论文部分内容阅读
摘 要：对WSA制酸工艺进行简介，分析了制酸系统在生产中存在的问题。通过对工艺及操作进行改进，取得了良好效果。
关键词：WSA制酸；焚烧炉；SO2转化器；腐蚀
1 前言
邯钢邯宝焦化厂焦炉煤气净化系统对4座7m焦炉的荒煤气进行净化处理，其中煤气脱硫工段采用了真空碳酸钾脱硫+WSA（Wet Gas Sulphuric Acid）制酸工艺，WSA制酸由丹麦托普索公司设计，系统的关键设备SO2转化器、WSA冷凝器、浓酸循环泵、酸冷却器等由外方供货，废热锅炉产生的余热用于自产蒸汽，产品硫酸回用于硫铵工段，实现循环经济。
该套系统2010年建成投产，生产98%浓硫酸，但在实际生产过程中，由于存在硫酸腐蚀泄漏、空气过滤器及酸汽管道堵塞等影响生产的问题，使装置的开工率偏低。同时，系统生产过程中也存在焦炉煤气消耗偏高问题，不符合节能减排的要求。
2 工艺简介
图1 WSA制酸工艺流程简图
WSA 制酸工艺是一种不经过干燥将湿硫化氢气体转化为浓硫酸的工艺，如图1所示。酸性硫化氢（H2S）气体在焚烧炉中燃烧，产生二氧化硫（SO2）气体，经废热锅炉回收余热自产蒸汽，过程气经过脱硝反应（SCR）将氮氧化物（NOx）在专用催化剂的作用下还原为氮气（N2），二氧化硫气体则通过二氧化硫转化器被氧化为三氧化硫（SO3），SO3在WSA冷凝器内被水蒸气吸收，在空气冷却下，凝结为液态硫酸，尾气达标排放。
3 存在问题
3.1 二氧化硫转化器腐蚀泄漏
SO2转化器主要功能是将SO2转化为SO3，一旦泄漏，将会有大量酸性气体逸出，进一步腐蚀周边设备，污染环境，同时危害职工身心健康。泄漏的主要原因在于转化器局部保温效果差，这部分区域由于温度低于SO3酸汽的露点温度而冷凝成酸，形成了“露点腐蚀”。理论上气态SO3对碳钢腐蚀很小，但若SO3与水蒸汽化合形成的气态硫酸冷凝为液态硫酸时，液态硫酸对碳钢设备的腐蚀性剧增，特别是在高温（露点温度254℃）條件下，浓硫酸很快与铁反应生成硫酸亚铁（FeSO4），将碳钢设备腐蚀。温度对浓硫酸腐蚀性影响见表1。
表1 浓酸对碳钢腐蚀速率表
温度 （℃） 20 40 50 60 70
腐蚀速率 （mm/a） 0.1 0.8 1.3 2.3 5.3
3.2 硫酸管道腐蚀
98%浓硫酸在常温下对碳钢的腐蚀因钝化作用而影响很小，由于钝化作用（Fe+H2SO4=FeO+SO2+H2O）形成的致密氧化亚铁（FeO）保护膜覆盖于碳钢表面，阻止了浓硫酸对碳钢的进一步腐蚀，这也是常温下能够使用碳钢设备存贮浓硫酸的原因。装置原设计浓硫酸管道为碳钢材质，但在使用中管道弯头及其焊缝区域经常性出现泄漏，分析主要是由于在弯头及附近区域流体呈紊流状态，流速的急剧变化及流体长时间冲刷，导致碳钢管线内形成的FeO钝化膜溶解，无法起到保护作用，从而造成腐蚀泄漏。
3.3 煤气消耗偏高
制酸装置设计处理酸汽量750m3/h，实际酸汽量在520～550 m3/h，为了确保焚烧炉温度稳定及后续各温度指标符合工艺要求，需要向焚烧炉补充焦炉煤气150～200 m3/h，由此带来装置煤气消耗偏高的问题。
3.4 空气过滤器堵塞
制酸装置运行过程中，焚烧炉及WSA冷凝器需要洁净的空气，其主要目的是防止催化剂被灰尘堵塞，导致系统阻力增大，原设计是在空气风机进风口处加装滤布，但在运行过程中发现由于周围环境灰尘较大，同时北方多风少雨，造成空气滤布堵塞严重，空气风量上不去，不得不频繁倒机清洗或更换滤布。
3.5 酸汽管道堵塞
制酸装置的原料酸汽来自于脱硫再生系统，由于脱硫再生系统产生的酸汽中含萘成分较高，萘在常温下易结晶，酸汽管道时常堵塞，造成酸汽系统阻力越来越大，产酸量明显降低，最终被迫停车处理。
4 改进措施
4.1 采用新型保温材料和工艺
原SO2转化器采用硅酸铝保温毡进行保温，由于保温毡连接处存在缝隙，保温效果差，重新对SO2转化器整体进行了保温，特别对于易受腐蚀的转化器底部采用了耐温、保温效果更好的轻质保温浇注料+硅酸铝纤维毡外加彩钢护板进行保温，防止过程气在此处由于低温形成“露点腐蚀”。此种保温方法2013年已获得国家实用新型专利。
4.2 优化工艺控制
通过控制焚烧炉温度在1000～1050℃，入炉水温不低于104℃，杜绝汽包蒸汽系统泄漏等措施，稳定汽包压力在5.8MPa，确保过程气冷却器后温度由270℃提升至280℃，防止过程气温度低于露点温度，而凝酸引起腐蚀。
4.3更换酸管材质
对于浓酸输送管道，将原设计的碳钢管道更换为防腐性能、耐冲刷能力良好的内衬PPH（聚丙烯）管，内衬PPH管采用法兰连接，法兰间采用聚四氟垫片，避免了腐蚀泄漏。
4.4 提高助燃空气温度
将系统本身WSA冷凝器换热后的部分热空气引入助燃风机前，通过提高助燃空气温度的办法，降低焚烧炉煤气消耗量，改造前后实际煤气耗量减小150m3/h左右。改造后工艺流程如图2所示。
图2 燃烧风机改造流程简图（虚线部分为增加部分）
5 效果与效益
5.1 效果
（1）通过设备及工艺的改进，每年减少检修工期60天左右，检修的人力物力成本降低，硫酸年增产2400吨。
（2）由于腐蚀泄漏大大降低，现场设备、环境得到极大改观。
（3）制酸装置生产的顺行，使硫化氢酸汽得到很好处理，SO2污染物排放大为降低，环保效益明显。
5.2经济效益
（1）硫酸创效
年度减少检修工期60天左右，装置每天产酸40吨，浓硫酸500元/吨，年增产硫酸创效：
60×40×500=120（万元/年）
（2）降低煤气消耗
焚烧炉助燃空气掺入热空气，焚烧炉煤气消耗平均降低150 m3/h，年度运行300天计，降低煤气消耗：
150×24×300=108（万m3/年）
（3）增加副产蒸汽
制酸装置年度减少检修工期60天，蒸汽产量4.5吨/h，年增产蒸汽：
4.5×24×60=6480（吨/年）
6 结语
实践证明，对WSA制酸系统关键设备的保温、防腐、助燃空气及酸汽防堵工艺改进是成功的，从根本上解决了设备频繁腐蚀泄漏硫酸的问题，不仅提高了系统开工率，保证了生产的顺行，而且确保了岗位职工人身安全，同时取得了明显的经济效益和环保效益。
作者简介：李书震（1975-），男，高级工程师，1998年毕业于鞍山钢铁学院煤化工专业，现就读于河北联合大学工程硕士研究生班，现在河北钢铁集团邯钢公司邯宝焦化厂工作。
关键词：WSA制酸；焚烧炉；SO2转化器；腐蚀
1 前言
邯钢邯宝焦化厂焦炉煤气净化系统对4座7m焦炉的荒煤气进行净化处理，其中煤气脱硫工段采用了真空碳酸钾脱硫+WSA（Wet Gas Sulphuric Acid）制酸工艺，WSA制酸由丹麦托普索公司设计，系统的关键设备SO2转化器、WSA冷凝器、浓酸循环泵、酸冷却器等由外方供货，废热锅炉产生的余热用于自产蒸汽，产品硫酸回用于硫铵工段，实现循环经济。
该套系统2010年建成投产，生产98%浓硫酸，但在实际生产过程中，由于存在硫酸腐蚀泄漏、空气过滤器及酸汽管道堵塞等影响生产的问题，使装置的开工率偏低。同时，系统生产过程中也存在焦炉煤气消耗偏高问题，不符合节能减排的要求。
2 工艺简介
图1 WSA制酸工艺流程简图
WSA 制酸工艺是一种不经过干燥将湿硫化氢气体转化为浓硫酸的工艺，如图1所示。酸性硫化氢（H2S）气体在焚烧炉中燃烧，产生二氧化硫（SO2）气体，经废热锅炉回收余热自产蒸汽，过程气经过脱硝反应（SCR）将氮氧化物（NOx）在专用催化剂的作用下还原为氮气（N2），二氧化硫气体则通过二氧化硫转化器被氧化为三氧化硫（SO3），SO3在WSA冷凝器内被水蒸气吸收，在空气冷却下，凝结为液态硫酸，尾气达标排放。
3 存在问题
3.1 二氧化硫转化器腐蚀泄漏
SO2转化器主要功能是将SO2转化为SO3，一旦泄漏，将会有大量酸性气体逸出，进一步腐蚀周边设备，污染环境，同时危害职工身心健康。泄漏的主要原因在于转化器局部保温效果差，这部分区域由于温度低于SO3酸汽的露点温度而冷凝成酸，形成了“露点腐蚀”。理论上气态SO3对碳钢腐蚀很小，但若SO3与水蒸汽化合形成的气态硫酸冷凝为液态硫酸时，液态硫酸对碳钢设备的腐蚀性剧增，特别是在高温（露点温度254℃）條件下，浓硫酸很快与铁反应生成硫酸亚铁（FeSO4），将碳钢设备腐蚀。温度对浓硫酸腐蚀性影响见表1。
表1 浓酸对碳钢腐蚀速率表
温度 （℃） 20 40 50 60 70
腐蚀速率 （mm/a） 0.1 0.8 1.3 2.3 5.3
3.2 硫酸管道腐蚀
98%浓硫酸在常温下对碳钢的腐蚀因钝化作用而影响很小，由于钝化作用（Fe+H2SO4=FeO+SO2+H2O）形成的致密氧化亚铁（FeO）保护膜覆盖于碳钢表面，阻止了浓硫酸对碳钢的进一步腐蚀，这也是常温下能够使用碳钢设备存贮浓硫酸的原因。装置原设计浓硫酸管道为碳钢材质，但在使用中管道弯头及其焊缝区域经常性出现泄漏，分析主要是由于在弯头及附近区域流体呈紊流状态，流速的急剧变化及流体长时间冲刷，导致碳钢管线内形成的FeO钝化膜溶解，无法起到保护作用，从而造成腐蚀泄漏。
3.3 煤气消耗偏高
制酸装置设计处理酸汽量750m3/h，实际酸汽量在520～550 m3/h，为了确保焚烧炉温度稳定及后续各温度指标符合工艺要求，需要向焚烧炉补充焦炉煤气150～200 m3/h，由此带来装置煤气消耗偏高的问题。
3.4 空气过滤器堵塞
制酸装置运行过程中，焚烧炉及WSA冷凝器需要洁净的空气，其主要目的是防止催化剂被灰尘堵塞，导致系统阻力增大，原设计是在空气风机进风口处加装滤布，但在运行过程中发现由于周围环境灰尘较大，同时北方多风少雨，造成空气滤布堵塞严重，空气风量上不去，不得不频繁倒机清洗或更换滤布。
3.5 酸汽管道堵塞
制酸装置的原料酸汽来自于脱硫再生系统，由于脱硫再生系统产生的酸汽中含萘成分较高，萘在常温下易结晶，酸汽管道时常堵塞，造成酸汽系统阻力越来越大，产酸量明显降低，最终被迫停车处理。
4 改进措施
4.1 采用新型保温材料和工艺
原SO2转化器采用硅酸铝保温毡进行保温，由于保温毡连接处存在缝隙，保温效果差，重新对SO2转化器整体进行了保温，特别对于易受腐蚀的转化器底部采用了耐温、保温效果更好的轻质保温浇注料+硅酸铝纤维毡外加彩钢护板进行保温，防止过程气在此处由于低温形成“露点腐蚀”。此种保温方法2013年已获得国家实用新型专利。
4.2 优化工艺控制
通过控制焚烧炉温度在1000～1050℃，入炉水温不低于104℃，杜绝汽包蒸汽系统泄漏等措施，稳定汽包压力在5.8MPa，确保过程气冷却器后温度由270℃提升至280℃，防止过程气温度低于露点温度，而凝酸引起腐蚀。
4.3更换酸管材质
对于浓酸输送管道，将原设计的碳钢管道更换为防腐性能、耐冲刷能力良好的内衬PPH（聚丙烯）管，内衬PPH管采用法兰连接，法兰间采用聚四氟垫片，避免了腐蚀泄漏。
4.4 提高助燃空气温度
将系统本身WSA冷凝器换热后的部分热空气引入助燃风机前，通过提高助燃空气温度的办法，降低焚烧炉煤气消耗量，改造前后实际煤气耗量减小150m3/h左右。改造后工艺流程如图2所示。
图2 燃烧风机改造流程简图（虚线部分为增加部分）
5 效果与效益
5.1 效果
（1）通过设备及工艺的改进，每年减少检修工期60天左右，检修的人力物力成本降低，硫酸年增产2400吨。
（2）由于腐蚀泄漏大大降低，现场设备、环境得到极大改观。
（3）制酸装置生产的顺行，使硫化氢酸汽得到很好处理，SO2污染物排放大为降低，环保效益明显。
5.2经济效益
（1）硫酸创效
年度减少检修工期60天左右，装置每天产酸40吨，浓硫酸500元/吨，年增产硫酸创效：
60×40×500=120（万元/年）
（2）降低煤气消耗
焚烧炉助燃空气掺入热空气，焚烧炉煤气消耗平均降低150 m3/h，年度运行300天计，降低煤气消耗：
150×24×300=108（万m3/年）
（3）增加副产蒸汽
制酸装置年度减少检修工期60天，蒸汽产量4.5吨/h，年增产蒸汽：
4.5×24×60=6480（吨/年）
6 结语
实践证明，对WSA制酸系统关键设备的保温、防腐、助燃空气及酸汽防堵工艺改进是成功的，从根本上解决了设备频繁腐蚀泄漏硫酸的问题，不仅提高了系统开工率，保证了生产的顺行，而且确保了岗位职工人身安全，同时取得了明显的经济效益和环保效益。
作者简介：李书震（1975-），男，高级工程师，1998年毕业于鞍山钢铁学院煤化工专业，现就读于河北联合大学工程硕士研究生班，现在河北钢铁集团邯钢公司邯宝焦化厂工作。