WSA硫酸裝置工程設(shè)計(jì)優(yōu)化

季開(kāi)慧* 馬西功 遲春紅

（中海油石化工程有限公司）

WSA（Wet Sulfuric Acid Process）濕法硫酸工藝是從H2S和其他含硫化合物中回收硫，并將硫轉(zhuǎn)化成商品級(jí)濃硫酸的技術(shù)。該工藝被廣泛應(yīng)用于石油煉制、焦化、煤化工、化肥、電力、冶金等行業(yè)。WSA裝置對(duì)原料適應(yīng)性強(qiáng)，可根據(jù)不同原料及實(shí)際需求調(diào)整工藝包。目前國(guó)內(nèi)煉油行業(yè)已投產(chǎn)的WSA裝置不超過(guò)15套，這些裝置雖然工藝技術(shù)有優(yōu)勢(shì)，但也存在尾氣排放難以達(dá)到新標(biāo)準(zhǔn)要求、設(shè)備和管道腐蝕嚴(yán)重、自動(dòng)化水平不高等問(wèn)題。山東某地方煉油廠WSA裝置的詳細(xì)設(shè)計(jì)從工程設(shè)計(jì)角度對(duì)WSA裝置進(jìn)行完善、優(yōu)化和創(chuàng)新，著力解決和避免現(xiàn)有裝置存在的問(wèn)題，提高了WSA工藝方法的實(shí)用性和可靠性。

1 煉油廠WSA工藝及裝置特點(diǎn)

WSA工藝主要由原料焚燒、SCR（Selective Catalytic Reduction煙氣選擇性催化還原法脫硝）脫硝、二氧化硫轉(zhuǎn)化、硫酸凝結(jié)冷卻及酸霧控制、尾氣處理和蒸汽系統(tǒng)等六部分組成。工藝氣在進(jìn)入WSA裝置之前無(wú)需干燥，從而避免了廢水的產(chǎn)生和硫的損失。WSA濕法硫酸工藝在高效回收酸性廢氣中硫酸的同時(shí)產(chǎn)生大量的中壓蒸汽，自產(chǎn)蒸汽約為同規(guī)模硫磺回收裝置的3倍。典型的WSA工藝流程如圖1所示。

圖1 典型的WSA工藝流程圖

酸性氣及其他含硫原料與助燃空氣混合后進(jìn)入焚燒爐，與同時(shí)進(jìn)人焚燒爐的燃料氣和低壓蒸汽過(guò)氧燃燒生成含SO2的高溫過(guò)程氣；高溫過(guò)程氣依次通過(guò)廢熱鍋爐、蒸汽過(guò)熱器換熱后進(jìn)入SCR脫硝反應(yīng)器；脫硝后的高溫過(guò)程氣再次與冷空氣換熱進(jìn)入SO2轉(zhuǎn)化器，過(guò)程氣在SO2轉(zhuǎn)化器中經(jīng)三級(jí)催化轉(zhuǎn)化為SO3；SO3與蒸汽水合形成硫酸霧進(jìn)入WSA冷凝器冷凝，冷凝液回收至WSA冷凝器底部的產(chǎn)品收集槽，槽內(nèi)熱酸再冷卻后泵至硫酸儲(chǔ)罐；從WSA冷凝器頂部排出的不凝尾氣經(jīng)急冷和雙氧水洗滌，達(dá)標(biāo)后排入大氣［1］。

山東某煉油廠屬于燃料型煉油廠，其WSA裝置原料為清潔酸性氣、含氨酸性氣、稀硫酸、液態(tài)硫等。酸性氣來(lái)自溶劑再生和酸性水汽提裝置。含氨酸性氣和清潔酸性氣原料的物性見(jiàn)表1。由表1可以看出，酸性氣組成除含有H2S外，還有CO2、NH3和少量烴類。

表1 酸性氣原料在0.06 MPa(g)下的下組分及物性

該廠WSA裝置的工程設(shè)計(jì)中有針對(duì)性地優(yōu)化了工藝流程，采用了新型尾氣處理工藝，提高了自控水平，對(duì)設(shè)備和管道保溫進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和材料優(yōu)選。完善、優(yōu)化和創(chuàng)新后的裝置使尾氣中SO2濃度低于50 mg/m3，酸霧小于5 mg/m3。硫回收裝置尾氣排放限值完全滿足GB 31570—2016《石油煉制污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》。

2 WSA裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 工藝流程優(yōu)化

丹麥托普索公司W(wǎng)SA裝置是基礎(chǔ)工藝包，在具體工程項(xiàng)目中應(yīng)緊密結(jié)合實(shí)際需求，完善WSA裝置的工藝流程。山東某煉油廠WSA裝置的工程設(shè)計(jì)克服了工藝包流程不完整、安全設(shè)計(jì)措施不足等問(wèn)題，使其更具有可實(shí)施性、安全性和完整性。

（1）采用新型尾氣處理工藝

該工程設(shè)計(jì)在國(guó)內(nèi)首次工業(yè)化應(yīng)用了尾氣雙氧水洗滌工藝進(jìn)行尾氣脫硫。含硫尾氣通過(guò)雙氧水溶液逆流噴淋洗滌，使尾氣中的二氧化硫與過(guò)氧化氫發(fā)生氧化反應(yīng)生成稀硫酸；洗滌后的尾氣含硫量大大降低，再經(jīng)除霧器達(dá)標(biāo)排放；稀硫酸溶液可進(jìn)行銷售或返回焚燒爐焚燒。整個(gè)尾氣處理系統(tǒng)流程短、設(shè)備簡(jiǎn)單、高效環(huán)保，排放尾氣實(shí)測(cè)SO2含量小于40 mg/m3，遠(yuǎn)低于國(guó)家和地方環(huán)保部門要求的排放限值。

（2）提高自動(dòng)化控制水平

原工藝包安全聯(lián)鎖系統(tǒng)（Safety Interlocking System，簡(jiǎn)稱SIS）與實(shí)際需求不一致。為加強(qiáng)工廠控制系統(tǒng)中報(bào)警和聯(lián)鎖功能，設(shè)計(jì)了獨(dú)立的安全連鎖SIS系統(tǒng)，并對(duì)檢測(cè)的結(jié)果實(shí)施報(bào)警、調(diào)節(jié)或停機(jī)等系統(tǒng)控制進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)：增設(shè)了酸性氣超壓保護(hù)和緊急放空連鎖、雙氧水溫度高報(bào)連鎖、儲(chǔ)罐液位連鎖、重點(diǎn)區(qū)域如汽包液位等的視頻監(jiān)控系統(tǒng)；增設(shè)了有毒、可燃?xì)怏w報(bào)警器和區(qū)域聲光報(bào)警系統(tǒng)。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，裝置的自動(dòng)化水平達(dá)到國(guó)內(nèi)同類裝置領(lǐng)先水平。

（3）優(yōu)化利用設(shè)備

工程設(shè)計(jì)中將設(shè)計(jì)壓力、溫度及操作條件相同的焚燒爐廢熱鍋爐和過(guò)程氣冷卻器的汽包優(yōu)化合并，采用了共用一臺(tái)汽包的技術(shù)方案。在確保操作安全可靠的前提下充分利用了相同功能設(shè)備，節(jié)省了投資。

（4）創(chuàng)新設(shè)計(jì)雙氧水供給設(shè)備和流程

雙氧水屬于強(qiáng)氧化劑，遇熱易分解出氧氣。裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)了夾套雙氧水罐和定量加注系統(tǒng)。雙氧水罐通過(guò)夾套內(nèi)流動(dòng)的新鮮水保證雙氧水溶液處于常溫狀態(tài)；設(shè)計(jì)了雙氧水罐高溫報(bào)警并連鎖罐體噴淋系統(tǒng)保證雙氧水罐溫度穩(wěn)定；設(shè)計(jì)采用定量加注系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)洗滌塔底液濃度分析，定量補(bǔ)充新鮮雙氧水溶液，保證尾氣洗滌效果。

（5）增設(shè)酸性氣分液密閉排放流程

原工藝包存在酸性水外排壓力不足、液位開(kāi)關(guān)和排液泵操作頻繁、安全隱患大等問(wèn)題。該工程設(shè)計(jì)采用的酸性氣分液密閉排放流程，將分出的酸性水密閉收集到地下酸性水罐。罐內(nèi)設(shè)置氮?dú)饧訅狠斔土鞒?，同時(shí)設(shè)置外排酸性水水泵，保證酸性水及時(shí)外排至酸性水處理設(shè)施。

（6）完善酸性氣緊急放空措施

原工藝包不包括裝置異常關(guān)停時(shí)原料氣去向的設(shè)計(jì)。為使裝置異常停車時(shí)，酸性氣能夠被妥善處理，消除酸性氣泄露的安全隱患，增設(shè)了酸性氣緊急放空和連鎖控制系統(tǒng)。當(dāng)裝置故障時(shí)，酸性氣可緊急泄放至酸性氣火炬，或通過(guò)生產(chǎn)調(diào)度送入硫磺回收裝置進(jìn)行處理。酸性氣分液罐設(shè)安全閥，避免酸性氣異常超壓對(duì)焚燒爐及下游系統(tǒng)造成沖擊。

2.2 設(shè)備和管道選材

WSA裝置核心設(shè)備有焚燒爐、SCR脫硝反應(yīng)器、SO2轉(zhuǎn)化器、床間冷卻器、WSA冷凝器、尾氣急冷塔、雙氧水洗滌塔等。重點(diǎn)管道有過(guò)程氣管道和稀硫酸管道等。這些設(shè)備和管道在已建裝置中均出現(xiàn)過(guò)硫酸腐蝕問(wèn)題，而且腐蝕多發(fā)生在裝置投產(chǎn)一年內(nèi)甚至幾個(gè)月以內(nèi)，這足以說(shuō)明設(shè)備和管道在以往的設(shè)計(jì)和選材方面存在不足。為了解決腐蝕問(wèn)題，工程設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)備和管道進(jìn)行了優(yōu)化。

（1）焚燒爐

焚燒爐操作溫度超過(guò)1 200 ℃，爐內(nèi)設(shè)計(jì)采用了耐火剛玉莫來(lái)石襯磚，軸向設(shè)膨脹縫，迎火面的膨脹縫涂抹耐火膠泥。爐內(nèi)表面和保溫釘刷耐露點(diǎn)腐蝕涂料，設(shè)備主材選用了耐高溫高壓的Q345R鋼板。

（2）SO2轉(zhuǎn)化器

為提高SO2轉(zhuǎn)化率和充分利用反應(yīng)熱，SO2轉(zhuǎn)化器和3臺(tái)床間冷卻器設(shè)計(jì)為橇裝一體設(shè)備，即將3臺(tái)冷卻器分別設(shè)計(jì)在SO2轉(zhuǎn)化器的三級(jí)催化劑床層后，用來(lái)冷卻過(guò)程氣和過(guò)熱蒸汽。該設(shè)備內(nèi)過(guò)程氣溫度范圍為380～540 ℃，為避免過(guò)程氣發(fā)生酸露點(diǎn)腐蝕，設(shè)備保溫應(yīng)保證設(shè)備內(nèi)壁溫度不低于氣體酸露點(diǎn)，SO2轉(zhuǎn)化器外殼材料根據(jù)設(shè)計(jì)溫度不同分段選用Q345R，14Cr1MoR和S30408，床間冷卻器換熱管選用美標(biāo)SA312 TP347H。

（3）WSA冷凝器

WSA冷凝器為管殼式換熱器，管程選用具有防腐性并且耐溫不小于290 ℃的玻璃管。其矩形外殼主材選用Q235B鋼。玻璃管立式安裝，殼程操作壓力略高于管程壓力，避免玻璃管破裂時(shí)含酸過(guò)程氣泄露。

（4）尾氣急冷塔和雙氧水洗滌塔

除鹽水作為冷卻介質(zhì)通過(guò)急冷水泵循環(huán)噴淋來(lái)冷卻含SO2尾氣。冷卻后的尾氣從急冷塔進(jìn)入雙氧水洗滌塔，塔內(nèi)設(shè)置填料和雙氧水噴淋分布器，促進(jìn)尾氣與雙氧水溶液充分混合接觸，最大限度地吸收尾氣中的SO2。尾氣急冷塔、雙氧水洗滌塔操作壓力為常壓，工藝介質(zhì)主要為濃度小于40%的稀硫酸。由于稀硫酸能跟活潑金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，設(shè)備材質(zhì)選用耐酸腐蝕的玻璃鋼。尾氣急冷塔上部采用內(nèi)襯ECTFE的玻璃鋼，塔下部選用內(nèi)襯PP-C-PK的玻璃鋼材料；雙氧水洗滌塔內(nèi)襯選用耐低溫的PP-C-PK的玻璃鋼。

（5）過(guò)程氣管道

原料氣經(jīng)焚燒后即稱為過(guò)程氣，其組成含有SO2、H2SO4、水及微量H2S，溫度范圍在380～540 ℃之間。根據(jù)溫度區(qū)間不同分段選用碳鋼、不銹鋼、鉻鉬鋼等不同材質(zhì)。

（6）稀硫酸管道

為避免稀硫酸與活潑金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，稀硫酸管道管材選用鋼襯塑料管或鋼襯搪玻璃管。鋼襯塑料管耐腐蝕性強(qiáng)，但溫度不能過(guò)高且不耐負(fù)壓。鋼襯搪玻璃管耐壓一般不超過(guò)1.0 MPa（g）、耐溫不超過(guò)200 ℃。本項(xiàng)目稀硫酸為常溫，選用了鋼襯塑料管。

2.3 其他優(yōu)化

（1）設(shè)計(jì)連通平臺(tái)操作

將裝置所有框架、管廊、設(shè)備平臺(tái)連通設(shè)計(jì)，極大地方便了裝置巡檢與操作。

（2）設(shè)備和管道保溫的特殊設(shè)計(jì)

在設(shè)備和管道外壁設(shè)計(jì)特殊保溫支撐，支撐件分為內(nèi)部和外部?jī)刹糠?，兩部分之間設(shè)計(jì)隔熱板避免熱量通過(guò)保溫支撐向外傳導(dǎo)。人孔、手孔、閥門等開(kāi)啟操作位置，設(shè)計(jì)了可拆卸式保溫結(jié)構(gòu)，方便操作和檢維修。保溫設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 可拆卸式保溫結(jié)構(gòu)

（3）增設(shè)圍堰

鑒于操作介質(zhì)的強(qiáng)氧化性和腐蝕性，對(duì)可能泄露的雙氧水區(qū)、濃硫酸區(qū)和稀硫酸區(qū)，分別設(shè)計(jì)了內(nèi)襯防腐蝕材料的小圍堰以便收集與處理泄露介質(zhì)。整個(gè)裝置設(shè)計(jì)大圍堰與周邊隔離，并考慮雨水的收集外排。

（4）獨(dú)特的方形空氣預(yù)熱器

根據(jù)工藝需求，設(shè)計(jì)了獨(dú)特的方形空氣預(yù)熱器，并對(duì)該設(shè)備進(jìn)行了多工況的應(yīng)力分析，保證了設(shè)備的換熱效率和運(yùn)行的可靠性。

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)WSA濕法硫酸工藝設(shè)計(jì)的優(yōu)化和創(chuàng)新，使WSA工藝在原料氣緊急泄放、酸性水收集處理、設(shè)備及管道選材和保溫、尾氣處理等方面得到了完善和提升。通過(guò)項(xiàng)目的實(shí)施和運(yùn)行，證明優(yōu)化設(shè)計(jì)后的流程工藝技術(shù)可靠，能夠滿足實(shí)際需求，可操作性強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定，節(jié)能環(huán)保。