一種處理褐煤移動(dòng)床高烴類酸性氣的工藝技術(shù)

文 坤，馬文亮

(云南解化清潔能源開發(fā)有限公司解化化工分公司，云南 紅河 661699)

云南開遠(yuǎn)某廠采用低熱值高水分褐煤生產(chǎn)合成氨和甲醇產(chǎn)品，制氣采用移動(dòng)床塊煤氣化技術(shù)(碎煤熔渣加壓氣化技術(shù))，粗煤氣經(jīng)過(guò)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(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.8%～2.5%，在氣化、變換過(guò)程中約70%硫轉(zhuǎn)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(diǎn)是烴體積分?jǐn)?shù)達(dá)到10%左右，為高烴類酸性氣。為了確保環(huán)保裝置與主體裝置同步運(yùn)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(yōu)化的制酸、尾氣處理工藝[1～4]，采用國(guó)內(nèi)自主工藝技術(shù)、裝備，處理褐煤移動(dòng)床高烴酸性氣，生產(chǎn)97%(體積分?jǐn)?shù)，下同)的濃硫酸，尾氣污染物實(shí)現(xiàn)超低排放。

1 裝置規(guī)模及工藝流程

酸性氣在焚燒爐內(nèi)與過(guò)量O2燃燒反應(yīng)生成SO2、CO2、H2O等，焚燒爐出口工藝氣經(jīng)廢熱鍋爐冷卻后進(jìn)轉(zhuǎn)化器，在SO2轉(zhuǎn)化催化劑床層作用下SO2與O2反應(yīng)生成SO3。工藝氣經(jīng)轉(zhuǎn)化器床層底部工藝氣冷卻器冷卻后進(jìn)入酸冷凝器。酸冷凝器為立式回流冷卻器。在酸冷凝器內(nèi)工藝氣與冷卻風(fēng)逆流換熱冷卻，工藝氣中的SO3和H2O在低溫下反應(yīng)生成H2SO4，硫酸液滴在立管內(nèi)回流時(shí)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(jìn)入鍋爐給水預(yù)熱器預(yù)熱，鍋爐給水后排入煙囪，經(jīng)酸冷凝器冷卻后的煙氣進(jìn)入急冷塔冷卻后到雙氧水洗滌塔中脫除未反應(yīng)的微量SO2。洗滌后的尾氣經(jīng)過(guò)靜電除霧器除硫酸霧后經(jīng)風(fēng)機(jī)加壓排入煙囪。濃硫酸在酸冷凝器內(nèi)產(chǎn)出后送入罐區(qū)，雙氧水洗滌煙氣產(chǎn)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(shè)計(jì)處理酸性氣 3000 m3/h，主產(chǎn)品97%的濃硫酸，附產(chǎn) 5.3 MPa、420 ℃ 過(guò)熱蒸汽，20%的稀硫酸；尾氣排放指標(biāo)：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(shù)特點(diǎn)及設(shè)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(shè)計(jì)上采用半預(yù)混式低氮高效型燃燒器[4]，延長(zhǎng)燃燒停留時(shí)間，保證充分燃燒的同時(shí)控制氮氧化物的產(chǎn)生。半預(yù)混式低氮高效型燃燒器有一組高強(qiáng)度的旋流葉片，旋流狀的助燃空氣和酸性氣進(jìn)入燃燒火道后，由于旋流葉片的作用使得空氣和酸性氣產(chǎn)生強(qiáng)烈的旋流流場(chǎng)，使酸性氣得到充分的燃燒，火焰長(zhǎng)度較短，可以很快的燃燒完全。它最大特點(diǎn)是渦旋狀的混合氣流在燃燒室的中心部分形成了一個(gè)低壓區(qū)，這個(gè)低壓區(qū)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(nèi)停留時(shí)間加長(zhǎng)，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?zé)N類物質(zhì)燃燒不充分導(dǎo)致尾氣CO排放超標(biāo)，焚燒爐停留時(shí)間從通常的1～1.2 s 增加至 1.5 s，以保證烴類物質(zhì)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(nèi)充分混合。這兩股氣流交匯的區(qū)域形成了一個(gè)低速區(qū)，這個(gè)低速區(qū)使得酸性氣和空氣在一個(gè)低剪切力區(qū)域相互擴(kuò)散而充分混合。所以在這個(gè)區(qū)域所形成的火焰非常穩(wěn)定，這樣也為燃燒室內(nèi)其它部分的火焰提供了一個(gè)穩(wěn)定的基礎(chǔ)。由于酸性氣和空氣的充分混合，加快了燃燒反應(yīng)速度從而縮短了火焰的長(zhǎng)度。酸性氣和空氣在燃燒室內(nèi)這種強(qiáng)力的混合以及所形成的穩(wěn)定的火焰根部使得燒嘴在高效率地燃燒多種燃料時(shí)不會(huì)產(chǎn)生火焰不穩(wěn)定和不完全燃燒的問(wèn)題。

2.2 轉(zhuǎn)化器的設(shè)計(jì)和催化劑的選擇

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

1) 在床層設(shè)計(jì)上采用三段裝填，為提高每段的轉(zhuǎn)化效率和移除反應(yīng)熱量，層間設(shè)置級(jí)間冷卻器，降低進(jìn)入每段的工藝氣溫度；

2) 在轉(zhuǎn)化器的設(shè)計(jì)上增加設(shè)備的高度和高徑比，將高徑比增加至3，在達(dá)到提升轉(zhuǎn)化率效果的同時(shí)降低了催化劑的裝填量。

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

通過(guò)以上三個(gè)方面的控制和優(yōu)化，降低了催化劑的裝填量，現(xiàn)有 35 kt/a 裝置較廠內(nèi)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(shí)例較少，國(guó)內(nèi)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(dá)到設(shè)定指標(biāo)，在雙氧水洗滌裝置后增設(shè)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(shè)備，它具有導(dǎo)電性好、重量輕、耐腐蝕、性能穩(wěn)定、效率高等優(yōu)點(diǎn)。

通過(guò)運(yùn)行統(tǒng)計(jì)，在本工藝中雙氧水洗滌SO2脫除率穩(wěn)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(shè)備情況

本工藝所需設(shè)備主要包括酸性氣焚燒爐及廢鍋、燃燒風(fēng)機(jī)、冷卻風(fēng)機(jī)、轉(zhuǎn)化反應(yīng)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(shè)備及部件全部國(guó)產(chǎn)化，降低了裝備投資并縮短了建設(shè)周期。

3 處理效果及能耗情況

在2020年5月，對(duì)本工藝工業(yè)裝置進(jìn)行了性能考核，主要針對(duì)生產(chǎn)負(fù)荷情況、產(chǎn)品質(zhì)量情況、尾氣處理排放情況、裝置消耗情況進(jìn)行了測(cè)試。

3.1 裝置負(fù)荷情況

本工藝裝置設(shè)計(jì)酸性氣量 3000 m3/h，平均硫化氫體積分?jǐn)?shù)28.6%，酸產(chǎn)量 90 t/d，實(shí)際處理能力及負(fù)荷能夠滿足，要求詳見表2。

表2 裝置負(fù)荷情況一覽表

3.2 主要產(chǎn)品和輔料消耗情況

裝置設(shè)計(jì)產(chǎn)品硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于 97%，產(chǎn)品質(zhì)量滿足《硫酸》(GB/T534-2014)一等品及以上標(biāo)準(zhǔn)，雙氧水消耗小于 45 kg/h。實(shí)際產(chǎn)品硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于98%，雙氧水消耗小于 30 kg/h，具體詳見表3。

表3 主要產(chǎn)品質(zhì)量及消耗一覽表

3.3 尾氣排放情況

本裝置尾氣排放指標(biāo)：ρ(SO2)≤50 mg/m3、ρ(H2S)≤5 mg/m3,ρ(硫酸霧)≤30 mg/m3，ρ(NOX)≤200 mg/m3。實(shí)際檢測(cè)：ρ(SO2)<10 mg/m3、ρ(H2S)<0.1 mg/Nm3，ρ(硫酸霧)<5 mg/m3，ρ(NOx)<50 mg/m3。實(shí)現(xiàn)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(cè)數(shù)據(jù)一覽表

4 結(jié)論

本工藝裝置利用國(guó)內(nèi)自有技術(shù)，通過(guò)對(duì)燃燒、轉(zhuǎn)化、尾氣處理三個(gè)模塊的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可將褐煤移動(dòng)床氣化制氣經(jīng)低溫甲醇洗工藝產(chǎn)生的高烴酸性氣進(jìn)行處理，生產(chǎn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(guó)內(nèi)最新最嚴(yán)環(huán)境排放標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)污染物超低排放。