硫黃制酸裝置尾氣煙囪冒大煙工藝故障快速診斷方法

王 軍，王彥淳

（1.新洋豐農業科技股份有限公司，湖北荊門448150；2.青島科技大學，山東青島266001）

硫黃制酸裝置尾氣煙囪冒大煙是比較常見的工藝現象，冒大煙會導致酸霧量劇增，污染空氣，且感官不佳，需要立即找到問題的根源并解決。尾氣冒大煙的原因很多，查找問題比較費心費力，如果沒有明確快速的判斷方法，會延長處理時間，導致環境污染加劇，產生經濟損失。筆者通過多年的生產實踐，總結出一套行之有效、簡單快速的尾氣煙囪冒大煙的工藝故障快速診斷方法。

1 尾氣煙囪冒大煙的原因分析

尾氣煙囪冒大煙的原因一般有3種：①進入吸收塔的SO3煙氣含有水分，SO3與水形成的酸霧不能被吸收，從尾氣煙囪排出時冒大煙；②吸收塔的工藝指標不達標，導致吸收率下降，沒有被吸收的酸霧從尾氣煙囪排出冒大煙；③尾氣吸收塔的工藝指標不達標，如采用氨法脫硫工藝的尾氣吸收塔，因脫硫液pH值高或加氨過量，導致氨逃逸，遇到水含量大、氣溫低的外界環境時尾氣中的氨氣與水結合形成氨霧，氨霧與酸霧一樣會導致尾氣冒大煙。

1.1 進入吸收塔的SO3煙氣含有水分

進入吸收塔的SO3煙氣帶水主要有以下3種情況：

1）原料硫黃含有有機物或液硫水含量高。原料硫黃含有有機物，其中的碳氫化合物燃燒生成水，水與SO3結合生成酸霧。液硫中水含量高，蒸發時間短，水分未揮發干凈或者蒸汽盤管泄漏蒸汽造成SO3煙氣中帶水，水與SO3結合生成酸霧。當原料硫黃中的有機物含量高時，焚硫爐出口的水含量比進口高20～50倍，可以在焚硫爐進口和出口分別檢測煙氣中的水含量，根據水含量調整硫黃的供貨商和產地，盡可能降低其中的有機物含量。如果是液硫水含量高，可以增加熔硫攪拌時間和液硫澄清時間，讓其中的水分充分揮發。

2）干燥塔干燥效果差，煙氣水含量升高。根據干燥塔的水分分析數據，調整上塔酸流量或適當提高干燥酸的濃度。清洗干燥塔填料，降低阻力，增大氣液接觸面積。

3）鍋爐系統（鍋爐本體或省煤器、過熱器等）發生水或者蒸汽泄漏，水分進入煙氣，使煙氣水含量升高。硫黃制酸裝置火管鍋爐的水側壓力為3.8 MPa左右，煙氣側壓力為30 kPa左右，一旦鍋爐發生爆管，大量爐水噴射進入煙氣中，煙氣中的SO3與水結合產生大量酸霧，會對后續設備產生嚴重腐蝕，還會造成煙囪尾氣冒大煙，給安全、環保帶來較大影響。鍋爐爆管時會出現以下異?，F象：①鍋爐爐尾部煙氣溫度不斷下降；②鍋爐給水量變大；③尾氣煙囪冒大煙；④一吸塔或者高溫吸收塔（低溫余熱回收系統）進口的煙氣溫度不斷上漲，溫升超過15 ℃；⑤低溫余熱回收一級循環酸濃度下降，稀釋噴射水減少，鍋爐漏水較大時，一級循環酸濃度無法維持，低限報警；⑥一吸塔或高溫吸收塔出口、二吸塔出口的煙氣排放檢查口處有明顯煙霧；⑦轉化器各段溫度失控，不正常上升或下降，鍋爐爐水泄漏量較小時轉化溫度上升，泄漏量較大后轉化溫度會嚴重下降；⑧在省煤器底部檢查閥有冷凝酸排出（停車后才能看到）。當上述現象中的①、③、④、⑤同時出現時，可判斷鍋爐已發生爆管[1]。

1.2 吸收塔的吸收率下降

吸收塔的工藝指標不達標，會導致SO3的吸收率下降。根據生產實踐，當吸收塔的吸收率高于99.7%時，二吸塔出口肉眼看不到煙；當吸收率為99.5%時，二吸塔出口肉眼可見冒小煙；當吸收率低于99.0%時，二吸塔出口肉眼可見濃煙。造成吸收塔的吸收率下降主要有以下幾種情況：

1）吸收酸濃度過高或者過低。一般正常循環酸量和酸溫情況下，一吸塔下塔酸w(H2SO4)比上塔酸高0.3～0.5個百分點，二吸塔下塔酸w(H2SO4)比上塔酸高0.1個百分點左右，一吸塔上塔酸w(H2SO4)達到99.3%以上時下塔酸成為發煙硫酸，SO3的氣體平衡分壓逐漸增大，SO3從硫酸中揮發出來進入煙氣。吸收酸不僅不能吸收SO3，反而增加了煙氣中SO3的濃度，使SO3吸收率大大下降，導致尾氣煙囪冒大煙。由于SO3冒出煙囪后還會與空氣中的水結合生產酸霧，因此大煙的拖尾越來越大。當吸收酸w(H2SO4)低于96%時，水蒸氣的平衡分壓逐漸增大，水從硫酸中揮發，進入煙氣中與SO3結合成酸霧，導致煙囪冒大煙，但是由于SO3與空氣中的水結合量不高，這種大煙的拖尾前后基本一樣大。研究表明，吸收酸w(H2SO4)在98.3%時，水蒸氣和SO3的平衡分壓最低，吸收效率最高[2]，因此要控制吸收酸w(H2SO4)在98.3%左右，不能過高或過低。低溫余熱回收一級吸收酸控制w(H2SO4)在99.0%左右。

2）吸收酸溫度過高或過低。吸收酸溫度對吸收率的影響較大，通過生產實踐可知，吸收酸溫度高于60 ℃時吸收效果較好，低于50 ℃時則溫度越低吸收效果越差，且溫度低時比溫度高時冒煙要嚴重。這是因為吸收酸溫度過低，硫酸的黏度增大，傳質慢，流動性差，填料表面的浸潤效果差，使吸收速率減小，導致吸收效果不好，SO3從煙囪冒出。然而，當吸收酸溫度高于90 ℃時，吸收效果會越來越差，因為隨著溫度的升高，硫酸中的水分會揮發出來，進入煙氣中與SO3結合生成酸霧。因此，在開車過程中吸收酸溫度要控制在合適的范圍，一般以60～80 ℃為宜。

3）上塔酸流量不足。上塔酸流量不足，會導致填料未被充分浸潤，氣體短路，SO3未被吸收，還會導致下塔酸濃度上升幅度大，上下塔酸溫差大。上塔酸流量合適與否可以用上下塔酸的溫度差和濃度差評估。一般情況下，吸收塔上下塔酸的溫差在20～30 ℃，下塔酸w(H2SO4)比上塔酸高0.3～0.5個百分點；干燥塔上下塔溫差在8～15 ℃，下塔酸w(H2SO4)比上塔酸低0.3～0.5個百分點。上塔酸流量如果過大，酸泵過負荷，氣液對流阻力增加，塔阻力上升，對吸收、傳質不利，制約生產負荷，還可能增加液泛事故發生的幾率。因此，要根據上下塔酸溫差20～30 ℃和硫酸質量分數差0.3～0.5個百分點的原則控制合適的上塔酸流量。酸泵跳閘也可以歸為上塔酸流量不足的情況，而且是嚴重不足。

4）進塔煙氣溫度過高或過低。進塔煙氣與塔底部的硫酸接觸時，若煙氣溫度過高，高于出塔酸100 ℃以上時，在氣液接觸過程中，硫酸中的水分被高溫煙氣蒸發[3]，SO3與水結合生成酸霧的速率增加，產生的酸霧通過填料層時不能被吸收，導致酸霧從煙囪冒出。若進塔煙氣溫度過低，當低于140 ℃時，達到SO3的露點，SO3會冷凝成酸霧，產生的酸霧通過填料層時也不能被吸收，導致酸霧從煙囪冒出。

1.3 尾氣吸收塔氨逃逸

尾氣吸收塔的工藝指標不達標也會導致尾氣煙囪冒大煙。尾氣吸收塔的處理工藝不同，尾氣煙囪的煙羽也不同。用雙氧水、堿洗滌脫硫的尾氣煙羽較??；用氨水作為脫硫劑時，如果pH值控制較高或氨水加入過量，會導致氨逃逸，逃逸的氨在水含量大、氣溫低的外界環境中，與大氣中的水結合形成氨霧，導致煙囪冒大煙。

2 尾氣煙囪冒大煙工藝故障快速診斷方法

筆者通過對上述3種尾氣煙囪冒大煙的情況進行原因分析，根據多年的生產實踐經驗，總結出一套尾氣煙囪冒大煙的工藝故障快速診斷方法，診斷流程見圖1。

圖1 尾氣煙囪冒大煙診斷流程

如圖1所示，除了濃酸循環泵跳閘之外，不論什么原因導致的煙囪冒大煙，都應迅速查看吸收塔出口的煙氣顏色，確定冒煙的塔，再查看上游設備的工藝參數，確定是吸收塔本身的問題，還是上游設備的問題。通過這個方法，可以迅速找到尾氣煙囪冒煙的原因，縮短冒煙的時間，減少環境污染，特別是配套有硫酸低溫余熱回收的裝置，如果是上游的鍋爐或者省煤器泄漏導致煙囪冒大煙，若不能迅速判斷及時處理，會導致后續的低溫余熱回收設備嚴重腐蝕，甚至報廢，損失慘重。

筆者所在的工廠曾多次發生煙囪冒大煙的現象，有的是由吸收塔酸濃度過高或過低導致的，有的是由上塔酸循環量不足導致的，有的是由省煤器泄漏導致的，有的是鍋爐爆管導致的。筆者采用該方法，均在幾分鐘內就能確定煙囪冒煙的原因，并找到泄漏的設備或者不正常的工藝指標，及時進行處理，煙囪冒煙時間短，經濟損失較小。

3 硫黃制酸裝置煙囪冒大煙快速處置案例

筆者遇到3次硫黃制酸裝置的鍋爐爆管導致的煙囪冒煙事故，以其中一次配套低溫余熱回收的硫黃制酸裝置尾氣煙囪冒煙處置為例，對工藝故障快速診斷方法的應用進行介紹。

該硫黃制酸工藝流程見圖2。

圖2 硫黃制酸工藝流程

尾氣煙囪冒大煙事故的經過如下：

1）21:07鍋爐出口煙氣溫度從370.5 ℃開始緩慢下降。

2）21:13低溫余熱回收裝置的高溫吸收塔（一吸塔）進口煙氣溫度從197 ℃開始上升，塔出口的煙氣溫度為76 ℃，較穩定。二吸塔進口的煙氣溫度從207.8 ℃開始緩慢上升。高溫吸收塔一級循環酸w(H2SO4)從正常值99.09%[工藝指標要求w(H2SO4)在99.0%～99.1%]開始下降。

3）21:17硫酸低溫余熱回收崗位發現一級循環酸濃度下降，開始調整濃酸稀釋噴射水量，流量由4.12 m3/h減至3.7 m3/h。

4）21:32一級循環酸濃度最低達到98.61%，21:38噴射水流量降低到3.0 m3/h，一級循環酸w(H2SO4)穩定在98.6%以上，在該過程中煙囪開始冒煙并逐漸變為大煙。

5）21:58筆者到達生產現場，檢查高溫吸收塔出口有少量白煙，二吸塔出口有白煙，尾氣煙囪冒大煙，查看鍋爐尾部煙氣溫度下降，高溫吸收塔進口煙氣溫度上升，判斷該事故原因是鍋爐爆管，立即通知生產崗位緊急停車。

6）22:00硫黃制酸系統關停主風機，系統停車。

事后調看DCS工藝參數歷史記錄，具體情況為：22:00停車時，鍋爐出口煙氣溫度為354.5 ℃，緩慢降低了約16 ℃；高溫吸收塔進口煙氣溫度為228.4 ℃，升高了約31.4 ℃；二吸塔進口煙氣溫度為217.1 ℃，升高了約9 ℃；21:41轉化器一段進口煙氣溫度為423.5 ℃，隨后開始緩慢上升，最高達425.6 ℃，上升不明顯，轉化系統其他溫度均無明顯變化。

打開鍋爐檢查發現，鍋爐蒸發管束爆管1根，爐水從爆管處噴射進入1 000 ℃左右的高溫SO2煙氣中，起到了降溫效果，導致鍋爐出口的煙氣溫度緩慢下降。高溫吸收塔進口煙氣的溫度升高而不是降低，筆者分析其原因是：高溫吸收塔進口的φ(SO3)高達10%左右，與水結合生成硫酸放出熱量，導致進塔煙氣的溫度升高幅度大，經省煤器降溫后，酸霧量也會增加。二吸塔煙氣的SO3濃度低，進塔煙氣的溫度溫升較一吸塔進口小。

通過該案例可以看出，鍋爐爆管發生泄漏時，鍋爐出口的煙氣溫度下降較慢，高溫吸收塔進口的煙氣溫度升高最快，幅度最大；二吸塔進口的煙氣溫度升高趨勢較鍋爐慢，幅度較??；轉化器催化劑床層的溫度小幅升高，溫升不明顯。由于發現及時，鍋爐爆管1根，造成高溫吸收塔一級循環酸的濃度下降，尾氣煙囪冒大煙。如果發現不及時，鍋爐爆管會導致爆管口周邊的蒸發管束遭受高溫腐蝕及沖刷，更多的管束會相繼爆管，造成嚴重的后果：①大量爐水進入SO2煙氣中形成水蒸氣，對后續低溫設備產生較大腐蝕；②大量爐水進入低溫余熱回收裝置的高溫吸收塔，使一級高溫循環酸濃度低于安全值，導致低溫余熱回收裝置的硫酸蒸發器、加熱器等設備在短時間內腐蝕穿孔；③造成轉化器內催化劑的水分增加，影響催化劑的活性；④煙囪尾部冒大煙，污染周邊大氣環境；⑤造成很大的經濟損失。

在此案例中，筆者通過煙囪冒大煙的工藝故障快速診斷方法進行判斷，及時發現鍋爐爆管是導致煙囪冒大煙的原因，及時進行停車處理，把損失降到了最低。

4 結語

硫酸裝置尾氣煙囪冒大煙為常見的工藝故障，縮短查找故障的時間，及時解決冒大煙的問題，可以很大程度地減少環保損失和經濟損失。在環保要求越來越高的情況下，除了對正常生產時期的工藝管理精益求精，出現異常時也要做到判斷準確、及時應急處置。由于每套裝置的生產工藝技術水平不同，在通常情況下，及時解決尾氣煙囪冒大煙的問題不是一件容易的事，有一種行之有效、快速診斷出故障的方法非常有必要，對提高生產管理水平和杜絕環保事故有較大幫助。該文介紹的硫黃制酸裝置尾氣煙囪冒大煙的工藝故障快速診斷方法簡單高效，準確率高，實用性強，在筆者多年的生產實踐過程中，每次均能快速、準確地找到故障位置，及時消除煙囪冒大煙的故障，值得推廣。