优化煤制天然气工厂硫回收装置配置的措施

姜成旭，肖春辉，闫立娜

（辽宁大唐国际阜新煤制天然气有限责任公司，辽宁阜新 123000）



优化煤制天然气工厂硫回收装置配置的措施

姜成旭，肖春辉，闫立娜

（辽宁大唐国际阜新煤制天然气有限责任公司，辽宁阜新 123000）

摘 要：对辽宁大唐国际阜新煤制天然气项目硫回收装置原设计进行深入分析，提出了对硫回收尾气处理部分工艺流程的整体优化措施。优化结果表明：装置的工艺优化效果较好，SO2排放量减少301.8t/a，在满足更高的环保达标要求的基础上，使其技术经济指标更加先进。

关键词：硫回收；氨法脱硫；二氧化硫；优化

随着经济的快速发展，我国因含硫原料冶炼焙烧等的使用，导致排放的SO2急剧增加，由此引起的环境问题越来越突出。对此，国家出台不少政策以及法规来控制SO2排放量。2011年，我国新颁布的《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223—2013）中规定，除位于广西壮族自治区、重庆市、四川省和贵州省的火力发电锅炉外，新建燃煤锅炉SO2排放限值为100 mg/Nm3。

辽宁大唐国际阜新煤制天然气项目可研批复为采用Claus+SCOT工艺，最终尾气SO2排放量为850 mg/Nm3，鉴于国家对环境的要求越来越严格，该项目在总体设计阶段不断优化其硫回收装置配置，使硫回收装置尾气SO2排放指标能够达到国家新颁布的排放标准，其经验可为同类装置提供借鉴。

1 原设计工艺描述

可研报告硫回收装置采用Claus+SCOT工艺，该工艺包括硫磺回收工序、尾气处理工序、溶剂再生工序，流程见图1。

图1 原设计工艺流程

1.1 硫磺回收工序

原设计采用二级Claus硫回收工艺，酸性气体通过酸气分离器后进入主烧嘴点燃。在主燃烧室中，酸气和空气（氧气）以低于化学计量比混合燃烧，温度达1 200℃左右。化学反应如下：

废热锅炉直接与主燃烧室相连，将工艺气冷却分离出部分液硫。离开废热锅炉的工艺气进入一级克劳斯反应器，进行上述（2）式反应，无机硫进一步转化成单质硫。工艺气接着进入一级硫冷凝器冷却，然后通过工艺气预热器加热后进入二级克劳斯反应器，剩余的硫组分进一步转化成单质硫。工艺气离开二级克劳斯反应器，在下游的二级硫冷凝器中被冷凝分离液硫。最后工艺气经过液硫分离器，将液硫分离下来。出来的尾气送入尾气焚烧炉焚烧处理。

克劳斯段的尾气经焚烧炉、焚烧室后，气体中的有机硫及微量的硫蒸汽均转化为SO2，热气体经焚烧炉废锅冷却后送尾气处理工序。

1.2 尾气处理工序

制硫尾气进入尾气加热器，与在线还原炉换热、混氢后进入加氢反应器，在加氢催化剂的作用下，SO2、COS等被加氢水解，还原为H2S。

从加氢反应器出来的气流经过蒸汽发生器产生低压蒸汽回收热量后进入尾气急冷塔，与急冷水直接接触降温。因尾气温度降低而凝析下来的、多余的急冷水送至污水处理场处理。急冷降温后的尾气自塔顶出来，进入尾气吸收塔，用甲基二乙醇胺溶液吸收其中的H2S，尾气吸收塔顶出来的净化气进入尾气焚烧炉燃烧，在尾气焚烧炉内，净化气中残余的H2S被燃烧为SO2，高温烟气先经中压蒸汽过热器将制硫余热锅炉产生的中压蒸汽过热，再经尾气加热器回收余热后由烟囱排放。

1.3 溶剂再生工序

尾气吸收塔使用后的富液用富胺液泵送返胺液再生部分进行再生。进入溶剂再生部分的富胺液，经过贫/富胺换热器，与再生塔底的高温贫胺液换热后进入再生塔上部。塔底获得的贫胺液进入贫/富胺换热器回收余热后，经过贫胺冷却器和循环水冷却器冷却，冷却后的贫胺液经过贫胺罐缓冲，再经贫胺泵升压，送返尾气吸收塔循环使用。

再生塔底部的胺液进入塔底再沸器，用硫回收单元产出的低压蒸汽加热，为富胺液再生提供热源；塔底再沸器产生的凝结水进入凝结水罐，通过调节阀后送往凝结水管网。

再生塔顶部含H2S的蒸汽经过塔顶空冷器降温后进入塔顶回流罐，凝液经塔顶回流泵、液控阀返回再生塔顶作回流；塔顶回流罐的酸性气，送至硫回收单元作原料。

2 优化方案

2.1 硫回收尾气直接引入氨法脱硫装置

2.1.1 优化内容

原设计为：采用Claus+SCOT工艺，设立一套尾气加氢吸收再生方案，尾气经硫回收烟囱排放进行优化。将其优化为：Claus+氨洗尾气处理工艺，硫回收尾气经焚烧炉焚烧后，直接送到动力站氨法脱硫装置，优化后的工艺流程见图2。

图2 优化后的工艺流程

图2优化具体实施措施如下。

（1）平面布置。此布置省去一套硫回收尾气处理工序，将尾气经焚烧炉焚烧、经换热器降温后引入氨法脱硫装置，节省占地面积4 560 m2。

（2）气体管线。满足工艺流程要求，尾气输送管线尽可能优化布置，克劳斯尾气管线长130 m，直径2 100 mm，碳钢材质，厚度16 mm，内部采用DY22-7烟气防腐涂料，外部采用保温棉保温，三期硫回收装置共用一条克劳斯尾气管线。力求缩短管线距离，减少管线数量，节约工程投资。

（3）设计条件。克劳斯尾气管线尾气温度应控制在130℃左右，压力为1 500 Pa，温度过低会产生酸结露现象腐蚀管道。且温度应≤170℃，如果长时间超过此温度会使脱硫塔浓缩段温度超过设计值70℃，导致脱硫塔碳钢内衬VEGF鳞片胶泥防腐层脱落。

（4）吸收系统。硫回收装置来的克劳斯尾气量是50 349 Nm3/h，φ（SO2）0.511％即13 000 mg/Nm3，克劳斯尾气进入进口烟道与锅炉烟气汇合后进入脱硫塔内，与界外送来的氨水参与吸收反应。

2.1.2 工艺描述

Claus+氨洗工艺与Claus+SCOT工艺制硫段大体一致，只是尾气处理工艺不同。

克劳斯段尾气经焚烧回收余热后进SO2吸收塔，首先进入硫铵浓缩段，功能是稀硫铵从热烟气中取热，用于自身浓缩，烟气温度降为55～60℃。然后进入吸收段，在吸收段，发生如下反应：

之后烟气接着进入水洗段以除去烟气中夹带的吸收液。之后经过除雾分离，离开脱硫塔，烟气温度为48～50℃。

从脱硫塔底部出来的料浆，经旋流器分离、离心机浓缩、振动流化床干燥、包装机包装等工序，得到硫铵产品，产品硫铵贮存并外售。

2.1.3 优化效果

（1）此方案非常适用于煤化工的企业，从全局出发，利用锅炉烟气氨法脱硫装置。该优化措施在降低了投资和大大降低了排放指标的基础上，将污染物SO2回收成为高附加值的商品化产品，同时处理了装置副产废氨水，副产优良的氮肥——硫胺。

（2）硫回收装置原设计尾气排放 SO2为850 mg/Nm3，SO2为342 t/a。优化后按尾气排放SO2为100 mg/Nm3，尾气排放SO2为40.2 t/a，减少SO2排放量为301.8 t/a。

（3）利用电厂已建的锅炉烟气氨法脱硫装置处理硫回收尾气，在设备投资方面省去了一套尾气单元的投资，减少投资，也减少了占地面积、操作维护和公用工程消耗。

（4）电耗节省500 kW·h，低压蒸汽消耗节省10 t/h，节省MDEA溶液消耗。

2.2 氨法脱硫装置脱硫塔改造

2.2.1 优化内容

原设计按尾气中SO2排放浓度为190 mg/Nm3设计。由于《火电厂大气污染物排放标准》GB13223—2013的颁布，为满足新的排放标准，将脱硫塔高度由34.385m优化到36.185m，并增加1台一级吸收循环泵，使塔喷淋层由3层增加为4层。从而使塔内液气比增加1/3，停留时间增加5％。另外，将塔内原各分布器喷淋层的分布进行优化，增强喷淋覆盖效果。

2.2.2 优化效果

（1）经过优化改造后，能够更精确、及时地控制氨水的加入量，防止为了达到较好的脱硫效率而加入过多的氨水，从而造成氨逃逸，可以有效地减少气溶胶的产生，减少塔顶部除雾器工作负担，大大降低出口烟道和烟囱的腐蚀，使脱硫装置更能高效、稳定运行。

（2）脱硫塔改造后使烟气更能均匀分布并且停留时间增多，不仅提高了脱硫效率，同时烟气与硫铵液传递的能量增加，加快蒸发结晶，提高了硫铵产率，又增加烟气的处理能力。保证达到排放尾气中SO2排放浓度为100 mg/Nm3。使脱硫效率从95.4％提高到96.8％，节省工程排污费。

2.3 吸收剂加入位置的改造

2.3.1 优化内容

原设计吸收剂氨水直接加入到一级循环泵入口与硫铵浆液混合（原设计的亚硫铵在循环槽内已被氧化）后去塔内吸收SO2。优化后，在脱硫装置循环槽内单独设立一个加氨区，在加氨区内氨水与亚硫铵液（加氨区隔离一部分循环槽内的氧化空气）充分混合后由一级循环泵打出去塔内吸收SO2。

2.3.2 工艺描述

氨法脱硫技术以水溶液中的NH3和SO2反应为基础，在多功能烟气脱硫塔的吸收段将锅炉烟气和硫回收尾气中的SO2吸收，得到脱硫中间产品亚硫酸铵或亚硫酸氢铵的水溶液，在脱硫系统的循环槽，鼓入压缩空气进行亚硫铵的氧化反应，将亚硫铵直接氧化成硫铵溶液。在脱硫塔的浓缩段，利用高温烟气的热量将硫铵溶液浓缩，得到含有一定固含量的硫铵浆液，浆液经旋流器浓缩、离心分离、干燥、包装等工序，得到硫铵产品。原理如下：

上述反应中，在送入氨量较少时，则发生反应式（1）；在送入氨量较多时，则发生（2）式反应；因吸收过程中所生成的酸式盐NH4HSO3对SO2不具有吸收能力，吸收液中NH4HSO3数量增多时对SO2吸收能力下降，式（3）表示的才是氨法脱硫吸收反应的主反应式；（NH4）2SO3吸收SO2的速率要比氨水快，优化后氨水加入加氨区内，在加氨区内氨水与浆液混和得更加均匀，几乎使全部亚硫酸氢氨转化为亚硫铵硫铵，然后由一级循环泵打出参与吸收反应。而优化前氨水直接进入管道，还未能及时将亚硫酸氢铵转化为亚硫铵，氨水直接参与了吸收反应，这样与优化后相比吸收速率明显降低。

2.3.3 优化效果

（1）经过优化后不断加入的氨水能充分地将亚硫酸氢铵转化成亚硫铵，比直接用氨水加入管道参与反应明显提高了30％反应速率，有利于脱硫装置的脱硫效率提高。

（2）与优化前相比，氨水的利用率提高，优化前出口烟道净烟气氨逃逸量为14 mg/Nm3，优化后出口烟道净烟气氨逃逸量为8 mg/Nm3，可以节约氨水质量分数15％约33.1 kg/h，节约成本，减少氨逃逸造成污染。

（3）氨水利用率提高意味着氨水加入量更接近当量化学反应需要量，可以使脱硫装置吸收循环系统平均pH值由原来的7.2降低到6.4，酸性增大，减少结垢堵塞现象，使装置更能长久运行。

3 结语

辽宁大唐国际阜新煤制天然气项目一期经过硫回收工艺配置优化，明显提高了硫的回收率，并且降低了硫回收装置SO2排放量，其中SO2排放量减少301.8t/a，有效控制了SO2对空气的污染，SO2排放量满足GB13223—2013规定要求。该优化措施也为其他煤化工硫回收工艺配置起到了借鉴作用。值得强调的是，在其他煤化工硫回收工艺配置设计过程中，要根据原料和现场实际情况，来确定选择具体的脱硫技术方案。因此，进一步研究脱硫技术，特别是优化脱硫技术方案，具有重要的现实意义。

参考文献：

［1］陈赓良，肖学兰，等.克劳斯法硫磺回收工艺技术［M］.北京：石油工业出版社，2007.

［2］蒋文举，等.烟气脱硫脱硝技术手册［M］.北京：化学工业出版社，2006.

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

中图分类号：X701.3

文献标识码：B

文章编号：1004-8901（2016）03-0052-03

作者简介：姜成旭（1963年-），男，吉林和龙人，1986年毕业于吉林化工学院化学工程专业，高级工程师，多年从事化工生产技术、煤化工前沿项目研究、项目建设等工作。

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.，Fuxin 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