WSA制酸工艺参数及开工要点分析.pdf
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1、29燃 料 与 化 工Fuel&Chemical Processes2023 年 11 月第 54 卷第 6 期隋东宇1,2宋晓亮1,2肖正浩1,2赵国峰1,2刘春美1,2(1.中冶焦耐(大连)工程技术有限公司,大连116085;2.辽宁省低碳焦化专业技术创新中心,大连116085)摘要:介绍了丹麦托普索公司的 WSA 制酸工艺流程,对主要工艺参数的设置及开工要点进行了分析研究。阐述了主要工艺参数的设置原理,为生产操作中适当调整工艺参数提供了理论依据。关键词:酸汽;WAS;玻璃管;露点;H2S 浓度 中图分类号:X784文献标识码:A文章编号:1001-3709(2023)06-0029-05
2、A n a l y s i s o n WS A a c i d-ma k i n g p r o c e s s p a r a me t e r s a n d i t s c o mmi s s i o n i n g e s s e n t i a l sSui Dongyu1,2Song Xiaoliang1,2Xiao Zhenghao1,2Zhao Guofeng1,2Liu Chunmei1,2(1.ACRE Coking&Refractory Engineering Consulting Corporation(Dalian),MCC,Dalian 116085,China;
3、2.Low Carbon Coking&Chemical Professional Technology Innovation Center,Liaoning Province,Dalian 116085,China)A b s t r a c t:This paper introduces WSA acid-making process of Topsoe and analyzes the setting of its main parameters and commissioning essentials.It expounds the principle of parameter set
4、ups,providing the theoretical basis for operational adjustments.Ke y w o r d s:Sour vapour;WAS;Glass tube;Dew point;H2S concentration1前言丹麦托普索公司的WSA制酸工艺以含H2S酸汽为原料生产浓硫酸,该工艺具有工艺流程短、运行费用低、产品硫酸浓度高、无稀酸外排、尾气中污染物浓度低等特点。托普索公司的WSA制酸工艺自动化控制水平高,各工艺参数关联性强,本文深入研究阐述了各工艺参数的设置原理。充分理解各工艺参数的设置原理有助于顺利开工及生产,有效避免酸腐蚀等问题。本
5、文还对开工主要环节应注意的问题进行了阐述。2工艺简述WSA制酸工艺主要由过程气系统、酸冷却系统、蒸汽系统、冷却空气系统、氨气系统组成。工艺流程见图1。2.1过程气系统含H2S等酸性气体经由管道送入WSA制酸单元焚烧炉燃烧器。在燃烧器内酸汽同空气充分混合,在约975 的温度下燃烧。酸汽中的H2S与燃烧空气中的O2完全反应,通过方程式(1)转化为SO2。其所含HCN及少量NH3、烃类等组分转化为N2、NO、CO2和H2O等。主要反应如式(1)所示:(1)焚烧后的高温过程气经废热锅炉回收热量后,温度由约975 降至400 430。浓氨水经氨水汽化器蒸发后与稀释空气、脱硫脱硝解吸气混合,进入SCR反应
6、器,在DNX系列催化剂的作用下,将焚烧过程中产生的NOx还原分解。主要反应式如式(2)所示:(2)从SCR反应器出来的过程气进入SO2转化器。转化器内填充有3段VK-WSA通用型催化剂床层。在收稿日期:2023-01-25作者简介:隋东宇(1982-),男,高级工程师煤气净化与化学产品加工WSA 制酸工艺参数及开工要点分析2H2S+3O2 2SO2+2H2O+1 038.4 kJ/mol4NO+4NH3+O2 4N2+6H2O+405.8 kJ/mol 30燃 料 与 化 工Fuel&Chemical ProcessesNov.2023Vol.54 No.6从转化器出来的含有SO3(g)及H2
7、SO4(g)的过程气进入WSA冷凝器,用冷却空气对过程气进行间接冷却,绝大部分的SO3及H2SO4气体在水合、冷凝后,收集在WSA冷凝器底部的酸收集器中,形成浓度约98%的高温H2SO4。从WSA冷凝器顶部排出的过程气尾气送到脱硫脱硝装置处理。如遇脱硫脱硝检修等特殊情况,尾气同WSA冷凝器底部排出的换热后的冷却空气混合,通过烟囱在高空排放。WSA冷凝器前设有酸雾控制器(MCU)。通过酸雾控制器可向进入WSA冷凝器的酸汽中喷入雾状硅晶,以增加凝结晶核,便于酸汽在冷凝器中进行成核冷凝,减少尾气酸雾夹带。2.2 酸冷却系统在WSA冷凝器下部冷凝浓缩而成的硫酸流入底部硫酸收集部分,由酸出口自流入酸中间
8、槽,经酸泵抽出,送至酸冷却器冷却至约40 后,大部分送回WSA冷凝器底部硫酸出口管道内,对自流出的硫酸进行混合冷却,多余的硫酸作为产品,由酸泵出口引出外送。2.3 蒸汽系统废热锅炉、过程气冷却器回收的热量用于产生约5.85 MPa、275 的饱和蒸汽,饱和蒸汽做为冷却介质经第一、第二床间冷却器冷却过程气后,减压增湿外送。3 工艺参数分析3.1 焚烧炉温度焚烧炉炉膛温度一般控制在约975,该温度的设置由多个因素决定。首先,炉温不能过低,当炉温低于920 时火焰变得不稳定,此时火焰检测器容易检测不到火焰,造成紧急停车。火焰不稳定也会导致原料酸汽所含H2S等成分燃烧不彻底,残留的H2S组分易与燃烧后
9、的SO2组分进一步发生克劳斯反应,生成的硫磺会造成催化剂失活,影响SO3转化率。系统中硫磺的增多会堵塞过程气系统,使整个过程气系统阻力增大。炉温上限受到焚烧炉耐火材料设计温度的限制,WSA制酸工艺中焚烧炉一般采用普通耐火材料,耐火温度为1 5801 770,但提高耐火材料的耐火温度会增加焚烧炉的设备投资。如果是由于原料气中H2S浓度增高导致的炉温过高,后续系统的硫酸露点会增高,有硫酸冷凝的风险。经验表明,975 的炉膛温度既经济又能满足生产操作。托普索公司设计的WSA制酸工艺,多数是处理真空碳酸钾脱硫工艺产生的酸汽,其中H2S摩尔含图 1 WSA 制酸工艺流程除盐水蒸汽除氧槽煤气煤气增压机 酸
10、汽锅炉给水泵汽包SCR 反应器并网蒸汽过程气冷却器SO2转化器第一床间冷却器第二床间冷却器焚烧炉空气空气烟囱送脱硫脱硝WSA 冷凝器燃烧空气风机空气预热器冷却空气风机产品酸酸中间槽酸循环泵 酸冷却器浓氨水氨水汽化器废热锅炉脱硫脱硝解吸气最下段,设有过程气冷却器,用来自汽包的约275 的锅炉水进行冷却。从转化器下层出来的过程气经冷却器冷却至约290 后,部分SO3水合生成H2SO4(g)。反应式如式(4)所示:(4)SO3+H2O H2SO4+108.8 kJ/mol转化器内,过程气中的SO2氧化为SO3。反应式如式(3)所示:(3)该反应为放热反应,为提高SO2转化率,在三段催化剂床层间设有第
11、一、第二床间冷却器,用来自汽包的饱和蒸汽冷却过程气。在转化器的2SO2+O2 2SO3+197.4 kJ/mol 31燃 料 与 化 工Fuel&Chemical Processes2023 年 11 月第 54 卷第 6 期量为56.54%64.08%,如果按照反应式(1)的化学计量比配入空气,炉膛温度将远超耐火材料设计温度,这是不合理的,且考虑到反应式(3)的耗氧量及反应平衡,一般将焚烧炉后过程气中的氧摩尔含量控制在9%11%(同时有稀释过程气1等其他作用,后文会进一步详细分析),此时炉温也基本稳定在约975。按照反应式(1),含H2S的过程气在焚烧炉内燃烧后的温度主要决定于过程气中的H2
12、S含量及送入焚烧炉的空气量。通过调整进焚烧炉的空气量,将焚烧炉后过程气的氧摩尔含量控制在9%11%,如过程气中H2S摩尔含量较低,则需要向焚烧炉内补充燃料气(如焦炉煤气)来维持炉温。而过程气中H2S摩尔含量如果相对较高,为了维持炉温不致过高,仍应控制焚烧炉后过程气的氧摩尔含量在9%11%,此时过量的空气将充分冷却反应(1)产生的高温。焚烧炉金属外壁温度控制在约225。如前所述,按照反应式(1),在焚烧炉内氧气是过量的,按反应式(3)将有少量SO3生成,过程气及燃烧空气带入的水为H2SO4的生成创造了条件,根据SO3和H2O的含量,此处H2SO4的露点使用Verhoff公式2计算约为200。为防
13、止H2SO4通过耐火砖缝接触到碳钢金属外壁冷凝而腐蚀设备,考虑到安全裕量,通过带气窗的保温外壳来控制金属外壁温度为225。3.2 废热锅炉出口过程气温度过程气出焚烧炉后,进入与其直连的废热锅炉冷却。废热锅炉配有中央旁路换热管及换热主管,废热锅炉出口过程气温度为上述2路气的集合温度,该温度通过中央旁路换热管调节翻板控制在约430。该温度的设置是为后续反应(3)提供前提条件而设定的。反应(3)主要在SO2转化器中完成。SO2转化器中装填了托普索公司生产的VK-WSA、VK-WSX系列催化剂,VK-WSA系列催化剂在约330 就可以产生催化效果,在大于400 时催化剂活性更好,反应速率也大大加快。反
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