馬西功，季開慧

(中海油石化工程有限公司，山東 青島 266101)

丹麥HALDOR TOPSOE公司的WSA(Wet gas Sulphuric Acid)濕法硫酸工藝，能夠從H2S和其他含硫化合物中回收硫并轉(zhuǎn)化成高濃度的商品級濃硫酸。該工藝被廣泛應用于石油煉制、焦化、煤化工、化肥、電力、冶金等行業(yè)[1-2]。本文根據(jù)已投產(chǎn)的山東某地方煉油廠WSA裝置詳細工程設計過程，對煉油廠WSA裝置設計要點進行了總結(jié)分析。

1 WSA工藝簡介

典型的WSA工藝流程如圖1所示。該工藝主要分為原料氣焚燒、SO2轉(zhuǎn)化、SO3的水合冷凝及酸霧控制和蒸汽系統(tǒng)四大部分。

圖1 典型WSA流程示意圖

多種原料氣與助燃空氣混合后在焚燒爐內(nèi)過氧燃燒，生成的含SO2高溫過程氣依次通過廢熱鍋爐、蒸汽過熱器、脫硝反應器和空氣預熱器后進入SO2轉(zhuǎn)化器，過程氣在SO2轉(zhuǎn)化器中經(jīng)三級催化轉(zhuǎn)化為SO3，設置級間冷卻器以促進轉(zhuǎn)化，SO3與水蒸氣水合形成硫酸蒸汽進入WSA冷凝器。剩下的SO3繼續(xù)在WSA冷凝器內(nèi)發(fā)生水合反應生成硫酸并冷凝，凝液收集至WSA冷凝器底部的產(chǎn)品收集槽，槽內(nèi)熱酸經(jīng)冷卻后泵送至硫酸儲罐。從WSA冷凝器頂部排出的不凝尾氣經(jīng)除酸霧后排大氣[3]。

2 煉廠WSA裝置特點

本文所述山東某煉廠屬于燃料型煉廠，酸性氣來源為延遲焦化、加氫裂化、溶劑再生和酸性水汽提裝置，其酸性氣組成除含有H2S外，還有CO2、NH3和少量烴類。其WSA裝置原料為清潔酸性氣、含氨酸性氣、稀硫酸、液硫等，同時進入焚燒爐的還有熱空氣、燃料氣和霧化蒸汽。

WSA裝置比克勞斯硫磺回收裝置更加節(jié)能環(huán)保，產(chǎn)品為商品級濃硫酸，裝置布局緊湊，自產(chǎn)蒸汽約為同規(guī)模硫磺回收裝置的3倍，且對原料適應性強，操作彈性更大。該山東煉廠WSA硫酸裝置已于2017年4月成功投產(chǎn)，其尾氣處理部分工藝為經(jīng)設計改進并首次工業(yè)化應用的雙氧水洗滌工藝，排放尾氣中SO2濃度低于50mg/m3，酸霧小于5mg/m3，完全滿足國家和地方環(huán)保法規(guī)要求。

3 WSA裝置設計要點分析

3.1 工藝流程

(1)雙氧水供給系統(tǒng)需要設計防分解和泄壓措施，比如設置雙氧水罐噴淋冷卻系統(tǒng)、設置遮陽篷、設置夾套冷卻系統(tǒng)、設置泄壓人孔等。雙氧水在接觸金屬、受熱或強光照射情況下會急劇分解，放出大量的熱和氧氣，易引起燃燒甚至爆炸，所以應嚴格控制雙氧水溫度，加注或稀釋操作要規(guī)范，雙氧水系統(tǒng)周圍應按規(guī)定設置洗眼器，設置圍堰，相關地面應做防腐防滲處理。

(2)如果處理含氨酸性氣，需要增設SCR反應器，還原劑可利用含氨酸性氣中的氨氣，應根據(jù)氨含量設置進料控制器，避免達到氨氣爆炸下限或生成銨鹽。也可以設計單獨的氨氣供給系統(tǒng)提供還原氨。

3.2 靜設備

WSA裝置核心靜設備有焚燒爐、廢熱鍋爐、SO2轉(zhuǎn)化器、床間冷卻器、WSA冷凝器、雙氧水洗滌塔等。

焚燒爐操作溫度超過1200℃，爐內(nèi)需要設計耐火襯磚，爐體外壁設計防雨罩，保證焚燒爐外壁溫度不小于200℃為宜，避免室外雨雪天氣下焚燒爐發(fā)生酸露點腐蝕。可在外壁安裝測量壁溫的測溫儀表來監(jiān)測爐壁溫度，見圖2。

圖2 焚燒爐及耐火襯磚

廢熱鍋爐用來回收焚燒爐出口高溫過程氣熱量，生產(chǎn)中壓蒸汽。廢鍋與SO2轉(zhuǎn)化器末端的過程氣冷卻器共用一臺汽包，須核算汽包安裝高度，以保證鍋爐水與蒸汽自然循環(huán)。設置汽包給水預熱管道，提高熱能利用，汽包及廢熱鍋爐相對位置見圖3。

圖3 廢熱鍋爐和汽包

SO2轉(zhuǎn)化器和三級床間冷卻器一般設計為一體(四合一)設備，該設備是核心設備，也是最大最重的一臺設備，要重點關注設備吊裝和焊接質(zhì)量，同時該設備的鋼結(jié)構(gòu)支撐需要特殊設計，見圖4。

圖4 SO2 轉(zhuǎn)化器

WSA冷凝器內(nèi)的換熱玻璃管和底部硫酸收集槽耐酸磚一般都是國外進口，玻璃管內(nèi)有螺旋內(nèi)件。WSA冷凝器底部硫酸收集槽要求設備碳鋼外殼溫度不低于15℃才能施工。與收集槽相連的一段高溫濃硫酸管道一般也從國外進口，此管操作介質(zhì)為256℃的濃硫酸，腐蝕情況惡劣，見圖5。

圖5 WSA 冷凝器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

急冷塔和雙氧水洗滌塔接觸的介質(zhì)是稀硫酸、雙氧水等酸性或氧化性介質(zhì)，設備材質(zhì)采用玻璃鋼內(nèi)襯PP，同時應考慮極端低溫下襯里材質(zhì)的脆性和強度。為最大限度降低尾氣中的SO2和酸霧，急冷塔和洗滌塔的內(nèi)部均需要設計特殊的噴淋內(nèi)件，一般是設計液體分布(噴淋)管或者再分布器。另外，為了使SO2與H2O2充分反應，洗滌塔內(nèi)宜設置一段填料，增大逆流接觸面積，促進反應進行，見圖6。

圖6 急冷塔、洗滌塔和分布器

3.3 機械設備

冷風風機提供了裝置所需的所有空氣，所以風量比較大，風機出口管道管徑也很大，冷風風機入口必須設置空氣過濾器，防止雜物造成WSA冷凝器內(nèi)玻璃管破損、污染產(chǎn)品或堵塞催化劑床層。

潔凈氣風機輸送介質(zhì)為洗滌除霧以后的潔凈氣，但仍然含有極少量稀硫酸霧、雙氧水等介質(zhì)，所以風機過流部件應選用耐酸橡膠襯里。否則，該風機將被快速腐蝕。

尾氣處理部分的稀硫酸泵宜選用零泄露的磁力泵。如果單泵流量大于180m3/h，也可設計兩開一備甚或是三開一備模式，此時應合理設計連鎖控制，并注意泵進出口配管，避免偏流，同時也會增加裝置占地。

3.4 設備布置

濃硫酸產(chǎn)品區(qū)、尾氣洗滌稀硫酸區(qū)、雙氧水供給區(qū)和液氨供給區(qū)分別設置圍堰或防火堤，圍堰內(nèi)做防滲和防腐處理，圍堰內(nèi)機泵、設備、漏斗等與地面接觸的土建和鋼結(jié)構(gòu)基礎，均應做防腐處理，高度不低于圍堰高度，見圖7。整個WSA裝置應做裝置大圍堰，圍堰應設計雨水收集排放設施。雙氧水系統(tǒng)圍堰內(nèi)避免有植物或其他易氧化物品，防止雙氧水泄露將物品氧化后發(fā)生燃燒。

圖7 防腐地面及硫酸管道

3.5 管道安裝及應力計算

濃硫酸管道一般采用普通碳鋼材質(zhì)即可，但WSA冷凝器出口產(chǎn)品區(qū)硫酸管道應選用內(nèi)襯PTFE的碳鋼法蘭短管，防止產(chǎn)品濃度變化造成管道腐蝕泄露。連接法蘭外圈設置防濺環(huán)避免硫酸外濺。但架高輸送濃硫酸的管道建議采用不銹鋼材質(zhì)，不宜采用法蘭短管，避免硫酸滴漏危及人員安全。

對于大直徑風管道或過程氣管道應設計特殊管道支吊架進行支撐，對于焚燒爐出口到WSA冷凝器的高溫過程氣大管道都應進行應力計算，并設計彈簧支架或膨脹節(jié)消除應力。對于高溫飽和和過熱蒸汽管道均應進行管道應力計算，合理設計支吊架型式。

對于非標微正壓設備，由于設備管口受力能力有限，應避免這些管口承受外部推力扭力等，可合理設計波紋管解決，配管完成后應對設備管口受力進行核算。

3.6 自控儀表

鑒于裝置內(nèi)有大量設備和管道保溫層非常厚，這些位置安裝的儀表，如焚燒爐出口氧氣含量檢測儀、高溫過程氣上的溫度儀表、SO2轉(zhuǎn)化器上的溫度儀表等，應使儀表表頭剛好露在保溫層外為宜，并設計儀表風預熱管對這些位置的儀表風進行預熱，避免酸露點腐蝕。

在WSA裝置酸性氣、燃料氣等有毒、可燃氣體介質(zhì)容易泄露的位置應設置有毒或可燃氣體報警器，并設置區(qū)域聲光報警和視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

3.7 設備和管道保溫

對于處理高溫過程氣的設備和連接管道，為避免酸露點腐蝕，這些設備和管道建議至少300mm保溫厚度，所有跟這些設備和管道直接接觸的、可發(fā)生熱傳導的支架、儀表、保溫支撐等均需要設置隔熱板與外部環(huán)境隔離，避免出現(xiàn)冷點。設備人孔、手孔、閥門等位置的保溫應設計為可拆卸型式，見圖8。

圖8 保溫及支撐

3.8 其他

(1)所有非金屬管道連接處，應經(jīng)常進行螺栓緊固檢查，避免酸性氣或硫酸泄露發(fā)生安全事故。

(2)建議將裝置內(nèi)所有鋼結(jié)構(gòu)平臺連通起來，方便該裝置巡檢和應急逃生。

(3)必須設置有毒和可燃氣體報警儀器，建議在裝置周邊合理設置區(qū)域聲光報警，對于重點監(jiān)控位置設置視頻監(jiān)控。

(4)硫酸和過氧化氫的火災危險性分類在GB50160《石油化工企業(yè)設計防火規(guī)范》中查不到，但在GB50565《紡織工程設計防火規(guī)范》中將稀硫酸劃歸為乙類可燃液體，在GB50016《建筑設計防火規(guī)范》中將過氧化氫劃歸甲類可燃物質(zhì)。

4 結(jié)論

針對WSA裝置介質(zhì)的腐蝕、高度危害及易燃易爆特性和裝置選材特點，該裝置的設計有其自身特點和特殊性?？v觀山東某煉廠WSA裝置工程設計全過程，該套裝置在大型管道應力計算、管道和設備腐蝕分析和選材、鋼結(jié)構(gòu)異形設計、保溫等方面都有很好的設計，也保證了裝置的順利開車和平穩(wěn)運行。

[1] 丁 玲,張宗飛.硫回收及尾氣處理技術綜述[J].化肥設計,2012,50(6):15-18.

[2] 張 峰.WSA濕法制酸工藝及其在我國的應用[J].磷硫設計與粉體工程,2011(4):1-5.

[3] 馬西功,文增坤.新型尾氣處理工藝在WSA制酸裝置中的應用[J].煉油技術與工程,2017(12):10-13.