25 kt/a 廢酸再生裝置廢酸裂解爐的設(shè)計(jì)

宋豐來

（中石油華東設(shè)計(jì)院有限公司，山東 青島266071）

近年來，我國開始推行汽油國V 標(biāo)準(zhǔn)，烷基化油是一種良好的油品調(diào)和劑，國內(nèi)眾多石化企業(yè)陸續(xù)增置烷基化裝置來生產(chǎn)烷基化油。但是烷基化裝置的開工生產(chǎn)必然產(chǎn)生大量的廢酸，隨著國家對環(huán)保的日益重視，解決廢酸的污染迫在眉睫。廢酸再生裝置的投建勢在必行，既能制取硫酸，降低硫酸的生產(chǎn)成本，又能解決環(huán)境污染問題。

國內(nèi)某煉廠25 kt/a 廢酸再生裝置為300 kt/a 硫酸烷基化裝置的配套項(xiàng)目，由奧地利PP 公司提供工藝包設(shè)計(jì)，裂解含烴、酯的廢硫酸進(jìn)行濕法制硫酸。廢酸裂解爐是廢酸再生裝置的核心設(shè)備，廢酸裂解爐主要包括燃燒器、廢酸噴嘴、襯里及熔鹽換熱器等部件。

1 工藝簡介

來自烷基化裝置的廢硫酸經(jīng)過增壓后噴入廢酸裂解爐中，利用瓦斯與空氣混合燃燒后獲取的熱量，高溫下分解還原制得SO2爐氣，裂解爐爐膛溫度為1 000～1 100 ℃，經(jīng)廢熱鍋爐回收熱量后，溫度降至350 ℃，進(jìn)入下一工序。當(dāng)廢硫酸量不足時(shí)，再引入部分含H2S 的酸性氣參與燃燒，以滿足裝置的生產(chǎn)要求。因此要求廢酸裂解爐既能裂解廢酸，又能燃燒H2S 氣體。廢酸再生的工藝技術(shù)實(shí)質(zhì)上就是高溫裂解85%～90%的w（H2SO4），再生成98%的w（H2SO4），供烷基化裝置循環(huán)使用。

2 廢酸再生的反應(yīng)機(jī)理

2.1 廢硫酸裂解

2.2 SO2的轉(zhuǎn)化

在催化劑的作用下，SO2在400～600 ℃下轉(zhuǎn)化為SO3。

2.3 吸收

SO3與水化合成H2SO4蒸氣，再冷凝成液態(tài)硫酸。吸收塔中的硫酸經(jīng)過吸收煙氣中的SO3，濃度提高，保證成品w（H2SO4）的濃度在98%以上。

3 廢硫酸裂解爐設(shè)計(jì)條件

廢硫酸裂解爐設(shè)計(jì)條件見表1。

表1 廢硫酸裂解爐設(shè)計(jì)條件

4 廢硫酸裂解爐

4.1 廢硫酸裂解爐結(jié)構(gòu)簡圖

廢硫酸裂解爐結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 廢硫酸裂解爐結(jié)構(gòu)簡圖

4.2 廢硫酸裂解爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

廢酸裂解爐采用了正U 型結(jié)構(gòu)，爐子分焚燒室和換熱室兩部分。焚燒室為立式圓筒結(jié)構(gòu)，外形尺寸Φ3 430 mm×10 430 mm,燃燒器和廢酸噴槍設(shè)置在圓筒形筒體頂部，換熱室為立式矩形結(jié)構(gòu)，外形尺寸（長×寬×高）3 260 mm×2 680 mm×12 689 mm，裂解爐底部采用煙氣通道連接焚燒室和換熱室。爐膛操作溫度1 000～1 100 ℃，爐子采用負(fù)壓操作，設(shè)計(jì)壓力為+/-10 kPa（G），來自裂解爐焚燒室的高溫?zé)煔庠趽Q熱室與兩臺熔鹽換熱器換熱，將煙氣冷卻至500 ℃左右由換熱室排出。為避免露點(diǎn)腐蝕，爐外壁溫度設(shè)計(jì)控制在250～400 ℃范圍內(nèi)，殼體外壁設(shè)置了爐壁熱電偶，在線監(jiān)測爐外壁的溫度情況，確保裂解爐的正常運(yùn)行。此外，從安全操作方面考慮，在裂解爐壁板外表面還設(shè)置了巖棉外保溫，使保溫層外壁溫度≤60 ℃。

5 廢酸裂解爐主要部件材料的選擇

5.1 裂解爐殼體

盡管裂解爐爐膛的操作溫度在1 100～1 400 ℃范圍內(nèi)，但爐體設(shè)有內(nèi)襯，殼體設(shè)計(jì)壁溫嚴(yán)格控制在250～400 ℃的范圍內(nèi)，不存在高溫硫腐蝕和露點(diǎn)溫度腐蝕的問題，為減少投資，殼體選用強(qiáng)度較高的低合金鋼材料（Q345R）即可滿足要求。

5.2 熔鹽換熱器換熱管、管板

由于熔鹽換熱器暴露在H2S、SO2及硫酸霧的酸性環(huán)境中,根據(jù)工藝包的要求，換熱管的材質(zhì)采用AISI 446，這種材質(zhì)屬于純鐵素體不銹鋼，與奧氏體不銹鋼相比，具有較高的抗應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）的能力；端管板材質(zhì)采用抗酸性能比TP321 更好一些的TP347H； 下部換熱器中間管板由于與高溫?zé)煔饨佑|，管板材質(zhì)采用高溫機(jī)械性能更高一些的06Cr25Ni20，上部換熱器中間管板由于與溫度較低的煙氣接觸，管板材質(zhì)采用抗酸腐蝕的06Cr19Ni10。

6 裂解爐襯里材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

6.1 襯里材料

正常情況下，爐膛操作溫度在1 000～1 100 ℃的范圍內(nèi)，但在風(fēng)量控制不當(dāng)或氣量不穩(wěn)定時(shí)，爐膛溫度有可能達(dá)到1 400 ℃，因此襯里材料必須選取滿足此操作條件的耐火材料，而且還要求襯里材料具有穩(wěn)定的導(dǎo)熱系數(shù)、 耐酸性能高和良好的抗熱震穩(wěn)定性。

由于爐膛內(nèi)過程氣中含有H2S、SO2、SO3和硫酸霧等多種酸性腐蝕成分，為抵抗酸性氣腐蝕，不至于使襯里材料疏松、粉化，降低襯里材料的強(qiáng)度。必須對襯里材料中的Fe2O3及堿性物質(zhì)的含量進(jìn)行嚴(yán)格控制。

6.2 爐襯結(jié)構(gòu)

目前國內(nèi)廢酸裂解爐爐襯的結(jié)構(gòu)大致有兩種。一種是“輕質(zhì)隔熱澆注料+高鋁質(zhì)可塑料（迎火面）”復(fù)合襯里，襯里錨固采用剛玉錨固磚和錨固釘相結(jié)合的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)整體性好，具有良好的抗熱震穩(wěn)定性，而且投資低，施工簡便，但對施工和烘爐要求比較高，要求施工時(shí)保持連續(xù)性。另一種是“輕質(zhì)隔熱澆注料+剛玉質(zhì)耐火磚（迎火面）”復(fù)合，這種結(jié)構(gòu)具有良好的抗高溫和耐腐蝕性，但造價(jià)較高，磚結(jié)構(gòu)也受爐子直徑的限制，如果直徑較大，磚整體結(jié)構(gòu)的連接性降低，在較強(qiáng)的熱沖擊下上部耐火磚很容易脫落。

從過去我們設(shè)計(jì)的多套裂解爐的運(yùn)行情況來看，爐襯設(shè)計(jì)采用“輕質(zhì)隔熱澆注料+高鋁質(zhì)可塑料（迎火面）”復(fù)合結(jié)構(gòu)，未見襯里脫落現(xiàn)象，爐子運(yùn)行平穩(wěn)良好。兩種耐火材料的性能見表2。

表2 耐火材料的性能

襯里厚度的設(shè)計(jì)，需根據(jù)壁溫控制在250～400℃范圍內(nèi)的要求進(jìn)行嚴(yán)格計(jì)算，防止?fàn)t壁產(chǎn)生露點(diǎn)腐蝕。

6.3 襯里伸縮縫的設(shè)置

耐火襯里在升溫和降溫過程中會產(chǎn)生膨脹和收縮，設(shè)置膨脹縫可以減少由于膨脹和收縮產(chǎn)生的二次應(yīng)力，因此在襯里施工完畢后，須預(yù)留膨脹縫。通常在高溫區(qū)每隔1 000～1 500 mm，預(yù)留5～6 mm 的膨脹縫，縫寬3 mm，不大于5 mm，深度不應(yīng)超過澆注料襯里厚度的1/3。

7 燃燒器

燃燒器是廢酸裂解爐的核心部件，它的工作環(huán)境比較苛刻，生產(chǎn)中要求既能燒煉廠瓦斯，又能焚燒含H2S 的酸性氣，而且助燃空氣高達(dá)500 ℃，同時(shí)又暴露 在高溫和存在硫酸霧、SO2、CO2、H2O 等氣體的環(huán)境中，很容易造成燒嘴腐蝕，因此與常規(guī)的燃燒器有些區(qū)別，其外殼材質(zhì)采用06Cr19Ni10，燒嘴材質(zhì)采用06Cr25Ni20，以達(dá)到長周期穩(wěn)定運(yùn)行的目的。對燃燒器操作的基本要求是火焰剛直有力，且具有強(qiáng)力混合和攪拌功能。

此外，從爐子操作的安全角度考慮，燃燒器須配兩套紫外火焰檢測系統(tǒng)，若有一套火檢檢測到爐膛無火焰時(shí)報(bào)警，若兩套火檢均檢測到無火焰時(shí)，則立刻連鎖切斷燃料氣源。

8 廢酸噴嘴

廢酸噴嘴也是廢酸裂解爐的核心部件之一。其霧化效果的好壞，直接影響到廢硫酸的裂解程度，如果霧化效果不好，未分解的硫酸會對裂解爐殼體造成嚴(yán)重腐蝕，同時(shí)還可能分解出單質(zhì)硫，對下流設(shè)備產(chǎn)生堵塞，導(dǎo)致裝置被迫停車。因此對廢酸噴嘴的結(jié)構(gòu)提出更高的要求，來滿足將廢酸完全霧化的要求。

考慮到廢酸噴嘴受廢硫酸的強(qiáng)腐蝕和受高溫的影響，廢酸噴嘴選用06Cr20Ni30Mo2Cu3 材質(zhì)的鐵鎳合金不銹鋼，這種材質(zhì)在硫酸環(huán)境中有著非凡的耐酸腐蝕表現(xiàn)。

9 結(jié)語

廢酸裂解爐是廢酸再生裝置的關(guān)鍵設(shè)備，裂解爐酸性氣燃燒器的性能、廢酸噴嘴的霧化效果、爐內(nèi)部件材質(zhì)的選擇以及爐襯材質(zhì)和結(jié)構(gòu)的合理性直接影響到裝置的正常生產(chǎn)。

因此，設(shè)計(jì)選用高強(qiáng)性能的酸性氣燃燒器、霧化效果好的廢酸噴嘴、合理的襯里結(jié)構(gòu)和材料，嚴(yán)把筑爐施工關(guān)，是確保廢酸裂解爐安全、可靠、長周期運(yùn)行的關(guān)鍵。