CN114177748A - 一种降低硫磺烟气中so2排放的碱洗塔及工艺 - Google Patents

Abstract

公开了一种碱洗塔及利用该碱洗塔来降低烟气中SO₂排放的方法，其中使含硫烟气依次经过碱洗塔的换热区、急冷区、混合区、精碱洗区、换热区、动力补充区，最后经由烟囱排出。本发明的碱洗塔集换热、急冷、碱洗于一体，节约投资，减少使用空间。本发明的利用该碱洗塔来降低烟气中SO₂排放的方法提高了SO₂吸收效果，减小烟气尾羽，降低设备腐蚀，满足装置达到长周期运转的要求。

Description

一种降低硫磺烟气中SO2排放的碱洗塔及工艺

技术领域

本发明属环保技术领域，具体涉及降低硫磺回收装置烟气排放中的二氧化硫浓度的装置及工艺。

背景技术

根据国家《石油炼制工业污染物排放标准(GB31570-2015)》的要求，现有硫磺回收装置自2017年7月1日起酸性气回收装置(硫磺)大气污染物排放浓度限值SO₂将执行小于400mg/m³，特别地区执行小于100mg/m³，山东省已经执行小于50mg/m³的新标准。新建硫磺装置一般要求：酸性气回收装置的处理能力应保证在加工负荷最大且原油高含硫情况下，硫磺回收装置能完全处理产生的酸性气，焚烧炉出来的烟气中SO₂排放合格。

目前国内硫磺装置普遍采用二级CLAUS制硫+还原吸收尾气处理工艺技术路线。该工艺中影响烟气中SO₂排放的主要工艺因素是净化尾气。如果净化尾气中有机硫和H₂S含量高，则进焚烧炉产生的烟气中SO₂排放就高。净化尾气中有机硫含量受多种因素影响，包括原料气组成、反应炉燃烧器材质、反应炉配风、催化剂质量、MDEA吸收效果等。尽管这些因素大部分可以通过工艺调节进行优化，但原料酸性气组成是不可调节的。过多的烃类、氨、CO₂等将影响到硫回收装置的各个环节。特别是CO₂在制硫炉中参与多种副反应，主要生成COS和CS₂，增加水解负担，在MDEA吸收塔内则会大大影响脱硫效率。实践证明；酸性气中CO₂的浓度一旦超过40％，烟气SO₂是不可能达到小于100mg/m³的排放标准的。

另一种烟气SO₂排放超标的情况是硫磺上游装置出现波动，例；S Zorb装置、催化裂化装置，是酸性气的主要来源，生产不稳会导致烟气SO₂排放大幅超标。硫磺装置开停工期间，燃烧炉、催化剂床层、换热器及各类管道中，都充满着气液混合的硫单质及硫化物，假如部分设备不能正常运行，则硫化物蒸汽就会进入烟气，导致烟气SO₂排放导致不达标。

针对引起烟气SO₂排放导致不达标的多种因素，考虑到个别因素单纯靠工艺参数调节达不到排放要求。现有技术中的方法是在硫磺装置烟气排放前增设深度脱SO₂设施，即“增设碱洗”，具体办法是；将焚烧炉后烟气用碱性物质洗涤，中和烟气中SO₂后再排向大气，俗称“烟气碱洗工艺”。

该工艺的脱硫机理是碱性物质与二氧化硫溶于水生成的亚硫酸溶液进行酸碱中和反应，并通过调节氢氧化钠溶液的加入量来调节循环液的pH值。吸收二氧化硫所需的液气比依据二氧化硫的入口浓度、排放的需求和饱和气体的温度来决定。

反应化学式如下：

脱硫反应：

SO₂+H₂O→H₂SO₃

SO₃+H₂O→H₂SO₄

H₂SO₃+2NaOH→Na₂SO₃+2H₂O

H₂SO₃+Na₂SO₃→2NaHSO₃

NaOH+NaHSO₃→Na₂SO₃+H₂O

通过工业化应用，这种“烟气碱洗工艺”在装置运行中表现了优良的效果，烟气排放中SO₂小于20mg/m³，完全达到国家要求的排放标准。

但是，现有技术中的这种“烟气碱洗工艺”也暴露出来几个问题：

(1)在该工艺中，焚烧后的烟气经过热量回收后进碱洗塔。碱洗塔形式局限型较大，一般是填料塔和板式塔，酸和碱中和后生成的盐粒经常堵塞塔盘或填料，影响设备的正常运行，使装置不能长周期运转。

(2)经过碱液洗涤后的烟气，携带很多水蒸气排入大气，在空气中增加了一条“白龙”，在视觉上给人增添了污染，国内一些专家分析”白龙”是造成雾霾天气的原因之一。

(3)烟气进碱洗塔后受喷淋水的影响，气体温度降低，气体压力降增大，造成烟气动力不足烟气动力不足，烟囱抽力不够，只能从碱洗塔顶直接排放，烟气排放的高度不符合要求。

因此，亟需一种新的烟气碱洗装置及工艺，来解决上述技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种减少烟气SO₂排放的硫磺回收烟气碱洗新装置及工艺，其对现有技术中的碱洗装置及工艺进行了改造，提高了SO₂吸收效果，增加烟气动力，减少设备腐蚀，使装置能实现长周期运转，且使得在各种工况下烟气达标效果均能符合国家标准要求。

本发明提供了一种降低烟气中SO₂排放的碱洗塔，其特征在于所述碱洗塔包括急冷区、混合区、精碱洗区、换热区、动力补充区。

其中，所述碱洗塔包括左右两侧，急冷区位于其中一侧上部，混合区位于急冷区同侧下部，精碱洗区位于不同于急冷区和混合区的另一侧的下部，换热区位于精碱洗区同侧中部，动力补充区位于精碱洗区同侧上部。

其中，所述碱洗塔包括左右两侧，急冷区位于碱洗塔左上部，混合区位于碱洗塔左下部，精碱洗区位于碱洗塔右下部，换热区位于碱洗塔右中部，动力补充区位于碱洗塔右上部。

其中，碱洗塔高径比为2-3:1。碱洗塔形状上似罐体，烟气进入塔体内后，由于直径变大上升速度放缓，喷淋液与气体接触时间增长，提高了吸收效果。

其中，急冷区位于碱洗塔左上部，管口进除盐水，逆流上喷，对管道内气体喷淋拦截、形成高密度水帘，降低烟气温度，使之由饱和温度降至65-70℃(优选约68℃)。

其中，混合区位于急冷区下方，即碱洗塔左下部。混合区为根据文丘里混合原理设计。混合区分为上下两组，每组均包括喷嘴喷淋系统、气体分布板、气流转向板、涡旋板、气流引向板。循环碱液通过混合区管口进入管道，喷淋管安装雾化喷嘴，经雾化喷嘴雾化为180-220μm(优选200μm)的小雾滴。雾化洗涤液和烟气充分混合，SO₂被吸收，烟气得到净化。在混合区的设计中充分考虑气液涡流混合，使得洗涤液与烟气充分接触，保证混合接触时间，减小设备体积，降低设备阻力。

其中，精碱洗区位于碱洗塔右下部。精碱洗区为大直径筒体，无填料，其底部为烟气分布板，中间是两组-四组(优选三组)循环碱液喷淋管，上部是丝网除沫器。烟气经急冷区和混合区文丘里混合初次脱硫后进入精碱洗区。底部烟气分布板，分布板材质是316，正三角开Φ20～Φ30孔，目的是使进入吸收塔的烟气分布更均匀。精碱洗区中间两组-四组循环碱液喷淋管，每组循环碱液喷淋管内按照每0.3M²安装一个雾化喷头的原则，布置塔内喷头数量。其中，当含有三组喷淋管时，最下方管口进液与烟气同向而喷，上方两管口进液与烟气逆向而喷，以进一步吸收烟气中的SO₂。精碱洗区上部是丝网除沫器，将烟气中的液相分离。

其中，换热区位于精碱洗区上方，即碱洗塔右中部。换热区由一组或多组换热管组成，管径大小为DN50-DN10。换热管采用正三角排列，管间距为1.5-2.5倍管径，优选为2倍管径。管内作为经精碱洗区处理后的烟气的通道，管外壳体作为初始待处理的含SO₂烟气的通道。为避免管壁冲蚀减薄，选316材质。脱硫烟气经精碱洗区气液分离后进入高温烟气换热区，烟气换热的目的是降低进塔的温度，减少脱盐水的耗量，提高净化烟气排大气的温度，减小烟气尾羽。

其中，动力补充区位于换热区上方，即碱洗塔右上部。动力补充区有引风口，以连接引风机。所述引风口为喇叭口状。

本发明还提供了一种利用上述碱洗塔来降低烟气中SO₂排放的方法，包括：使初始待处理的含硫烟气进入碱洗塔换热区，冷却后进入急冷区，在急冷区管口与除盐水逆向接触，对烟气进行急冷，再依次经过混合区、精碱洗区、换热区、动力补充区，最后经由烟囱排出。

其中，净化尾气经焚烧炉焚烧，并通过尾气换热器回收余热后变为含SO₂烟气进入碱洗塔换热区。

其中，碱洗塔塔底吸收液在循环泵的作用下在塔内循环。为保持循环液pH值，不断地向塔内补充氢氧化钠液，氢氧化钠溶液自配碱罐送至碱洗塔。

本发明所述降低烟气中SO₂排放的碱洗塔及利用该碱洗塔降低烟气中SO₂排放的方法具有以下优异技术效果：

(1)本发明通过对碱洗塔改进，取消单独的换热设备，集换热、急冷、碱洗于一体，节约投资，减少使用空间。

(2)本发明碱洗塔急冷区域设计成方形筒体，在换热后的方形管道中进行急冷，便于在同一管口布置多道喷淋管。

(3)本发明碱洗塔混合区设置多层文丘里结构板，增大气液混合强度，提高降温和脱硫的效果。

(4)本发明碱洗塔精碱洗区中，下部增设烟气分布板，使烟气更均匀分布在塔内；精碱洗区中设置空塔喷淋和雾化喷头，减少了塔内件和塔填料产生的压力降，增强了碱液对二氧化硫的吸收。

(5)本发明碱洗塔设置动力补充区，其连接引风机，使烟气获得助动力顺利从高烟囱排除，烟气中水蒸气在烟囱的攀升过程中冷凝，降低了烟雾“白龙”的形成条件。

(6)通过实施利用本发明的碱洗塔来降低烟气中SO₂排放的方法，含硫烟气经处理后，尾气中SO₂排放显著降低，最高值日均不超过20mg/Nm³，较大幅度的优于“GB 31570-2015”对硫磺装置的排放要求，也较大幅度优于山东省执行的小于50mg/Nm³的苛刻要求，减排效果明显，大大缓解各企业环保压力。

(7)对于利用本发明碱洗塔来降低烟气中SO₂排放工艺进行数月实践，结果表明，经过几个月的运行，硫磺装置运行平稳、能耗不高、腐蚀情况可控；在硫磺装置优化调整的基础上，其污水排放量也较小，对污水系统影响不大。

(8)现代化工业生产中无论是炼油，还是火力电厂产生的烟气中都含有大量二氧化硫，应用本发明的碱洗塔及方法来消除烟气中的二氧化硫，过程简单，投资小，效果明显，提高了SO₂吸收效果，减小烟气尾羽，降低设备腐蚀，满足装置达到长周期运转的要求。

附图说明

图1为本发明的碱洗塔以及利用该碱洗塔降低烟气中SO₂排放的方法的示意图。

图2为本发明的碱洗塔的急冷区和混合区的示意图。

图3为本发明实施例1应用本发明的碱洗塔前后的烟气排放对比图。

图4为本发明实施例2应用本发明的碱洗塔前后的烟气排放对比图

具体实施方式

下面结合说明书附图1-2来具体说明本发明的碱洗塔以及利用碱洗塔来降低烟气中SO₂排放的方法。

如图1所示，本发明所述利用碱洗塔(1)来降低烟气中SO₂排放的方法的具体流程包括：

在焚烧炉(25)内，将硫磺净化尾气(51)加热到550℃后转化为含SO₂烟气，其中的H₂S、COS等含硫物质经过燃烧全部转化为SO₂存在于烟气中，烟气通过尾气换热器(26)回收余热降温至255℃，由第一管线(31)经第一管口(41)进入换热区(11)。

在换热区(11)中，新进烟气与经过碱液洗涤的净化烟气换热后降至150℃左右，由第二管口(42)进入急冷区(12)和混合区(13)。

烟气先后急冷区(12)和混合区(13)中，与来自第二管线(32)的除盐水(52)(由第三管口(43)进入急冷区(12))和来自第三管线(33)的循环碱液(由第四管口(44)和第五管口(45)进入混合区(13))喷淋碰撞，充分冷却混合后温度达到70℃左右，由第六管口(46)进入精碱洗区(14)。

在精碱洗区(14)中，急冷后的烟气中SO₂与来自第四管线(34)的循环碱液(由第七管口(47)、第八管口(48)、第九管口(49)进入精碱洗区(14))经过喷雾接触反应生成亚硫酸盐，烟气中SO₂与碱液不断反应，生成盐随液体沉降下来。精碱洗区中包括烟气分布板(29)。

在循环泵(22)的作用下，碱液在塔内循环。为保持循环碱液PH值在6.5-7.5范围内，通过碱液自配罐(53)由第五管线(35)经第十管口(410)不断地向塔内补充碱液。

在精碱洗区(14)中，上升的烟气与来自塔顶部第二管线(32)的除盐水(由第十一管口(411)进入精碱洗区(14))喷淋接触，洗涤烟气中的盐分，并补充因烟气携带水分造成塔内液位不稳定。烟气经过除盐水洗涤后温度降至58℃，经换热区(11)与管口烟气换热至74℃，排入碱洗塔顶部动力补充区(15)。

在动力补充区(15)中，引风机(27)将空气由第六管线(36)引入碱洗塔顶部动力补充区(15)中，补充烟气因温度降低带来的动力不足，补充动力后的烟气经第七管线(37)进烟囱(28)排向大气。

碱液通过循环泵(22)经第三管线(33)、第四管线(34)循环使用，废液通过第八管线(38)排出。碱洗塔循环碱液分出的含盐废水，经第八管线(38)进入氧化罐(24)，空气(54)由第九管线(39)进入氧化罐(24)进行曝气，同时注新鲜碱液调整PH值后，由第十管线(310)进入污水厂(55)处理。

图1附图标记列表：1：碱洗塔11:换热区12：急冷区13：混合区14：精碱洗区15：动力补充区22：循环泵23：泵24：氧化罐25：焚烧炉26:尾气换热器27：引风机28：烟囱29：烟气分布板31：第一管线32：第二管线33：第三管线34：第四管线35：第五管线36：第六管线37：第七管线38：第八管线39：第九管线310：第十管线41：第一管口42：第二管口43：第三管口44：第四管口45：第五管口46：第六管口47：第七管口48：第八管口49：第九管口410：第十管口411：第十一管口412：第十二管口413：第十三管口51：尾气52：除盐水53：碱液自配罐54：空气55：污水厂

图2是本发明的碱洗塔的急冷区和混合区的示意图，其中，各附图标记分别表示：71：急冷区，72：喷嘴喷淋系统，73：气体分布板，74：气流转向板，75：涡旋板，76：气流引向板。

实施例1

某炼化企业硫磺回收装置，装置设计规模为10万吨/年，操作弹性为30％～130％，年操作时间为8000小时。硫磺装置由Claus制硫系统、尾气处理系统、尾气焚烧系统、液硫脱气系统组成。装置烟气SO₂排放浓度在90～150mg/Nm³。目前装置停工期间由于采用传统停工工艺会有大量SO₂排出，不能满足环保法规要求，需进行装置改造。我们采用本发明的碱洗塔及本发明的降低烟气中SO₂排放的方法，在烟气焚烧炉后加本发明碱洗塔工艺，增加碱洗塔、氧化罐、引风机等设备，烟气中SO₂浓度月排放量显著降低，结果如图3所示。从图3中可以看出，投用本发明的碱洗塔及工艺后，烟气SO₂月均值为12.1mg/Nm³；而没投用前烟气SO₂月均值107mg/Nm³，这表明碱洗装置投产后SO₂下降效果明显。

实施例2

某炼化企业4万吨/年硫磺回收装置，采用部分燃烧、两级转化CLAUS(克劳斯)制硫工艺，CLAUS尾气处理采用加氢还原吸收硫磺回收尾气处理技术。目前，平常生产时装置烟气SO₂排放浓度在90～120mg/Nm³。但在运行过程中，仍存在以下问题：

首先是硫磺原料气源不稳定，炼油上游装置波动和含CO₂较高的气源均对烟气中SO₂含量超高产生较大的影响，含量在200～600mg/Nm³范围波动。

其次硫磺装置传统的停工用燃烧后的烟气对硫磺系统内的残硫进行吹扫，期间克劳斯尾气通过跨线直接去焚烧炉，系统内的残硫和FeS发生反应，生成大量SO₂直接排放烟囱，排放浓度高(10000mg/m³以上)，对环境影响大，烟气严重超国家标准(小于100mg/m³)。

为此，根据本发明的装置及工艺，在焚烧炉后增设烟气碱洗工艺，增加碱洗塔、氧化罐、引风机等设备，烟气中SO₂排放浓度在8～15mg/Nm³，一年运行平均值小于12mg/Nm³。

图4表明该厂硫磺装置停工期间以往一个月烟气SO₂排放数据与新上本发明碱洗装置一个月数据对比。由上图2可见，碱洗装置投产使用后烟气中SO₂浓度降幅达90％以上。

Claims (10)

1.一种降低烟气中SO₂排放的碱洗塔，其特征在于：所述碱洗塔包括急冷区、混合区、精碱洗区、换热区和动力补充区，其中，所述碱洗塔包括左右两侧，急冷区位于其中一侧上部，混合区位于急冷区同侧下部，精碱洗区位于不同于急冷区和混合区的碱洗塔另一侧的下部，换热区位于精碱洗区同侧中部，动力补充区位于精碱洗区同侧上部。

2.如权利要求1所述的碱洗塔，其中，碱洗塔高径比为2-3:1。

3.如权利要求1所述的碱洗塔，其中，急冷区管口进除盐水，对进入急冷区的烟气喷淋拦截，以降低烟气温度。

4.如权利要求1所述的碱洗塔，其中，混合区为根据文丘里混合原理设计。

5.如权利要求4所述的碱洗塔，其中，混合区分为上下两组，每组均包括喷嘴喷淋系统、气体分布板、气流转向板、涡旋板、气流引向板。

6.如权利要求1所述的碱洗塔，其中，精碱洗区底部为烟气分布板，中间是两组-四组环碱液喷淋管，上部是丝网除沫器。

7.如权利要求1所述的碱洗塔，其中，换热区由一组或多组换热管组成，管内作为经精碱洗区处理后的烟气的通道，管外壳体作为初始待处理的烟气的通道。

8.如权利要求1所述的碱洗塔，其中，动力补充区有引风口，以连接引风机。

9.一种利用权利要求1-8任一所述碱洗塔来降低烟气中SO₂排放的方法，包括：使初始待处理的含硫烟气进入碱洗塔换热区，冷却后进入急冷区，在急冷区管口与除盐水逆向接触，对烟气进行急冷，再依次经过混合区、精碱洗区、换热区、动力补充区，最后经由烟囱排出。

10.如权利要求9所述的降低烟气中SO₂排放的方法，其中碱洗塔塔底的碱液在循环泵的作用下在塔内循环。

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