硫黃制酸裝置尾氣煙囪冒大煙工藝故障快速診斷方法

王 軍，王彥淳

（1.新洋豐農(nóng)業(yè)科技股份有限公司，湖北荊門448150；2.青島科技大學(xué)，山東青島266001）

硫黃制酸裝置尾氣煙囪冒大煙是比較常見的工藝現(xiàn)象，冒大煙會(huì)導(dǎo)致酸霧量劇增，污染空氣，且感官不佳，需要立即找到問題的根源并解決。尾氣冒大煙的原因很多，查找問題比較費(fèi)心費(fèi)力，如果沒有明確快速的判斷方法，會(huì)延長(zhǎng)處理時(shí)間，導(dǎo)致環(huán)境污染加劇，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)損失。筆者通過(guò)多年的生產(chǎn)實(shí)踐，總結(jié)出一套行之有效、簡(jiǎn)單快速的尾氣煙囪冒大煙的工藝故障快速診斷方法。

1 尾氣煙囪冒大煙的原因分析

尾氣煙囪冒大煙的原因一般有3種：①進(jìn)入吸收塔的SO3煙氣含有水分，SO3與水形成的酸霧不能被吸收，從尾氣煙囪排出時(shí)冒大煙；②吸收塔的工藝指標(biāo)不達(dá)標(biāo)，導(dǎo)致吸收率下降，沒有被吸收的酸霧從尾氣煙囪排出冒大煙；③尾氣吸收塔的工藝指標(biāo)不達(dá)標(biāo)，如采用氨法脫硫工藝的尾氣吸收塔，因脫硫液pH值高或加氨過(guò)量，導(dǎo)致氨逃逸，遇到水含量大、氣溫低的外界環(huán)境時(shí)尾氣中的氨氣與水結(jié)合形成氨霧，氨霧與酸霧一樣會(huì)導(dǎo)致尾氣冒大煙。

1.1 進(jìn)入吸收塔的SO3煙氣含有水分

進(jìn)入吸收塔的SO3煙氣帶水主要有以下3種情況：

1）原料硫黃含有有機(jī)物或液硫水含量高。原料硫黃含有有機(jī)物，其中的碳?xì)浠衔锶紵伤?，水與SO3結(jié)合生成酸霧。液硫中水含量高，蒸發(fā)時(shí)間短，水分未揮發(fā)干凈或者蒸汽盤管泄漏蒸汽造成SO3煙氣中帶水，水與SO3結(jié)合生成酸霧。當(dāng)原料硫黃中的有機(jī)物含量高時(shí)，焚硫爐出口的水含量比進(jìn)口高20～50倍，可以在焚硫爐進(jìn)口和出口分別檢測(cè)煙氣中的水含量，根據(jù)水含量調(diào)整硫黃的供貨商和產(chǎn)地，盡可能降低其中的有機(jī)物含量。如果是液硫水含量高，可以增加熔硫攪拌時(shí)間和液硫澄清時(shí)間，讓其中的水分充分揮發(fā)。

2）干燥塔干燥效果差，煙氣水含量升高。根據(jù)干燥塔的水分分析數(shù)據(jù)，調(diào)整上塔酸流量或適當(dāng)提高干燥酸的濃度。清洗干燥塔填料，降低阻力，增大氣液接觸面積。

3）鍋爐系統(tǒng)（鍋爐本體或省煤器、過(guò)熱器等）發(fā)生水或者蒸汽泄漏，水分進(jìn)入煙氣，使煙氣水含量升高。硫黃制酸裝置火管鍋爐的水側(cè)壓力為3.8 MPa左右，煙氣側(cè)壓力為30 kPa左右，一旦鍋爐發(fā)生爆管，大量爐水噴射進(jìn)入煙氣中，煙氣中的SO3與水結(jié)合產(chǎn)生大量酸霧，會(huì)對(duì)后續(xù)設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕，還會(huì)造成煙囪尾氣冒大煙，給安全、環(huán)保帶來(lái)較大影響。鍋爐爆管時(shí)會(huì)出現(xiàn)以下異?，F(xiàn)象：①鍋爐爐尾部煙氣溫度不斷下降；②鍋爐給水量變大；③尾氣煙囪冒大煙；④一吸塔或者高溫吸收塔（低溫余熱回收系統(tǒng)）進(jìn)口的煙氣溫度不斷上漲，溫升超過(guò)15 ℃；⑤低溫余熱回收一級(jí)循環(huán)酸濃度下降，稀釋噴射水減少，鍋爐漏水較大時(shí)，一級(jí)循環(huán)酸濃度無(wú)法維持，低限報(bào)警；⑥一吸塔或高溫吸收塔出口、二吸塔出口的煙氣排放檢查口處有明顯煙霧；⑦轉(zhuǎn)化器各段溫度失控，不正常上升或下降，鍋爐爐水泄漏量較小時(shí)轉(zhuǎn)化溫度上升，泄漏量較大后轉(zhuǎn)化溫度會(huì)嚴(yán)重下降；⑧在省煤器底部檢查閥有冷凝酸排出（停車后才能看到）。當(dāng)上述現(xiàn)象中的①、③、④、⑤同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，可判斷鍋爐已發(fā)生爆管[1]。

1.2 吸收塔的吸收率下降

吸收塔的工藝指標(biāo)不達(dá)標(biāo)，會(huì)導(dǎo)致SO3的吸收率下降。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐，當(dāng)吸收塔的吸收率高于99.7%時(shí)，二吸塔出口肉眼看不到煙；當(dāng)吸收率為99.5%時(shí)，二吸塔出口肉眼可見冒小煙；當(dāng)吸收率低于99.0%時(shí)，二吸塔出口肉眼可見濃煙。造成吸收塔的吸收率下降主要有以下幾種情況：

1）吸收酸濃度過(guò)高或者過(guò)低。一般正常循環(huán)酸量和酸溫情況下，一吸塔下塔酸w(H2SO4)比上塔酸高0.3～0.5個(gè)百分點(diǎn)，二吸塔下塔酸w(H2SO4)比上塔酸高0.1個(gè)百分點(diǎn)左右，一吸塔上塔酸w(H2SO4)達(dá)到99.3%以上時(shí)下塔酸成為發(fā)煙硫酸，SO3的氣體平衡分壓逐漸增大，SO3從硫酸中揮發(fā)出來(lái)進(jìn)入煙氣。吸收酸不僅不能吸收SO3，反而增加了煙氣中SO3的濃度，使SO3吸收率大大下降，導(dǎo)致尾氣煙囪冒大煙。由于SO3冒出煙囪后還會(huì)與空氣中的水結(jié)合生產(chǎn)酸霧，因此大煙的拖尾越來(lái)越大。當(dāng)吸收酸w(H2SO4)低于96%時(shí)，水蒸氣的平衡分壓逐漸增大，水從硫酸中揮發(fā)，進(jìn)入煙氣中與SO3結(jié)合成酸霧，導(dǎo)致煙囪冒大煙，但是由于SO3與空氣中的水結(jié)合量不高，這種大煙的拖尾前后基本一樣大。研究表明，吸收酸w(H2SO4)在98.3%時(shí)，水蒸氣和SO3的平衡分壓最低，吸收效率最高[2]，因此要控制吸收酸w(H2SO4)在98.3%左右，不能過(guò)高或過(guò)低。低溫余熱回收一級(jí)吸收酸控制w(H2SO4)在99.0%左右。

2）吸收酸溫度過(guò)高或過(guò)低。吸收酸溫度對(duì)吸收率的影響較大，通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐可知，吸收酸溫度高于60 ℃時(shí)吸收效果較好，低于50 ℃時(shí)則溫度越低吸收效果越差，且溫度低時(shí)比溫度高時(shí)冒煙要嚴(yán)重。這是因?yàn)槲账釡囟冗^(guò)低，硫酸的黏度增大，傳質(zhì)慢，流動(dòng)性差，填料表面的浸潤(rùn)效果差，使吸收速率減小，導(dǎo)致吸收效果不好，SO3從煙囪冒出。然而，當(dāng)吸收酸溫度高于90 ℃時(shí)，吸收效果會(huì)越來(lái)越差，因?yàn)殡S著溫度的升高，硫酸中的水分會(huì)揮發(fā)出來(lái)，進(jìn)入煙氣中與SO3結(jié)合生成酸霧。因此，在開車過(guò)程中吸收酸溫度要控制在合適的范圍，一般以60～80 ℃為宜。

3）上塔酸流量不足。上塔酸流量不足，會(huì)導(dǎo)致填料未被充分浸潤(rùn)，氣體短路，SO3未被吸收，還會(huì)導(dǎo)致下塔酸濃度上升幅度大，上下塔酸溫差大。上塔酸流量合適與否可以用上下塔酸的溫度差和濃度差評(píng)估。一般情況下，吸收塔上下塔酸的溫差在20～30 ℃，下塔酸w(H2SO4)比上塔酸高0.3～0.5個(gè)百分點(diǎn)；干燥塔上下塔溫差在8～15 ℃，下塔酸w(H2SO4)比上塔酸低0.3～0.5個(gè)百分點(diǎn)。上塔酸流量如果過(guò)大，酸泵過(guò)負(fù)荷，氣液對(duì)流阻力增加，塔阻力上升，對(duì)吸收、傳質(zhì)不利，制約生產(chǎn)負(fù)荷，還可能增加液泛事故發(fā)生的幾率。因此，要根據(jù)上下塔酸溫差20～30 ℃和硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)差0.3～0.5個(gè)百分點(diǎn)的原則控制合適的上塔酸流量。酸泵跳閘也可以歸為上塔酸流量不足的情況，而且是嚴(yán)重不足。

4）進(jìn)塔煙氣溫度過(guò)高或過(guò)低。進(jìn)塔煙氣與塔底部的硫酸接觸時(shí)，若煙氣溫度過(guò)高，高于出塔酸100 ℃以上時(shí)，在氣液接觸過(guò)程中，硫酸中的水分被高溫?zé)煔庹舭l(fā)[3]，SO3與水結(jié)合生成酸霧的速率增加，產(chǎn)生的酸霧通過(guò)填料層時(shí)不能被吸收，導(dǎo)致酸霧從煙囪冒出。若進(jìn)塔煙氣溫度過(guò)低，當(dāng)?shù)陀?40 ℃時(shí)，達(dá)到SO3的露點(diǎn)，SO3會(huì)冷凝成酸霧，產(chǎn)生的酸霧通過(guò)填料層時(shí)也不能被吸收，導(dǎo)致酸霧從煙囪冒出。

1.3 尾氣吸收塔氨逃逸

尾氣吸收塔的工藝指標(biāo)不達(dá)標(biāo)也會(huì)導(dǎo)致尾氣煙囪冒大煙。尾氣吸收塔的處理工藝不同，尾氣煙囪的煙羽也不同。用雙氧水、堿洗滌脫硫的尾氣煙羽較??；用氨水作為脫硫劑時(shí)，如果pH值控制較高或氨水加入過(guò)量，會(huì)導(dǎo)致氨逃逸，逃逸的氨在水含量大、氣溫低的外界環(huán)境中，與大氣中的水結(jié)合形成氨霧，導(dǎo)致煙囪冒大煙。

2 尾氣煙囪冒大煙工藝故障快速診斷方法

筆者通過(guò)對(duì)上述3種尾氣煙囪冒大煙的情況進(jìn)行原因分析，根據(jù)多年的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出一套尾氣煙囪冒大煙的工藝故障快速診斷方法，診斷流程見圖1。

圖1 尾氣煙囪冒大煙診斷流程

如圖1所示，除了濃酸循環(huán)泵跳閘之外，不論什么原因?qū)е碌臒焽杳按鬅?，都?yīng)迅速查看吸收塔出口的煙氣顏色，確定冒煙的塔，再查看上游設(shè)備的工藝參數(shù)，確定是吸收塔本身的問題，還是上游設(shè)備的問題。通過(guò)這個(gè)方法，可以迅速找到尾氣煙囪冒煙的原因，縮短冒煙的時(shí)間，減少環(huán)境污染，特別是配套有硫酸低溫余熱回收的裝置，如果是上游的鍋爐或者省煤器泄漏導(dǎo)致煙囪冒大煙，若不能迅速判斷及時(shí)處理，會(huì)導(dǎo)致后續(xù)的低溫余熱回收設(shè)備嚴(yán)重腐蝕，甚至報(bào)廢，損失慘重。

筆者所在的工廠曾多次發(fā)生煙囪冒大煙的現(xiàn)象，有的是由吸收塔酸濃度過(guò)高或過(guò)低導(dǎo)致的，有的是由上塔酸循環(huán)量不足導(dǎo)致的，有的是由省煤器泄漏導(dǎo)致的，有的是鍋爐爆管導(dǎo)致的。筆者采用該方法，均在幾分鐘內(nèi)就能確定煙囪冒煙的原因，并找到泄漏的設(shè)備或者不正常的工藝指標(biāo)，及時(shí)進(jìn)行處理，煙囪冒煙時(shí)間短，經(jīng)濟(jì)損失較小。

3 硫黃制酸裝置煙囪冒大煙快速處置案例

筆者遇到3次硫黃制酸裝置的鍋爐爆管導(dǎo)致的煙囪冒煙事故，以其中一次配套低溫余熱回收的硫黃制酸裝置尾氣煙囪冒煙處置為例，對(duì)工藝故障快速診斷方法的應(yīng)用進(jìn)行介紹。

該硫黃制酸工藝流程見圖2。

圖2 硫黃制酸工藝流程

尾氣煙囪冒大煙事故的經(jīng)過(guò)如下：

1）21:07鍋爐出口煙氣溫度從370.5 ℃開始緩慢下降。

2）21:13低溫余熱回收裝置的高溫吸收塔（一吸塔）進(jìn)口煙氣溫度從197 ℃開始上升，塔出口的煙氣溫度為76 ℃，較穩(wěn)定。二吸塔進(jìn)口的煙氣溫度從207.8 ℃開始緩慢上升。高溫吸收塔一級(jí)循環(huán)酸w(H2SO4)從正常值99.09%[工藝指標(biāo)要求w(H2SO4)在99.0%～99.1%]開始下降。

3）21:17硫酸低溫余熱回收崗位發(fā)現(xiàn)一級(jí)循環(huán)酸濃度下降，開始調(diào)整濃酸稀釋噴射水量，流量由4.12 m3/h減至3.7 m3/h。

4）21:32一級(jí)循環(huán)酸濃度最低達(dá)到98.61%，21:38噴射水流量降低到3.0 m3/h，一級(jí)循環(huán)酸w(H2SO4)穩(wěn)定在98.6%以上，在該過(guò)程中煙囪開始冒煙并逐漸變?yōu)榇鬅煛?/p>

5）21:58筆者到達(dá)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，檢查高溫吸收塔出口有少量白煙，二吸塔出口有白煙，尾氣煙囪冒大煙，查看鍋爐尾部煙氣溫度下降，高溫吸收塔進(jìn)口煙氣溫度上升，判斷該事故原因是鍋爐爆管，立即通知生產(chǎn)崗位緊急停車。

6）22:00硫黃制酸系統(tǒng)關(guān)停主風(fēng)機(jī)，系統(tǒng)停車。

事后調(diào)看DCS工藝參數(shù)歷史記錄，具體情況為：22:00停車時(shí)，鍋爐出口煙氣溫度為354.5 ℃，緩慢降低了約16 ℃；高溫吸收塔進(jìn)口煙氣溫度為228.4 ℃，升高了約31.4 ℃；二吸塔進(jìn)口煙氣溫度為217.1 ℃，升高了約9 ℃；21:41轉(zhuǎn)化器一段進(jìn)口煙氣溫度為423.5 ℃，隨后開始緩慢上升，最高達(dá)425.6 ℃，上升不明顯，轉(zhuǎn)化系統(tǒng)其他溫度均無(wú)明顯變化。

打開鍋爐檢查發(fā)現(xiàn)，鍋爐蒸發(fā)管束爆管1根，爐水從爆管處噴射進(jìn)入1 000 ℃左右的高溫SO2煙氣中，起到了降溫效果，導(dǎo)致鍋爐出口的煙氣溫度緩慢下降。高溫吸收塔進(jìn)口煙氣的溫度升高而不是降低，筆者分析其原因是：高溫吸收塔進(jìn)口的φ(SO3)高達(dá)10%左右，與水結(jié)合生成硫酸放出熱量，導(dǎo)致進(jìn)塔煙氣的溫度升高幅度大，經(jīng)省煤器降溫后，酸霧量也會(huì)增加。二吸塔煙氣的SO3濃度低，進(jìn)塔煙氣的溫度溫升較一吸塔進(jìn)口小。

通過(guò)該案例可以看出，鍋爐爆管發(fā)生泄漏時(shí)，鍋爐出口的煙氣溫度下降較慢，高溫吸收塔進(jìn)口的煙氣溫度升高最快，幅度最大；二吸塔進(jìn)口的煙氣溫度升高趨勢(shì)較鍋爐慢，幅度較?。晦D(zhuǎn)化器催化劑床層的溫度小幅升高，溫升不明顯。由于發(fā)現(xiàn)及時(shí)，鍋爐爆管1根，造成高溫吸收塔一級(jí)循環(huán)酸的濃度下降，尾氣煙囪冒大煙。如果發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，鍋爐爆管會(huì)導(dǎo)致爆管口周邊的蒸發(fā)管束遭受高溫腐蝕及沖刷，更多的管束會(huì)相繼爆管，造成嚴(yán)重的后果：①大量爐水進(jìn)入SO2煙氣中形成水蒸氣，對(duì)后續(xù)低溫設(shè)備產(chǎn)生較大腐蝕；②大量爐水進(jìn)入低溫余熱回收裝置的高溫吸收塔，使一級(jí)高溫循環(huán)酸濃度低于安全值，導(dǎo)致低溫余熱回收裝置的硫酸蒸發(fā)器、加熱器等設(shè)備在短時(shí)間內(nèi)腐蝕穿孔；③造成轉(zhuǎn)化器內(nèi)催化劑的水分增加，影響催化劑的活性；④煙囪尾部冒大煙，污染周邊大氣環(huán)境；⑤造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。

在此案例中，筆者通過(guò)煙囪冒大煙的工藝故障快速診斷方法進(jìn)行判斷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)鍋爐爆管是導(dǎo)致煙囪冒大煙的原因，及時(shí)進(jìn)行停車處理，把損失降到了最低。

4 結(jié)語(yǔ)

硫酸裝置尾氣煙囪冒大煙為常見的工藝故障，縮短查找故障的時(shí)間，及時(shí)解決冒大煙的問題，可以很大程度地減少環(huán)保損失和經(jīng)濟(jì)損失。在環(huán)保要求越來(lái)越高的情況下，除了對(duì)正常生產(chǎn)時(shí)期的工藝管理精益求精，出現(xiàn)異常時(shí)也要做到判斷準(zhǔn)確、及時(shí)應(yīng)急處置。由于每套裝置的生產(chǎn)工藝技術(shù)水平不同，在通常情況下，及時(shí)解決尾氣煙囪冒大煙的問題不是一件容易的事，有一種行之有效、快速診斷出故障的方法非常有必要，對(duì)提高生產(chǎn)管理水平和杜絕環(huán)保事故有較大幫助。該文介紹的硫黃制酸裝置尾氣煙囪冒大煙的工藝故障快速診斷方法簡(jiǎn)單高效，準(zhǔn)確率高，實(shí)用性強(qiáng)，在筆者多年的生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中，每次均能快速、準(zhǔn)確地找到故障位置，及時(shí)消除煙囪冒大煙的故障，值得推廣。