硫磺裝置燒氨的影響及控制

惠永仁

摘要：通過(guò)對(duì)燒氨反應(yīng)的機(jī)理、燒氨系統(tǒng)的配置的介紹，深刻分析了處理含氨酸性氣對(duì)硫磺裝置運(yùn)行的影響因素，同時(shí)結(jié)合對(duì)燒氨反應(yīng)的研究結(jié)果，介紹了如何采取有效的控制方式，保證燒氨的效果以及裝置的收率。

關(guān)鍵詞：燒氨反應(yīng);富氨酸性氣;催化劑硫酸鹽化;酸性氣旁路

1前言

隨著煉油廠酸性氣處理技術(shù)的不斷發(fā)展，將含氨的酸性氣直接送入Claus硫磺回收裝置反應(yīng)爐，在得到硫磺的同時(shí)將氨氣燒掉的方法處理由于氨濃度小而不能回收的污水汽提酸性氣中的氨氣的方法已經(jīng)很普遍了。這種處理的方式的優(yōu)點(diǎn)是裝置投資減少，設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用低而且沒(méi)有多余的NOx排放，因此既創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益又降低了環(huán)境污染。但是，由于進(jìn)反應(yīng)爐的富氨酸性氣中混入了高濃度的氨和水，會(huì)對(duì)Claus的制硫反應(yīng)、催化劑性能、設(shè)備運(yùn)行效果產(chǎn)生較大的影響，降低整個(gè)硫磺回收裝置的收率。

2 克勞斯的燒氨系統(tǒng)

在克勞斯反應(yīng)爐中處理含氨酸性氣，為保證氨被完全的破壞，有許多可利用的技術(shù)，最普遍用于操作的有兩種配置：

（1）單一燃燒器，單一反應(yīng)器，直接處理

（2）單一燃燒器，兩個(gè)反應(yīng)器，對(duì)分流動(dòng)處理

2.1單一燃燒器/單一反應(yīng)器系統(tǒng)

在這種系統(tǒng)（圖1）中，富氨酸氣氣和富H₂S酸性氣一起進(jìn)料，進(jìn)入一個(gè)燃燒器處理。這種配置通常要求富氨酸性氣在進(jìn)反應(yīng)燃燒器前與富H₂S酸性氣預(yù)混合。富H₂S酸性氣在與富氨酸性氣混合前進(jìn)行預(yù)加熱，目的是保證在燃燒前的混合酸性氣中不存在銨鹽。

引用這種配置可以把所有酸性氣體雜質(zhì)（烴、NH₃、HCN、胺）送去燃燒，這樣可以降低這些成分，而且空氣和酸性氣流動(dòng)控制是同向的。但同時(shí)也存在一些缺點(diǎn)，包括燃燒溫度完全由酸性氣的成分和酸性氣預(yù)加熱程度決定，而且這種配置常常需要空氣和酸性氣的預(yù)加熱器，這會(huì)造額外的費(fèi)用。

2.2單一燃燒器/兩個(gè)反應(yīng)器系統(tǒng)

我廠硫磺裝置燃燒爐采用下列系統(tǒng)（圖2），全部富氨酸性氣和部分富H₂S酸性氣混合后送入主燃燒爐，燃燒爐中通入燃燒用空氣。剩余的富H₂S酸性氣從爐中部進(jìn)入到主燃燒爐。走旁路的酸性氣的多少直接影響燃燒爐火焰部分的溫度，走旁路的酸氣量多導(dǎo)致燃燒爐前部火焰溫度高。用這種方法分開(kāi)酸性氣，主燃燒爐的溫度被控制在一個(gè)最小值，走旁路部分被增加以達(dá)到高的燃燒溫度確保氨被完全除掉。

3 燒氨反應(yīng)的過(guò)程

根據(jù)近年的實(shí)驗(yàn)室的研究和實(shí)際生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)，反應(yīng)爐內(nèi)燒氨反應(yīng)過(guò)程可歸結(jié)為3種主要反應(yīng)：

3.1氨氧化反應(yīng)

2NH₃+1.5O₂→N₂+3H₂O

---試驗(yàn)顯示氨與氧氣的反應(yīng)速度低于H₂S與氧氣的反應(yīng)速度，所以在缺氧的情況下H₂S奪走了反應(yīng)爐內(nèi)的大部分的氧氣。

---在氧氣充足的情況下，在1200℃時(shí)，65%的氨氣被氧化，在1300℃時(shí)氨的氧化率達(dá)到90%。

3.2 氨的熱分解反應(yīng)

2NH₃→N₂+3H₂

---氨氣的分解反應(yīng)直接受到反應(yīng)溫度的影響。

---在1100℃時(shí)90%的氨氣分解，在1200℃時(shí)氨氣的分解達(dá)到100%。

--- H₂S和水的出現(xiàn)會(huì)強(qiáng)烈的抑制氨氣的熱分解反應(yīng)。

3.3 ?氨與SO₂反應(yīng)

2NH₃+SO₂→N₂+H₂S+2H₂O

---1200℃時(shí)69%的氨與SO₂反應(yīng)，在1300℃時(shí)75%的氨與SO₂反應(yīng)。

從研究中，我們得到一些結(jié)論如下：

---通過(guò)對(duì)氨熱分解速度與燃燒爐反應(yīng)溫度做了比較。表明氨熱分解是一個(gè)主要的反應(yīng)。

---氨氧化反應(yīng)不是反應(yīng)爐內(nèi)的主要反應(yīng)。試驗(yàn)顯示氨與氧氣的反應(yīng)速度低于H₂S與氧氣的反應(yīng)速度，所以在缺氧的情況下H₂S奪走了反應(yīng)爐內(nèi)的大部分的氧氣。

---氨氣與SO₂的反應(yīng)貫穿在整個(gè)燒氨反應(yīng)過(guò)程中。然而，基于實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)換速度，氨氣與SO₂的反應(yīng)也不是反應(yīng)爐內(nèi)的主要反應(yīng)。

4燒氨操作對(duì)裝置的影響

4.1 ?額外的含氨酸性氣的混入會(huì)降低進(jìn)入反應(yīng)爐的酸性氣的濃度，同時(shí)燒氨產(chǎn)生的氮、水對(duì)克勞斯反應(yīng)是惰性組分，降低了有效組分分壓，從而降低了硫收率。

同時(shí)混入額外的含氨酸性氣會(huì)相應(yīng)的增加助燃風(fēng)機(jī)的負(fù)荷。從操作角度講，為保證高轉(zhuǎn)化率，爐后過(guò)程氣體中H₂S/SO₂應(yīng)為2：1，所以燃燒爐中供氧是不完全的，而氨的完全燃燒需要供以過(guò)量空氣，因此給燃燒爐配風(fēng)帶來(lái)了很大困難。

4.2 ?氨燃燒不完全會(huì)和工藝氣流中的酸性組分反應(yīng)生成硫氫化氨或多硫化氨結(jié)晶，堵塞冷換設(shè)備和管線，增加系統(tǒng)壓降，甚至迫使裝置停工。而由于走旁路的那部分酸氣因不參與前部燃燒，所以達(dá)不到一個(gè)相對(duì)高的燃燒溫度。這樣將導(dǎo)致氣體中雜質(zhì)去除不完全，如果存在烴含量較高的情況下會(huì)因?yàn)槿コ煌耆a(chǎn)生灰分，造成黑硫磺產(chǎn)生，容易導(dǎo)致催化劑床層積碳、堵塞管線和設(shè)備。

4.3 ?進(jìn)入燃燒爐走旁路的那部分酸氣在燃燒爐中停留時(shí)間相對(duì)短，這樣會(huì)導(dǎo)致燃燒爐流出物中殘留高濃度的COS和CS₂，造成轉(zhuǎn)化器中COS和CS₂的水解率降低，過(guò)程氣中的有機(jī)硫含量增大，會(huì)導(dǎo)致硫磺成品中有機(jī)硫過(guò)高或尾氣排放不合格。

4.4 由于燃燒爐前部反應(yīng)溫度高和環(huán)境中富裕的氧，所以在燃燒爐中有可能存在高濃度的NO_X和SO₃，造成催化劑中毒發(fā)生硫酸鹽化，催化劑活性逐步降低。同時(shí)氨和氧化鋁反應(yīng)也會(huì)引起催化劑失活，而且NO_X會(huì)對(duì)SO₂的進(jìn)一步氧化有催化作用，生成硫酸，對(duì)設(shè)備造成嚴(yán)重的腐蝕。

4.5 ?在裝置負(fù)荷較低的情況下，由于要保證前部的燒氨溫度，會(huì)造成進(jìn)旁路的酸氣量不夠，過(guò)程氣中的H₂S/SO₂<2，也就是說(shuō)SO₂的含量相對(duì)較高，會(huì)增加SCOT部分加氫反應(yīng)的負(fù)荷，而氫氣量、胺液循環(huán)量也會(huì)相應(yīng)的增加，裝置的物耗、能耗也相應(yīng)增大。

5 燒氨操作的控制

硫磺回收專家們通過(guò)對(duì)各種方式的硫磺回收反應(yīng)爐的長(zhǎng)期研究，證明了影響反應(yīng)爐效率和燒氨效果的因素有三個(gè)，即我們常說(shuō)的3T：停留時(shí)間、溫度和混合程度。在這3個(gè)因素中溫度是前提，如果溫度達(dá)不到，再長(zhǎng)的停留時(shí)間和再?gòu)?qiáng)的混合也達(dá)不到理想的燒氨效果，在溫度滿足燒氨要求的前提下（1250℃），增加另兩個(gè)因素的任何一個(gè)都有助于提高反應(yīng)爐的燒氨效率。但是在滿足溫度的前提下如果反應(yīng)爐內(nèi)的過(guò)程氣混合不均勻或停留時(shí)間不夠也都會(huì)直接影響到反應(yīng)爐的轉(zhuǎn)換去除雜質(zhì)（去除氨氣、碳?xì)浠衔铮┑男Ч?，研究發(fā)現(xiàn)將氨殘留控制在150ppm或更低可以確保不生成氨鹽。

所以對(duì)于燒氨操作來(lái)說(shuō)，反應(yīng)爐的燃燒溫度控制適當(dāng)，停留時(shí)間適中，采用高強(qiáng)力的燒氨火嘴，就能保證有效燒氨。而對(duì)于硫磺克勞斯反應(yīng)來(lái)說(shuō)，保持合適的氣風(fēng)比以及對(duì)旁路酸性氣流量的合理分配，是保證催化反應(yīng)的深度，提高Claus硫磺回收裝置轉(zhuǎn)化率、總硫回收率非常關(guān)鍵的一環(huán)。同時(shí)加強(qiáng)上游裝置的生產(chǎn)管理，做到平穩(wěn)操作，使原料酸性氣中的含氨量相對(duì)穩(wěn)定，確保酸性氣進(jìn)裝置的溫度在85℃以上，嚴(yán)禁爐膛超溫和爐溫劇烈變化。

6 ?結(jié)論

6. 作為普遍的一種工藝方法，盡管處理富氨酸性氣對(duì)硫磺裝置的運(yùn)行帶來(lái)了一定的影響，但通過(guò)合理的控制方案，嚴(yán)格的工藝參數(shù)要求，仍可把這種影響降到最低，更重要的，通過(guò)采用燒氨工藝，有效地解決了污水汽提脫出氨無(wú)出路而造成的裝置無(wú)法正常生產(chǎn)的一系列環(huán)境問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

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