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(池州學院，安徽 池州 247000)

隨著我國工業(yè)化程度的快速發(fā)展，近幾年大氣環(huán)境污染引起的大范圍霧霾席卷著我國的許多地區(qū)，嚴重影響了人民群眾的生活質量[1，2]。據環(huán)保部門在其官方網站公布的數據顯示，在2015年至2016年期間，某重工業(yè)城市空氣質量指數(AQI)連續(xù)多次突破500。AQI的指數連續(xù)爆表，所帶來的社會隱患不容忽視。增加抗霾力度，從污染源著手凈化大氣環(huán)境勢在必行。有害氣體的排放是造成空氣污染的主要因素，而含硫工業(yè)廢氣源是導致霧霾問題的重要元兇之一。目前，我國對含硫廢氣的治理程度還滿足不了創(chuàng)建高質量清潔環(huán)境的需求，環(huán)境保護監(jiān)管制度和治理技術需“雙管齊下”，以高效消除污染源，還人民一個綠色健康的大氣生活環(huán)境[3，4]。

1 工藝技術方案

1.1 克勞斯反應基本原理

在含硫酸性氣體的處理工藝中，常采用克勞斯硫回收裝置，處理過程中使酸性氣中的H2S轉變?yōu)閱钨|硫[5，6]。反應機理如下所示：

3H2S+3/2O2=cat/570～600K

=3/xSx+3H2O+615kJ/mol

隨著科技的發(fā)展，傳統(tǒng)的克勞斯硫回收工藝已經不適用于更好地處理含硫廢氣。20世紀30年代后，德國法本公司對傳統(tǒng)克勞斯工藝進行了改良，將H2S的部分氧化分兩階段完成。改良克勞斯工藝對于酸性氣體中H2S濃度大于50%的混合氣處理效果較好，燃燒的轉化率高。在燃燒爐內將60%～70%的H2S轉化為氣態(tài)硫，余下30%～40%的硫化氫中的三分之一燃燒成SO2，并保證氣流中H2S與生成的SO2摩爾比為2∶1，以達到低溫催化反應的要求條件。

1.2 克勞斯硫回收工藝特點

克勞斯硫回收工藝主要回收脫硫過程中產生的含H2S氣體，并將其轉化為硫，以實現物質的資源化利用。該回收工藝具有良好的經濟效益，同時可解決工業(yè)廢氣對大氣的污染問題[7，8]，實現資源化和環(huán)保雙贏目標?？藙谒沽蚧厥展に嚲哂辛鞒毯唵?、操作靈活、投資費用低等優(yōu)勢，其回收硫磺的純度可達到99.8%[9]。

2 廢氣處理工藝流程

2.1 廢氣參數

本項目處理的含硫廢氣參數見表1。

表1 廢氣組成列表

2.2 工藝方案

本項目依據測量的廢氣參數，綜合考慮選用旋轉RTO焚燒技術結合克勞斯硫回收工藝，以COS、CH4S、C2H6S、H2S等廢氣作為原料，通過進行尾氣處理回收產品硫磺，可有效處理廢氣，防止污染，該工藝具有以下優(yōu)點。

(1)操作合理、所得產品純度高。在廢氣初處理工段，利用水洗塔簡單凈化混合廢氣，使后階段所得產品純度更高。在初處理工段中采用兩相逆向流填料吸收塔。即在通風機的動力作用下，使混合廢氣從洗滌塔塔釜的進氣口沿切向方向鼓入，充滿進氣段空間，在風力作用下通過均流段上升到第一級填料吸收段。該廢氣初處理工段采用水洗操作，可有效去除廢氣中殘留的顆粒物。

(2)設備先進，操作簡單。利用新型先進設備旋轉RTO 對初步凈化后的廢氣進行焚燒，分解率高至99%，該焚燒工藝總投資和占地面積較小，工作方式簡單。

(3)原料充足。本項目依附于某石化公司建立而成，對原廠煉油產生的廢氣加以處理，原料氣充足，尾氣處理最后會生成大量的水，可用于初處理工段的水洗塔中，減少資源浪費。

(4)催化劑具有突出優(yōu)點。加氫反應工段所使用的催化劑型號為CT6-5B，其為鈷鉬加氫催化劑，具有活性高、適應性強、磨耗低的特點，可大大提高原料利用率，符合工業(yè)生產實際需求，達到了節(jié)約資源和成本的需求?？藙谒狗磻ざ嗡玫拇呋瘎檠趸?，該催化劑的允許接觸時間短，處理量更大，同時抗氧化中毒能力增強。

本含硫廢氣處理項目的工藝流程包括：廢氣洗滌初處理工段、廢氣焚燒工段、SO2加氫還原工段、克勞斯硫回收工段四個工段。通過Aspen Plus軟件模擬，確定工藝參數，對工藝進行初步調優(yōu)。Aspen Plus軟件優(yōu)化得到的總工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程

2.2.1 廢氣初處理工段

該工段利用水洗塔初步凈化混合廢氣，設定塔內反應溫度60℃，廢氣從塔體下方進氣口沿切向進入水洗塔，混合廢氣在通風機的作用下，迅速充滿進氣段空間，然后通過均流段上升到第一級填料吸收段。洗滌一段時間后，后塔釜流出的溶液再經分離器進行硫分離，使后續(xù)階段所得產品純度更高。過程采用靈敏度分析工具做工藝參數優(yōu)化，確定適于初處理工段的相對最優(yōu)工藝參數，優(yōu)化確定吸收塔理論塔板數為10塊，吸收劑最佳流量為3 960kg/h。

2.2.2 廢氣焚燒工段

利用旋轉RTO技術對初步凈化后的廢氣進行焚燒，焚燒爐內溫度為800℃，壓力為0.5MPa(a)。在焚燒過程中將旋轉RTO的蓄熱體設置分格板，即將蓄熱體床層分為多個獨立的扇形區(qū)。焚燒開始時，廢氣從底部經進氣分配器進入預熱區(qū)，將廢氣預熱到一定溫度后進入頂部燃燒室完全氧化。該旋轉RTO焚燒工藝利用蓄熱材料儲存的熱量，使待處理混合氣升溫在760～850℃左右，將混合廢氣氧化分解成水、二氧化碳、二氧化硫，含硫廢氣分解率高達99%。

2.2.3 SO2加氫還原工段

該工段使用CT6-5B鈷鉬加氫催化劑將旋轉RTO焚燒爐氧化出的二氧化硫催化還原成硫化氫，為后續(xù)克勞斯硫回收工段提供原料。在加氫反應器內設定溫度為325℃，壓力為0.5MPa(a)。此反應使用的催化劑活性高、適應性強、磨耗低，可大大提高原料利用率，符合工業(yè)生產實際需求，達到了節(jié)約資源和成本的需求。

2.2.4 克勞斯硫回收工段

(1)熱反應階段。熱反應工段使混合廢氣與一定量的空氣充分混合后進入主燃燒爐，維持爐膛溫度為1 200～1 300℃。該燃燒爐內溫度為1 250℃，壓力為0.5MPa(a)。主要反應式如下：

H2S+1/2O2=S+H2O+Q

(1)

H2S+3/2O2=SO2+H2O+Q

(2)

2H2S+SO2=3S+2H2O+Q

(3)

(2)催化反應階段。燃燒后得到的高溫氣經過高效冷凝器冷凝后，依次進入一級、二級、三級反應器，并在高效催化劑作用下發(fā)生克勞斯反應。一級反應器內溫度為361℃，壓力為0.045MPa(a)；二級反應器內溫度為242℃，壓力為0.041MPa(a)；三級反應器內溫度為220℃，壓力為0.039MPa(a)。反應式如下：2H2S+SO2=3S+2H2O+Q。

經過以上一系列處理及反應之后，脫硫效率高達99.74%，達到項目最初目的。

3 能量集成與主要塔設備、反應器校核

3.1 能量集成設計

在化工生產流程中，分離過程是能耗占比最大的部分。所有的分離過程都需要以熱或功的形式加入能量，其費用與設備折舊費相比占首要地位，是生產操作費用的主要部分。因此，利用Aspen Energy Analyzer V7.2進行計算機輔助換熱網絡的設計及優(yōu)化，結合工藝要求，兼顧操作費用和設備費用，以實現經濟效益最大化的目標，來指導熱量集成網絡的設計和優(yōu)化。經過能量的集成和夾點分析，在初始換熱網絡的基礎上，綜合考慮設備費用和投資成本，優(yōu)化全局換熱網絡。

由全局換熱網絡的模擬結果可以看出，經能量集成后，換熱網絡的操作費用和總費用大大降低(見表2)。

表2 全局優(yōu)化換熱網絡模擬結果(最小費用)與初始化換熱網絡對比

注： 1.Operating(Cost/s)為操作費用，單位為＄/s，年處理時間為28800000s，Capital(Cost)為設備投資費用，單位為＄/s。Total Cost為年度總費用，數值為負值表示采用外部公用工程提供熱量所產出的費用；2.該數值為Aspen Energy Analyzer V7.2軟件計算的數據，作為能量集成的可行性驗證依據；3.過程中引入是外部公用工程增加設備投資費用Capital(Cost)，因此該數值不具有加和性。

因此，可以看出全局優(yōu)化換熱網絡的操作費用和總費用均比初始化換熱網絡要少，大大節(jié)約了工廠開支?？梢?，熱量集成技術是實現高效、高產化工工藝流程的重要手段。

3.2 主要塔設備和反應器校核

本文采用Cup-Tower軟件對吸收塔T0101強度校核，校核確定該塔負荷性能見圖2。由圖可以看出，塔板操作符合下限為21%，操作上限達63%。所設計塔的操作負荷在變化區(qū)間內。采用SW-2011對主要反應器和換熱器進行校核。校核結果表明，反應器和換熱器設計均符合設計要求。

圖2 T0101負荷性能

5 結語

本項目設計處理10萬t/a含硫廢氣處理工藝流程，脫硫率高達99.74%，且可回收6.6萬t硫磺。采用Aspen Plus設計模擬工藝流程，廢氣工藝流程分成四段工藝處理，并使用Cup-Tower和SW-2011軟件校核設備的可行性。研究結果表明：項目工藝設計合理，脫硫效率高且無二次污染，設備選型先進，經濟合理，符合生產實用性等原則，脫硫率符合國家標準，建設規(guī)模符合國家總體規(guī)劃和區(qū)域開發(fā)計劃的要求。通過運用夾點技術進行冷熱流股間的換熱網絡設計，充分利用各工段的熱量，節(jié)約成本。

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