爐、工藝氣冷卻器、汽包、磷酸三鈉加藥槽、排污冷卻器、取樣冷卻器、排污罐、計量泵、一段內(nèi)置冷卻器、二段內(nèi)置冷卻器以及蒸汽過熱器。鍋爐給水升壓泵將壓力為6.90MPa、溫度為150℃的鍋爐給水送至汽包，汽包的操作壓力為5.07MPa。鍋爐給水在汽包內(nèi)通過一個預(yù)熱盤管來加熱，避免冷水循環(huán)到降熱管內(nèi)形成冷區(qū)，造成酸的冷凝，腐蝕設(shè)備和管道；廢熱鍋爐中所產(chǎn)生的蒸汽，以及在工藝氣冷卻器中產(chǎn)生的蒸汽都進入汽包，從汽包進入到第二床層間冷卻器，然后又到一段內(nèi)置冷卻器吸收大量熱量，其目的是及時移走第一和第二床層SO2氧化反應(yīng)熱及氣相水合反應(yīng)熱，防止催化層超溫。一段內(nèi)置冷卻器出來的飽和蒸汽通過蒸汽過熱器換熱，副產(chǎn)4.0MPa、450℃的過熱蒸汽，送出界區(qū)。

4 WSA濕法制硫酸工藝特點

4.1 硫回收率高

硫回收率高，尾氣排放總硫在584.7mg／m3以下，完全滿足國家最新排放標(biāo)準(zhǔn)要求（＜960 mg／m3），無需尾氣處理裝置。

4.2 燃料氣消耗低

WSA裝置正常運行不消耗燃料氣，只有在H2S濃度低或酸性氣流量較小的情況下，為了維持燃燒爐的溫度在1100～1200℃之間，才需要消耗少量燃料氣。

4.3 對酸性氣要求低

對酸性氣體組成沒有限制，H2S濃度可以低至0.5%以下，高可以超過90%；原料中可以含高濃度的CO2以及烴類有機物等雜質(zhì)。

4.4 操作彈性范圍大

WSA裝置操作彈性范圍大，負(fù)荷在25%以下也可以正常運行；進料大幅度波動不會影響裝置的正常運行。

4.5 經(jīng)濟效益顯著

WSA濕法制硫酸工藝可以直接生產(chǎn)商品級濃硫酸（濃度98%），價值高，可以自用或市售；同時，產(chǎn)生大量的過熱蒸汽，壓力超過4.0MPa，可以直接并入工廠蒸汽管網(wǎng)，經(jīng)濟效益十分顯著。日產(chǎn)112t的WSA濕法制硫酸裝置操作成本／收益見表1。

表1 WSA裝置操作成本／收益（年運行時間8000h）

4.6 裝置結(jié)構(gòu)緊湊

整個裝置布局簡單，設(shè)備少，占地僅幾百平方米。

4.7 自動化程度高

WSA工藝燃燒器的燃燒是過氧完全燃燒，操作簡單、經(jīng)濟，可以用DCS控制，自動化程度高。

4.8 環(huán) 保

WSA裝置在生產(chǎn)過程中，不需要工藝水及化學(xué)品，冷卻水消耗少，無廢水、廢渣等二次污染物，裝置環(huán)保，裝置區(qū)域非常干凈。

5 正常生產(chǎn)的操作控制

5.1 燃燒爐的控制

酸氣通過酸性氣體供應(yīng)系統(tǒng)進入燃燒爐內(nèi)燃燒，生成SO2，燃燒爐內(nèi)的燃燒溫度1100～1200℃。當(dāng)溫度低于800℃時，反應(yīng)不完全；溫度高于1500℃又會使NOX迅速增加，造成二次污染。

5.2 各段反應(yīng)器溫度控制

一段托普索硫酸催化劑的進口溫度由進入蒸汽過熱器的蒸汽量控制，初期控制在410℃；二段進口溫度由進入一段床間冷卻器的飽和蒸汽流量控制，初期控制在380℃；三段進口溫度由進入二段內(nèi)置冷卻器的飽和蒸汽流量控制，初期控制在380℃。

5.3 工藝氣冷卻器出口溫度的控制

從工藝氣冷卻器出來的工藝氣出口溫度必須控制到285℃，確保與酸的露點溫度（251℃）有34℃的溫差，防止對設(shè)備造成腐蝕。

5.4 酸霧的控制

安裝霧控，通過燒嘴，使用燃料氣燃燒硅油，產(chǎn)生像原子核一樣的硅樹脂顆粒物質(zhì)，通過增加顆粒到去酸冷凝器的工藝氣中，使硫酸液滴逐漸變大，這樣就可以把它們從酸冷凝器中分離出來。

6 WSA濕法制硫酸技術(shù)的應(yīng)用前景

目前，煤化工裝置的酸性氣處理通常采用克勞斯硫回收技術(shù)或WSA濕法制硫酸技術(shù)。煤化工裝置的酸性氣中H2S濃度較低，在2%～30%之間，其余主要是CO2，CO2濃度通常在65%～90%。酸性氣來源較復(fù)雜，以低溫甲醇洗酸性氣為主，同時伴有濃度更低（H2S＜3%）、流量較大（約占總氣量的20%～30%）的水煤氣膨脹氣、汽提酸性氣、酚回收酸性氣等，除了含有H2S和有機硫以外，還可能含有CO2、N2、NH3、HCN、HCHO、CH3OH 等雜質(zhì)。因為酸性氣沒有采取任何提濃的措施，因此H2S濃度較低。傳統(tǒng)克勞斯工藝一般存在以下問題：一是對酸性氣體成分要求苛刻，不僅要求H2S濃度必須高于25%以上，而且對烴類有機物、NH3、CO2、COS等有嚴(yán)格的限制；二是酸性氣燃燒爐的燃燒是化學(xué)計量燃燒，操作條件非?？量?，燃燒爐運行不好，不僅影響硫磺產(chǎn)品質(zhì)量，而且還會造成尾氣排放超標(biāo)；三是裝置操作彈性小，負(fù)荷低于60%，裝置就很難正常運行，進料波動會嚴(yán)重影響裝置運行；四是為了維持燃燒爐的溫度，需要燃料氣進行輔助燃燒，燃料氣消耗高，燒嘴容易結(jié)炭；五是硫回收率低，尾氣排放很難達(dá)標(biāo)，需要專門的SCOT尾氣處理裝置或在尾氣排放時摻入大量的空氣，對SO2稀釋后才能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)的克勞斯技術(shù)已很難滿足環(huán)保的要求，同時，日趨嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)也對我國煤化工裝置提出了新的要求。針對這樣的情況，若采用傳統(tǒng)的克勞斯＋斯科特工藝，雖能達(dá)到環(huán)保要求，但工藝流程相對復(fù)雜，操作工藝條件苛刻，裝置投資較大。因此，對于沒有溶劑吸收裝置的煤化工裝置來說，克勞斯硫回收工藝并不是一個很好的選擇。

而采用WSA技術(shù)不僅操作簡單、操作彈性大，對酸性氣組成沒有限制，H2S濃度可以低至0.5%以下，高可以超過90%；原料中可以含有高濃度的CO2，以及烴類有機物等雜質(zhì)；而且正常運行不消耗燃料氣，只有在H2S濃度低或酸性氣流量較小的情況下，為了維持燃燒爐的溫度在1100～1200℃之間，才需要消耗少量燃料氣；裝置流程短，設(shè)備布置緊湊，占地少，環(huán)境效益顯著，硫回收率高，尾氣SO2排放可以完全滿足國家最新排放標(biāo)準(zhǔn)要求（＜960mg／m3），無需尾氣處理裝置。WSA工藝?yán)盟嵝詺庵苯又扑岬募夹g(shù)經(jīng)濟性比單獨處理硫磺回收裝置尾氣更為合理。與傳統(tǒng)的硫酸生產(chǎn)工藝相比，WSA濕法制酸工藝可高效回收大量反應(yīng)熱，副產(chǎn)4.0MPa、450℃的過熱蒸汽。副產(chǎn)的過熱蒸汽除供生產(chǎn)使用外，還可供其他方面使用。整個裝置尾氣排放總硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)在584.7mg／m3以下，不必處理即可達(dá)標(biāo)排放。WSA和克勞斯Claus硫磺回收對比見表2。

表2 WSA和克勞斯Claus硫磺回收對比（基于日產(chǎn)30t硫磺）

總之，選擇硫回收工藝主要應(yīng)考慮經(jīng)濟性、技術(shù)性和保證國家現(xiàn)有和未來的環(huán)保指標(biāo)。所以，煤化工酸性氣處理裝置采用WSA濕法制硫酸工藝，將是一種較好的選擇。與傳統(tǒng)克勞斯硫回收裝置相比，投資略高，但與帶有SCOT尾氣處理裝置相比，投資要小，且硫回收率有明顯的提高，裝置運行費用低，尾氣符合環(huán)保排放要求。因此，WSA濕法制硫酸工藝今后在新建煤化工裝置硫回收方面將有一定的推廣應(yīng)用價值。

［1］張毅.WSA尾氣直接制酸技術(shù)在化肥企業(yè)的應(yīng)用 ［J］.化肥工業(yè)，2008，35 （1）：24～26，57.

［2］汪家銘.酸性氣硫回收濕法直接制酸工藝及應(yīng)用前景 ［J］.天然氣與石油，2010，49 （3）：40～44.

［3］曹葉霞.硫化氫制酸的生產(chǎn)技術(shù)進展 ［J］.無機鹽工業(yè)，2006，47 （11）：10～12.