優(yōu)化煤制天然氣工廠硫回收裝置配置的措施

姜成旭，肖春輝，閆立娜

（遼寧大唐國際阜新煤制天然氣有限責(zé)任公司，遼寧阜新 123000）

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優(yōu)化煤制天然氣工廠硫回收裝置配置的措施

姜成旭，肖春輝，閆立娜

（遼寧大唐國際阜新煤制天然氣有限責(zé)任公司，遼寧阜新 123000）

摘 要：對遼寧大唐國際阜新煤制天然氣項目硫回收裝置原設(shè)計進(jìn)行深入分析，提出了對硫回收尾氣處理部分工藝流程的整體優(yōu)化措施。優(yōu)化結(jié)果表明：裝置的工藝優(yōu)化效果較好，SO2排放量減少301.8t/a，在滿足更高的環(huán)保達(dá)標(biāo)要求的基礎(chǔ)上，使其技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)更加先進(jìn)。

關(guān)鍵詞：硫回收；氨法脫硫；二氧化硫；優(yōu)化

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國因含硫原料冶煉焙燒等的使用，導(dǎo)致排放的SO2急劇增加，由此引起的環(huán)境問題越來越突出。對此，國家出臺不少政策以及法規(guī)來控制SO2排放量。2011年，我國新頒布的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB13223—2013）中規(guī)定，除位于廣西壯族自治區(qū)、重慶市、四川省和貴州省的火力發(fā)電鍋爐外，新建燃煤鍋爐SO2排放限值為100 mg/Nm3。

遼寧大唐國際阜新煤制天然氣項目可研批復(fù)為采用Claus+SCOT工藝，最終尾氣SO2排放量為850 mg/Nm3，鑒于國家對環(huán)境的要求越來越嚴(yán)格，該項目在總體設(shè)計階段不斷優(yōu)化其硫回收裝置配置，使硫回收裝置尾氣SO2排放指標(biāo)能夠達(dá)到國家新頒布的排放標(biāo)準(zhǔn)，其經(jīng)驗可為同類裝置提供借鑒。

1 原設(shè)計工藝描述

可研報告硫回收裝置采用Claus+SCOT工藝，該工藝包括硫磺回收工序、尾氣處理工序、溶劑再生工序，流程見圖1。

圖1 原設(shè)計工藝流程

1.1 硫磺回收工序

原設(shè)計采用二級Claus硫回收工藝，酸性氣體通過酸氣分離器后進(jìn)入主燒嘴點燃。在主燃燒室中，酸氣和空氣（氧氣）以低于化學(xué)計量比混合燃燒，溫度達(dá)1 200℃左右。化學(xué)反應(yīng)如下：

廢熱鍋爐直接與主燃燒室相連，將工藝氣冷卻分離出部分液硫。離開廢熱鍋爐的工藝氣進(jìn)入一級克勞斯反應(yīng)器，進(jìn)行上述（2）式反應(yīng)，無機(jī)硫進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成單質(zhì)硫。工藝氣接著進(jìn)入一級硫冷凝器冷卻，然后通過工藝氣預(yù)熱器加熱后進(jìn)入二級克勞斯反應(yīng)器，剩余的硫組分進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成單質(zhì)硫。工藝氣離開二級克勞斯反應(yīng)器，在下游的二級硫冷凝器中被冷凝分離液硫。最后工藝氣經(jīng)過液硫分離器，將液硫分離下來。出來的尾氣送入尾氣焚燒爐焚燒處理。

克勞斯段的尾氣經(jīng)焚燒爐、焚燒室后，氣體中的有機(jī)硫及微量的硫蒸汽均轉(zhuǎn)化為SO2，熱氣體經(jīng)焚燒爐廢鍋冷卻后送尾氣處理工序。

1.2 尾氣處理工序

制硫尾氣進(jìn)入尾氣加熱器，與在線還原爐換熱、混氫后進(jìn)入加氫反應(yīng)器，在加氫催化劑的作用下，SO2、COS等被加氫水解，還原為H2S。

從加氫反應(yīng)器出來的氣流經(jīng)過蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生低壓蒸汽回收熱量后進(jìn)入尾氣急冷塔，與急冷水直接接觸降溫。因尾氣溫度降低而凝析下來的、多余的急冷水送至污水處理場處理。急冷降溫后的尾氣自塔頂出來，進(jìn)入尾氣吸收塔，用甲基二乙醇胺溶液吸收其中的H2S，尾氣吸收塔頂出來的凈化氣進(jìn)入尾氣焚燒爐燃燒，在尾氣焚燒爐內(nèi)，凈化氣中殘余的H2S被燃燒為SO2，高溫?zé)煔庀冉?jīng)中壓蒸汽過熱器將制硫余熱鍋爐產(chǎn)生的中壓蒸汽過熱，再經(jīng)尾氣加熱器回收余熱后由煙囪排放。

1.3 溶劑再生工序

尾氣吸收塔使用后的富液用富胺液泵送返胺液再生部分進(jìn)行再生。進(jìn)入溶劑再生部分的富胺液，經(jīng)過貧/富胺換熱器，與再生塔底的高溫貧胺液換熱后進(jìn)入再生塔上部。塔底獲得的貧胺液進(jìn)入貧/富胺換熱器回收余熱后，經(jīng)過貧胺冷卻器和循環(huán)水冷卻器冷卻，冷卻后的貧胺液經(jīng)過貧胺罐緩沖，再經(jīng)貧胺泵升壓，送返尾氣吸收塔循環(huán)使用。

再生塔底部的胺液進(jìn)入塔底再沸器，用硫回收單元產(chǎn)出的低壓蒸汽加熱，為富胺液再生提供熱源；塔底再沸器產(chǎn)生的凝結(jié)水進(jìn)入凝結(jié)水罐，通過調(diào)節(jié)閥后送往凝結(jié)水管網(wǎng)。

再生塔頂部含H2S的蒸汽經(jīng)過塔頂空冷器降溫后進(jìn)入塔頂回流罐，凝液經(jīng)塔頂回流泵、液控閥返回再生塔頂作回流；塔頂回流罐的酸性氣，送至硫回收單元作原料。

2 優(yōu)化方案

2.1 硫回收尾氣直接引入氨法脫硫裝置

2.1.1 優(yōu)化內(nèi)容

原設(shè)計為：采用Claus+SCOT工藝，設(shè)立一套尾氣加氫吸收再生方案，尾氣經(jīng)硫回收煙囪排放進(jìn)行優(yōu)化。將其優(yōu)化為：Claus+氨洗尾氣處理工藝，硫回收尾氣經(jīng)焚燒爐焚燒后，直接送到動力站氨法脫硫裝置，優(yōu)化后的工藝流程見圖2。

圖2 優(yōu)化后的工藝流程

圖2優(yōu)化具體實施措施如下。

（1）平面布置。此布置省去一套硫回收尾氣處理工序，將尾氣經(jīng)焚燒爐焚燒、經(jīng)換熱器降溫后引入氨法脫硫裝置，節(jié)省占地面積4 560 m2。

（2）氣體管線。滿足工藝流程要求，尾氣輸送管線盡可能優(yōu)化布置，克勞斯尾氣管線長130 m，直徑2 100 mm，碳鋼材質(zhì)，厚度16 mm，內(nèi)部采用DY22-7煙氣防腐涂料，外部采用保溫棉保溫，三期硫回收裝置共用一條克勞斯尾氣管線。力求縮短管線距離，減少管線數(shù)量，節(jié)約工程投資。

（3）設(shè)計條件?？藙谒刮矚夤芫€尾氣溫度應(yīng)控制在130℃左右，壓力為1 500 Pa，溫度過低會產(chǎn)生酸結(jié)露現(xiàn)象腐蝕管道。且溫度應(yīng)≤170℃，如果長時間超過此溫度會使脫硫塔濃縮段溫度超過設(shè)計值70℃，導(dǎo)致脫硫塔碳鋼內(nèi)襯VEGF鱗片膠泥防腐層脫落。

（4）吸收系統(tǒng)。硫回收裝置來的克勞斯尾氣量是50 349 Nm3/h，φ（SO2）0.511％即13 000 mg/Nm3，克勞斯尾氣進(jìn)入進(jìn)口煙道與鍋爐煙氣匯合后進(jìn)入脫硫塔內(nèi)，與界外送來的氨水參與吸收反應(yīng)。

2.1.2 工藝描述

Claus+氨洗工藝與Claus+SCOT工藝制硫段大體一致，只是尾氣處理工藝不同。

克勞斯段尾氣經(jīng)焚燒回收余熱后進(jìn)SO2吸收塔，首先進(jìn)入硫銨濃縮段，功能是稀硫銨從熱煙氣中取熱，用于自身濃縮，煙氣溫度降為55～60℃。然后進(jìn)入吸收段，在吸收段，發(fā)生如下反應(yīng)：

之后煙氣接著進(jìn)入水洗段以除去煙氣中夾帶的吸收液。之后經(jīng)過除霧分離，離開脫硫塔，煙氣溫度為48～50℃。

從脫硫塔底部出來的料漿，經(jīng)旋流器分離、離心機(jī)濃縮、振動流化床干燥、包裝機(jī)包裝等工序，得到硫銨產(chǎn)品，產(chǎn)品硫銨貯存并外售。

2.1.3 優(yōu)化效果

（1）此方案非常適用于煤化工的企業(yè)，從全局出發(fā)，利用鍋爐煙氣氨法脫硫裝置。該優(yōu)化措施在降低了投資和大大降低了排放指標(biāo)的基礎(chǔ)上，將污染物SO2回收成為高附加值的商品化產(chǎn)品，同時處理了裝置副產(chǎn)廢氨水，副產(chǎn)優(yōu)良的氮肥——硫胺。

（2）硫回收裝置原設(shè)計尾氣排放 SO2為850 mg/Nm3，SO2為342 t/a。優(yōu)化后按尾氣排放SO2為100 mg/Nm3，尾氣排放SO2為40.2 t/a，減少SO2排放量為301.8 t/a。

（3）利用電廠已建的鍋爐煙氣氨法脫硫裝置處理硫回收尾氣，在設(shè)備投資方面省去了一套尾氣單元的投資，減少投資，也減少了占地面積、操作維護(hù)和公用工程消耗。

（4）電耗節(jié)省500 kW·h，低壓蒸汽消耗節(jié)省10 t/h，節(jié)省MDEA溶液消耗。

2.2 氨法脫硫裝置脫硫塔改造

2.2.1 優(yōu)化內(nèi)容

原設(shè)計按尾氣中SO2排放濃度為190 mg/Nm3設(shè)計。由于《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB13223—2013的頒布，為滿足新的排放標(biāo)準(zhǔn)，將脫硫塔高度由34.385m優(yōu)化到36.185m，并增加1臺一級吸收循環(huán)泵，使塔噴淋層由3層增加為4層。從而使塔內(nèi)液氣比增加1/3，停留時間增加5％。另外，將塔內(nèi)原各分布器噴淋層的分布進(jìn)行優(yōu)化，增強噴淋覆蓋效果。

2.2.2 優(yōu)化效果

（1）經(jīng)過優(yōu)化改造后，能夠更精確、及時地控制氨水的加入量，防止為了達(dá)到較好的脫硫效率而加入過多的氨水，從而造成氨逃逸，可以有效地減少氣溶膠的產(chǎn)生，減少塔頂部除霧器工作負(fù)擔(dān)，大大降低出口煙道和煙囪的腐蝕，使脫硫裝置更能高效、穩(wěn)定運行。

（2）脫硫塔改造后使煙氣更能均勻分布并且停留時間增多，不僅提高了脫硫效率，同時煙氣與硫銨液傳遞的能量增加，加快蒸發(fā)結(jié)晶，提高了硫銨產(chǎn)率，又增加煙氣的處理能力。保證達(dá)到排放尾氣中SO2排放濃度為100 mg/Nm3。使脫硫效率從95.4％提高到96.8％，節(jié)省工程排污費。

2.3 吸收劑加入位置的改造

2.3.1 優(yōu)化內(nèi)容

原設(shè)計吸收劑氨水直接加入到一級循環(huán)泵入口與硫銨漿液混合（原設(shè)計的亞硫銨在循環(huán)槽內(nèi)已被氧化）后去塔內(nèi)吸收SO2。優(yōu)化后，在脫硫裝置循環(huán)槽內(nèi)單獨設(shè)立一個加氨區(qū)，在加氨區(qū)內(nèi)氨水與亞硫銨液（加氨區(qū)隔離一部分循環(huán)槽內(nèi)的氧化空氣）充分混合后由一級循環(huán)泵打出去塔內(nèi)吸收SO2。

2.3.2 工藝描述

氨法脫硫技術(shù)以水溶液中的NH3和SO2反應(yīng)為基礎(chǔ)，在多功能煙氣脫硫塔的吸收段將鍋爐煙氣和硫回收尾氣中的SO2吸收，得到脫硫中間產(chǎn)品亞硫酸銨或亞硫酸氫銨的水溶液，在脫硫系統(tǒng)的循環(huán)槽，鼓入壓縮空氣進(jìn)行亞硫銨的氧化反應(yīng)，將亞硫銨直接氧化成硫銨溶液。在脫硫塔的濃縮段，利用高溫?zé)煔獾臒崃繉⒘蜾@溶液濃縮，得到含有一定固含量的硫銨漿液，漿液經(jīng)旋流器濃縮、離心分離、干燥、包裝等工序，得到硫銨產(chǎn)品。原理如下：

上述反應(yīng)中，在送入氨量較少時，則發(fā)生反應(yīng)式（1）；在送入氨量較多時，則發(fā)生（2）式反應(yīng)；因吸收過程中所生成的酸式鹽NH4HSO3對SO2不具有吸收能力，吸收液中NH4HSO3數(shù)量增多時對SO2吸收能力下降，式（3）表示的才是氨法脫硫吸收反應(yīng)的主反應(yīng)式；（NH4）2SO3吸收SO2的速率要比氨水快，優(yōu)化后氨水加入加氨區(qū)內(nèi)，在加氨區(qū)內(nèi)氨水與漿液混和得更加均勻，幾乎使全部亞硫酸氫氨轉(zhuǎn)化為亞硫銨硫銨，然后由一級循環(huán)泵打出參與吸收反應(yīng)。而優(yōu)化前氨水直接進(jìn)入管道，還未能及時將亞硫酸氫銨轉(zhuǎn)化為亞硫銨，氨水直接參與了吸收反應(yīng)，這樣與優(yōu)化后相比吸收速率明顯降低。

2.3.3 優(yōu)化效果

（1）經(jīng)過優(yōu)化后不斷加入的氨水能充分地將亞硫酸氫銨轉(zhuǎn)化成亞硫銨，比直接用氨水加入管道參與反應(yīng)明顯提高了30％反應(yīng)速率，有利于脫硫裝置的脫硫效率提高。

（2）與優(yōu)化前相比，氨水的利用率提高，優(yōu)化前出口煙道凈煙氣氨逃逸量為14 mg/Nm3，優(yōu)化后出口煙道凈煙氣氨逃逸量為8 mg/Nm3，可以節(jié)約氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)15％約33.1 kg/h，節(jié)約成本，減少氨逃逸造成污染。

（3）氨水利用率提高意味著氨水加入量更接近當(dāng)量化學(xué)反應(yīng)需要量，可以使脫硫裝置吸收循環(huán)系統(tǒng)平均pH值由原來的7.2降低到6.4，酸性增大，減少結(jié)垢堵塞現(xiàn)象，使裝置更能長久運行。

3 結(jié)語

遼寧大唐國際阜新煤制天然氣項目一期經(jīng)過硫回收工藝配置優(yōu)化，明顯提高了硫的回收率，并且降低了硫回收裝置SO2排放量，其中SO2排放量減少301.8t/a，有效控制了SO2對空氣的污染，SO2排放量滿足GB13223—2013規(guī)定要求。該優(yōu)化措施也為其他煤化工硫回收工藝配置起到了借鑒作用。值得強調(diào)的是，在其他煤化工硫回收工藝配置設(shè)計過程中，要根據(jù)原料和現(xiàn)場實際情況，來確定選擇具體的脫硫技術(shù)方案。因此，進(jìn)一步研究脫硫技術(shù)，特別是優(yōu)化脫硫技術(shù)方案，具有重要的現(xiàn)實意義。

參考文獻(xiàn)：

［1］陳賡良，肖學(xué)蘭，等.克勞斯法硫磺回收工藝技術(shù)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2007.

［2］蔣文舉，等.煙氣脫硫脫硝技術(shù)手冊［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.03.015 10.3969/j.issn.1004-8901.2016.03.015

中圖分類號：X701.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1004-8901（2016）03-0052-03

作者簡介：姜成旭（1963年-），男，吉林和龍人，1986年畢業(yè)于吉林化工學(xué)院化學(xué)工程專業(yè)，高級工程師，多年從事化工生產(chǎn)技術(shù)、煤化工前沿項目研究、項目建設(shè)等工作。

收稿日期：2016-01-11

Optimization Measures of Sulfur Recovery Unit Set-up of Coal to SNG Plant

JIANG Chen-xu，XIAO Chun-hui，YAN Li-na
（Liaoning Datang International Fuxin Coal-To-SNG Co.，Ltd.，F(xiàn)uxin Liaoning 123000 China）

Abstract：Through in-depth analysis of the original design of sulfur recovery unit of Liaoning Datang International Fuxin Coal to SNG Project，this paper presents an integrated optimization measure for tail gas treatment process of sulfur recovery unit.The optimization result shows that the process optimization effect of the unit is good，SO2discharge is reduced by 301.8t/a，and the techno-economic indicators are more advanced on the basis of meeting higher environment protection requirements.

Keywords：sulfur recovery；ammoniaabsorption desulfuration；sulfur dioxide；optimization