25 kt/a 废酸再生装置废酸裂解炉的设计

宋丰来

（中石油华东设计院有限公司，山东 青岛266071）

近年来，我国开始推行汽油国V 标准，烷基化油是一种良好的油品调和剂，国内众多石化企业陆续增置烷基化装置来生产烷基化油。但是烷基化装置的开工生产必然产生大量的废酸，随着国家对环保的日益重视，解决废酸的污染迫在眉睫。废酸再生装置的投建势在必行，既能制取硫酸，降低硫酸的生产成本，又能解决环境污染问题。

国内某炼厂25 kt/a 废酸再生装置为300 kt/a 硫酸烷基化装置的配套项目，由奥地利PP 公司提供工艺包设计，裂解含烃、酯的废硫酸进行湿法制硫酸。废酸裂解炉是废酸再生装置的核心设备，废酸裂解炉主要包括燃烧器、废酸喷嘴、衬里及熔盐换热器等部件。

1 工艺简介

来自烷基化装置的废硫酸经过增压后喷入废酸裂解炉中，利用瓦斯与空气混合燃烧后获取的热量，高温下分解还原制得SO2炉气，裂解炉炉膛温度为1 000～1 100 ℃，经废热锅炉回收热量后，温度降至350 ℃，进入下一工序。当废硫酸量不足时，再引入部分含H2S 的酸性气参与燃烧，以满足装置的生产要求。因此要求废酸裂解炉既能裂解废酸，又能燃烧H2S 气体。废酸再生的工艺技术实质上就是高温裂解85%～90%的w（H2SO4），再生成98%的w（H2SO4），供烷基化装置循环使用。

2 废酸再生的反应机理

2.1 废硫酸裂解

2.2 SO2的转化

在催化剂的作用下，SO2在400～600 ℃下转化为SO3。

2.3 吸收

SO3与水化合成H2SO4蒸气，再冷凝成液态硫酸。吸收塔中的硫酸经过吸收烟气中的SO3，浓度提高，保证成品w（H2SO4）的浓度在98%以上。

3 废硫酸裂解炉设计条件

废硫酸裂解炉设计条件见表1。

表1 废硫酸裂解炉设计条件

4 废硫酸裂解炉

4.1 废硫酸裂解炉结构简图

废硫酸裂解炉结构如图1 所示。

图1 废硫酸裂解炉结构简图

4.2 废硫酸裂解炉结构设计

废酸裂解炉采用了正U 型结构，炉子分焚烧室和换热室两部分。焚烧室为立式圆筒结构，外形尺寸Φ3 430 mm×10 430 mm,燃烧器和废酸喷枪设置在圆筒形筒体顶部，换热室为立式矩形结构，外形尺寸（长×宽×高）3 260 mm×2 680 mm×12 689 mm，裂解炉底部采用烟气通道连接焚烧室和换热室。炉膛操作温度1 000～1 100 ℃，炉子采用负压操作，设计压力为+/-10 kPa（G），来自裂解炉焚烧室的高温烟气在换热室与两台熔盐换热器换热，将烟气冷却至500 ℃左右由换热室排出。为避免露点腐蚀，炉外壁温度设计控制在250～400 ℃范围内，壳体外壁设置了炉壁热电偶，在线监测炉外壁的温度情况，确保裂解炉的正常运行。此外，从安全操作方面考虑，在裂解炉壁板外表面还设置了岩棉外保温，使保温层外壁温度≤60 ℃。

5 废酸裂解炉主要部件材料的选择

5.1 裂解炉壳体

尽管裂解炉炉膛的操作温度在1 100～1 400 ℃范围内，但炉体设有内衬，壳体设计壁温严格控制在250～400 ℃的范围内，不存在高温硫腐蚀和露点温度腐蚀的问题，为减少投资，壳体选用强度较高的低合金钢材料（Q345R）即可满足要求。

5.2 熔盐换热器换热管、管板

由于熔盐换热器暴露在H2S、SO2及硫酸雾的酸性环境中,根据工艺包的要求，换热管的材质采用AISI 446，这种材质属于纯铁素体不锈钢，与奥氏体不锈钢相比，具有较高的抗应力腐蚀开裂（SCC）的能力；端管板材质采用抗酸性能比TP321 更好一些的TP347H； 下部换热器中间管板由于与高温烟气接触，管板材质采用高温机械性能更高一些的06Cr25Ni20，上部换热器中间管板由于与温度较低的烟气接触，管板材质采用抗酸腐蚀的06Cr19Ni10。

6 裂解炉衬里材料选择和结构设计

6.1 衬里材料

正常情况下，炉膛操作温度在1 000～1 100 ℃的范围内，但在风量控制不当或气量不稳定时，炉膛温度有可能达到1 400 ℃，因此衬里材料必须选取满足此操作条件的耐火材料，而且还要求衬里材料具有稳定的导热系数、 耐酸性能高和良好的抗热震稳定性。

由于炉膛内过程气中含有H2S、SO2、SO3和硫酸雾等多种酸性腐蚀成分，为抵抗酸性气腐蚀，不至于使衬里材料疏松、粉化，降低衬里材料的强度。必须对衬里材料中的Fe2O3及碱性物质的含量进行严格控制。

6.2 炉衬结构

目前国内废酸裂解炉炉衬的结构大致有两种。一种是“轻质隔热浇注料+高铝质可塑料（迎火面）”复合衬里，衬里锚固采用刚玉锚固砖和锚固钉相结合的结构。这种结构整体性好，具有良好的抗热震稳定性，而且投资低，施工简便，但对施工和烘炉要求比较高，要求施工时保持连续性。另一种是“轻质隔热浇注料+刚玉质耐火砖（迎火面）”复合，这种结构具有良好的抗高温和耐腐蚀性，但造价较高，砖结构也受炉子直径的限制，如果直径较大，砖整体结构的连接性降低，在较强的热冲击下上部耐火砖很容易脱落。

从过去我们设计的多套裂解炉的运行情况来看，炉衬设计采用“轻质隔热浇注料+高铝质可塑料（迎火面）”复合结构，未见衬里脱落现象，炉子运行平稳良好。两种耐火材料的性能见表2。

表2 耐火材料的性能

衬里厚度的设计，需根据壁温控制在250～400℃范围内的要求进行严格计算，防止炉壁产生露点腐蚀。

6.3 衬里伸缩缝的设置

耐火衬里在升温和降温过程中会产生膨胀和收缩，设置膨胀缝可以减少由于膨胀和收缩产生的二次应力，因此在衬里施工完毕后，须预留膨胀缝。通常在高温区每隔1 000～1 500 mm，预留5～6 mm 的膨胀缝，缝宽3 mm，不大于5 mm，深度不应超过浇注料衬里厚度的1/3。

7 燃烧器

燃烧器是废酸裂解炉的核心部件，它的工作环境比较苛刻，生产中要求既能烧炼厂瓦斯，又能焚烧含H2S 的酸性气，而且助燃空气高达500 ℃，同时又暴露 在高温和存在硫酸雾、SO2、CO2、H2O 等气体的环境中，很容易造成烧嘴腐蚀，因此与常规的燃烧器有些区别，其外壳材质采用06Cr19Ni10，烧嘴材质采用06Cr25Ni20，以达到长周期稳定运行的目的。对燃烧器操作的基本要求是火焰刚直有力，且具有强力混合和搅拌功能。

此外，从炉子操作的安全角度考虑，燃烧器须配两套紫外火焰检测系统，若有一套火检检测到炉膛无火焰时报警，若两套火检均检测到无火焰时，则立刻连锁切断燃料气源。

8 废酸喷嘴

废酸喷嘴也是废酸裂解炉的核心部件之一。其雾化效果的好坏，直接影响到废硫酸的裂解程度，如果雾化效果不好，未分解的硫酸会对裂解炉壳体造成严重腐蚀，同时还可能分解出单质硫，对下流设备产生堵塞，导致装置被迫停车。因此对废酸喷嘴的结构提出更高的要求，来满足将废酸完全雾化的要求。

考虑到废酸喷嘴受废硫酸的强腐蚀和受高温的影响，废酸喷嘴选用06Cr20Ni30Mo2Cu3 材质的铁镍合金不锈钢，这种材质在硫酸环境中有着非凡的耐酸腐蚀表现。

9 结语

废酸裂解炉是废酸再生装置的关键设备，裂解炉酸性气燃烧器的性能、废酸喷嘴的雾化效果、炉内部件材质的选择以及炉衬材质和结构的合理性直接影响到装置的正常生产。

因此，设计选用高强性能的酸性气燃烧器、雾化效果好的废酸喷嘴、合理的衬里结构和材料，严把筑炉施工关，是确保废酸裂解炉安全、可靠、长周期运行的关键。