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江苏晟宜环保科技有限公司提醒您:
NH3与硫磺回收
 点击数:2395次 添加时间:2012-3-16  [关闭] [收藏]
    在硫磺回收装置中,NH3是一种具有重大影响力的物质。NH3会形成铵盐,堵塞管道和设备,严重时甚至迫使装置停工;此外NH3会形成NOx,它能促使SO2 转化为SO3,而SO3容易形成硫酸盐,沉积在催化剂床层上,引起催化剂失活。

1、NH3的反应机理

    NH3在燃烧炉中反应非常复杂,同时会发生氧化反应、分解反应,还会和SO2、CO2和S2发生反应。主要反应如下:

    氧化反应: 2NH3+3/2O2=N2+3H2O

    分解反应: 2NH3=N2+3H2

    与SO2反应:2NH3+SO2=2H2O+H2S+N2

    与SO2反应:2NH3+CO2=CO+H2O+2H2+N2

    与S2反应:2NH3+S2=H2S2+2H2+N2

1.1 NH3的氧化反应

    通常认为NH3在炉中分解为N2的反应是以氧化反应为主,但研究结果表明,氧化反应不可能是NH3转化为N2的主要途径。实验表明,各种反应发生的温度分别是:氧化反应为1200℃;与SO2反应在700℃时即已开始;分解反应当燃烧炉内水与氨含量为1:1时,NH3的热分解率在1200℃时低于20%。在燃烧炉反应条件下,反应速率从快到慢依次为:H2S最先与O2发生反应,其次是NH3与SO2的反应,最后才是NH3的分解反应。从反应温度和反应速率说明NH3的分解不是氧化反应为主。其他研究结果也证明了上述观点,在模拟酸性气燃烧炉工况条件下(气体停留时间为0.34~0.55s),NH3的氧化反应需在炉温达到700℃时才开始,炉温达到1100℃时转化率也仅为5.9%,1200℃为71.9%,直到1300℃才到99.8%。而H2S氧化为SO2的反应在300℃时即开始,炉温达到600℃时已经接近100%。所以氧化反应不可能是NH3在炉内分解的主要途径。

1.2 NH3与SO2的反应

    虽然NH3与CO2和S2都可以发生反应,但酸性气中NH3主要是通过与SO2的反应而被分解的。

不用温度下NH3SO2反应的产物分布

反应温度℃

停留时间s

SO2浓度V%

NH3浓度V%

SO2转化率%

NH3转化率%

700

0.87

2.9

3.8

5.0

6.0

1.39

2.0

2.6

32.4

34.3

2.79

1.6

1.9

48.0

52.5

800

0.42

2.7

3.6

8.7

10.0

0.53

2.7

3.5

11.5

13.0

0.79

2.1

2.7

28.7

32.0

1.26

1.8

2.2

40.7

45.0

900

0.19

2.8

3.7

5.6

6.5

0.29

2.5

3.3

17.0

18.5

0.48

1.6

1.9

48.0

51.5

0.72

1.3

1.5

56.7

62.5

1000

0.18

2.1

2.5

31.3

37.0

0.27

1.2

0.3

60.5

67.0

0.36

1.0

0.9

68.5

77.0

0.44

0.8

0.6

74.0

84.0

1100

0.16

1.3

1.3

55.3

68.0

0.25

0.9

0.4

70.8

90.0

0.33

1.0

0

66.5

99.0

0.41

1.0

0

66.3

100

1200

0.15

1.2

0.1

60.2

97.5

0.23

1.3

0

56.8

100

 

1.3 NH3的分解反应

    尽管NH3在1300℃的高温下有可能被全部分解,但由于过程气中大量存在的H2S及H2O对分解反应有强烈的抑制作用,即使在1300℃高温下,NH3的转化率仍不足50%,表明NH3的分解反应不是NH3分解的主要途径。

2、NH3反应完全的三要素

    影响NH3反应是否完全取决于以下三要素: 即常说的“3T”,停留时间(time)、温度(temperature)和混合强度(turbulence)。

2.1 温度

    温度是三要素中的基础,若温度达不到要求,再长的停留时间和再强的混合强度也达不到好的燃烧效果。NH3的主要反应中NH3的转化率都随着温度升高而增加,燃烧炉温度愈高,NH3反应愈完全。

    荷兰Jacobs公司在中型装置进行过燃烧炉温和剩余NH3浓度的试验,得出合适的燃烧炉温度是1300~1400℃,最低温度是1250℃,当温度为1200℃时残留NH3的浓度为1000×10-6(体积分数)。美国Worley Parsons公司认为最低温度是1204℃,完全分解温度是1537℃。

    此外所需温度和酸性气中含量也有关,NH3的含量越高,反应所需的温度也越高。意大利KTI国际动力技术公司交流中举例,有一组成为:H2A含量为63.7%,C2H6含量为2%,NH3含量为0.5%~1%的酸性气,反应所需最低火焰绝热温度是1350℃;当含量增至5%时,需要的最低火焰绝热温度增至1400℃。

2.2 停留时间

    Duiker燃烧过程公司建议气体在酸性气燃烧炉内停留时间为0.8~1.2s。资料介绍最少停留时间是0.6s。

2.3 气体混合强度

    主要取决于燃烧器的结构,它我完全反应的前提条件。通常硫磺回收装置可以接受NH3含量为(100~150)×10-6(体积分数),这种痕量级别的NH3含量对装置影响不大。

3、NH3分解注意事项

    总结国内近10年的的烧氨技术,特别注意一下问题:

    (1)重视含氨酸性气的输送问题。含氨酸性气输送温度通常需控制在90℃以上,过低易出现铵盐结晶而导致管线堵塞。目前国内通常采用以下3种伴热方式:蒸汽盘管伴热、夹套伴热和电伴热。

    (2)燃烧器的选择。由于目前国内烧氨燃烧器使用业绩不多,因此几乎全部都是引进。意大利NIGI公司、德国Lurgi公司、荷兰Duiker公司、加拿大AECOMRTRIC公司和英国Hamworthy公司,其中荷兰和加拿大较多。

    (3)含氨酸性气的分析方法。由于缺乏含氨酸性气中氨含量的分析方法,国内硫磺回收装置含氨酸性气中的氨含量都不是通过分析实测得到,而是通过酸性水汽提装置各组分的物料平衡计算而得到的,因此误差较大。

    如何判断硫磺回收装置烧氨是否彻底,过程气中的残余氨含量控制在多少才不会对下游系统造成危害,目前国内外尚未有一个统一的标准。随着硫磺回收装置要求操作周期延长的实际情况(普遍实行3年一修),烧氨后过程气中残余氨含量暂可参考国外数据,即控制在10×10-6(体积分数)以下,保证值为30×10-6(体积分数)。否则随着运行时间的延长,对操作将造成不同程度的影响。

    同含氨酸性气类似,过程气中的氨含量目前国内也无分析方法。烧氨后残留氨含量是否超标,目前只能从系统压降是否上升或停工检修期间通过检查相应的设备管线是否有铵盐等方面进行判断,时间上往往存在较大的滞后。

  (非常感谢作者李菁菁、闫振乾提供的文章!)