尾气焚烧设备和尾气焚烧炉的制作方法

本实用新型涉及用于含硫尾气的尾气焚烧工艺和设备，特别是用于硫磺回收装置尾气的尾气焚烧工艺、尾气焚烧设备和尾气焚烧炉。

背景技术：

硫磺回收装置的尾气中含有一定量的硫化氢和有机硫化物，为满足污染物排放标准，必须焚烧后才能排放。由于尾气中可燃成分较低，必须补充燃料才能完全燃烧，将尾气中的硫化氢氧化成二氧化硫。目前采用的工艺方法为：从尾气吸收塔塔顶出来的净化尾气送入尾气焚烧炉焚烧，由燃料气流量控制炉膛温度一般在600℃左右；用焚烧炉鼓风机供给焚烧及冷却所需要的空气，尾气中残余的硫化氢及其他硫化物转化为二氧化硫。焚烧后的尾气经余热回收冷却后，进烟囱排放。

尾气焚烧的主要反应为：

S+O₂→SO₂

工艺条件(符号“～”表示“大约”)：

焚烧工艺介质(尾气)组分(％体积)：N₂：～84；H₂O：～6.8；H₂S：～0.01；CO₂：～5.77；H₂：～3.33；CO：～0.01(该组分的列示仅为示例性的，而非限制性的)；

焚烧工艺介质(含硫尾气)温度：～40℃；

焚烧炉出口温度：～600℃；

蒸汽过热器出口温度：～450℃；

气气换热器(或余热锅炉)出口温度：～280℃。

目前国内炼油化工硫磺回收装置尾气焚烧炉的操作温度一般在600℃左右。过程尾气的主体焚烧介质是H₂S，一种剧毒气体，允许排放浓度低于10ppm。H₂S的燃点不高，400℃左右，所以目前国内炼油化工硫磺回收装置尾气焚烧炉的操作温度一般在600℃左右，这个温度还兼顾到后面余热回收装置(例如蒸汽过热器)的工作温度，不能太高。600℃左右的焚烧温度对于燃点400℃左右的H₂S而言，理论上是能够将其几乎完全燃烧掉的。然而，生产实践中经常发现这样焚烧之后排放的烟气中存在H₂S超标的情况。这成为令人困扰的一种现象。

技术实现要素：

本实用新型的发明人发现，上述现象是由于以下原因造成的：

600℃左右的焚烧温度，对于单独的H₂S而言是能够将其完全燃烧的。然而，尾气中含有的组成介质如H₂、CO，以及焚烧炉中补充的燃料气(从燃烧器进入)中的重烃，它们的燃点较高，如CO最低燃点在650℃，H₂的燃点最低在585℃，正常燃烧温度远高于600℃，不能得到有效焚烧。同时，由于H₂、CO这些还原气体的存在，H₂S已燃烧生成的SO₂还会被局部还原回H₂S或单质S，从而导致实际排放不达标。

其中主要的还原反应为：

SO₂+3H₂→H₂S+2H₂O。

有鉴于此，本实用新型的目的是提供一种新型的用于焚烧来自硫磺回收装置的含硫尾气的尾气焚烧设备和尾气焚烧炉，以至少部分地解决上述问题。

根据本实用新型的一个方面，提供一种尾气焚烧设备，用于焚烧来自硫磺回收装置的含硫尾气，其包括：尾气焚烧炉，其用于焚烧尾气；和尾气加热器。尾气加热器具有烟气进口、烟气出口、尾气进口、尾气出口和换热管，所述烟气进口紧接地连接至所述尾气焚烧炉，所述尾气加热器用于使来自所述尾气焚烧炉的焚烧产生的烟气与待焚烧的尾气通过换热管的管壁进行热交换，以加热尾气，并使烟气降温，所述尾气加热器的尾气出口连接至所述尾气焚烧炉以便将被加热的尾气送往尾气焚烧炉中焚烧。

所述尾气焚烧炉可以包括炉膛和设置在炉膛前端并与之连通的燃烧器，所述尾气加热器的尾气出口可以连接至所述炉膛和所述燃烧器中的至少一者，以直接或间接地与炉膛连通。

所述尾气焚烧设备还可以包括设置在所述尾气加热器下游的余热回收装置，该余热回收装置的最高工作温温度不超过650℃。

根据本实用新型的另一方面，提供一种尾气焚烧炉，用于焚烧来自硫磺回收装置的含硫尾气，其包括：炉膛，用于焚烧尾气；以及尾气加热器。该尾气加热器包括开设在炉膛的侧壁上的尾气进口和尾气出口以及设置在炉膛后段中的换热管，用于使烟气与待焚烧的尾气通过换热管的管壁进行热交换，以加热尾气并使烟气降温，所述尾气出口与炉膛连通。

所述尾气焚烧炉还可以包括用于燃烧燃料气以提高炉膛温度的燃烧器，其设置在炉膛前端并与炉膛连通，所述尾气出口可以连接至炉膛和燃烧器中的至少一者，以直接或间接地与炉膛连通。

优选，所述尾气加热器还包括分别沿周向与所述炉膛的内壁密封地连接的前管板和后管板，所述后管板相对于前管板设置在更加靠近炉膛后端；并且，所述换热管包括沿着所述炉膛的前后方向延伸的多个换热管，该多个换热管的前端分别与开设在前管板上的多个烟气进口密封地连接，后端与开设在后管板上的多个烟气出口密封地连接。

优选，所述前管板的前表面敷设有耐火隔热层。

优选，所述前管板的烟气进口中设置有隔热套管，并且该隔热套管插入相应换热管的前端中以将换热管与烟气进口连接。

优选，所述后管板通过一伸缩环密封地连接至炉膛的内壁，所述伸缩环环向连接至所述后管板的外周并在所述炉膛的前后方向上具有弹性。

优选，所述多个换热管为横截面的长宽比大于10的扁平管，并且所述尾气进口和尾气出口设置为使得尾气沿所述换热管的横截面的长边流动。

根据本实用新型，通过提供使高温烟气与低温的待焚烧尾气之间的换热，加热尾气并使烟气降温，使得能够实现以下有益效果中的至少部分效果：

(1)使得能够提高尾气焚烧温度，例如可以提高至710-900℃，从而有助于将尾气中的可燃及有毒物质充分焚烧，为达标排放提供保证；

(2)利用烟气与尾气的热交换，能够使高温烟气降温，在焚烧温度提高至710-900℃的情况下，通过热交换例如可以将高温烟气降至550～650℃，这使得能够采用与现有工艺条件一致的余热回收装置，确保余热回收装置的工作可靠性；

(3)利用烟气与尾气的热交换，能够将高温烟气的富裕热量通过尾气直接回收利用带回炉膛，减少燃料消耗；此外，由于尾气中的可燃介质在更高的焚烧温度下更加完全地燃烧，使得在同等条件下能够节约燃料。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为根据本实用新型实施例的尾气焚烧工艺的示意图；

图2为根据本实用新型实施例的尾气焚烧设备的示意图；

图3为尾气焚烧设备的示意图，示出了根据本实用新型实施例的尾气焚烧炉；

图4为图3所示尾气焚烧设备的一种变型的示意图；

图5A和图5B示出了可用于图3和图4所示尾气焚烧炉的尾气加热器的一个示例，其中图5B示出沿图5A中截线A-A截取的剖面图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

以下首先参照图1介绍根据本实用新型第一实施例的尾气焚烧工艺。

图1为根据本实用新型实施例的尾气焚烧工艺的示意图。根据本实用新型实施例的尾气焚烧工艺特别适用于焚烧来自硫磺回收装置的含硫尾气，如图所示，该工艺可以包括以下处理：

P1：燃烧燃料气以提供或保持焚烧所需要的温度；

P2：焚烧含硫尾气；

P3：使焚烧产生的烟气紧接着与待焚烧的含硫尾气热交换，以加热尾气，并使烟气降温；

P4：将通过所述热交换被加热的尾气送去焚烧

P5：回收通过所述热交换被降温的烟气的余热。

对于处理P1，例如可以是将燃料气和助燃空气送入尾气焚烧炉前端的燃烧器中进行燃烧，燃烧产生的热量用于保证焚烧炉的炉膛温度。

应该理解的是，处理P1并不是必需的。在整个焚烧工艺中，燃烧燃料气以提供温升可以仅发生在最初点燃焚烧炉的阶段，而后续阶段中由于焚烧尾气本身产生热量，所以可以不再需要补充燃料。此外，对于根据本实用新型实施例的尾气焚烧工艺，如后面将更详细地介绍的，由于对待焚烧的尾气进行预热，所以有可能不再需要燃烧燃料气来保证焚烧炉的温度。

处理P2中，焚烧含硫尾气，根据本实用新型实施例，焚烧温度在700℃以上。考虑到高温烟气的后续处理，这里更优选的是将尾气焚烧温度控制在710～900℃，更优选是800±20℃。在这样的温度下，一方面，可保证焚烧尽尾气内可燃产物，避免燃烧不充分产生的还原性气体将SO₂局部还原回H₂S或单质S，为达标排放提供保证；另一方面，由于尾气中的以及/或者来自燃料气的可燃介质在高温下可以完全燃烧，本工艺在同等条件下达到节约燃料的效果。

对于来自硫磺回收装置的含硫尾气，焚烧尾气的主要反应包括：

S+O₂→SO₂；

CS₂+3O₂→CO₂+2SO₂；

紧接着进入处理P3，其中，来自诸如硫磺回收装置等设备的约40℃的含硫尾气在进入尾气焚烧炉焚烧前，先与刚刚产生的焚烧烟气换热，从而加热尾气，并使烟气降温。通过所述热交换可以使烟气的温度降至例如550～650℃之间。优选，通过所述热交换可以使烟气的温度降至600±20℃。未经加热的待焚烧尾气通过热交换可以被加热至350～450℃，优选加热至400±20℃。在一个示例性的例子中，待焚烧的尾气与尾气焚烧炉来的约710～900℃的烟气进行换热，尾气被加热至350～450℃。

通过处理P3，将高温烟气的温度降低，可以为后续的烟气处理装置的选择提供更大的空间。例如将高温烟气降至550～650℃，进入后续设备，可以保证后续设备工艺条件与现有工艺条件一致，确保后续设备可靠性。这里所指的后续设备例如可以为余热回收装置，但是本实用新型并不限于此。

通过热交换被加热的尾气进入处理P4，即被送往焚烧，从而进入处理P2。通过处理P3和P4，将富裕热量通过尾气直接回收利用带回炉膛，可以减少燃料消耗，实现更加节能的焚烧工艺。

通过热交换被降温的烟气进入处理P5以及后续的处理P6，即进行余热回收(处理P5)，然后脱硫排放(处理P6)。例如，温度降至550～650℃的烟气可以进入连接在焚烧和换热设备之后的蒸汽过热器、气-气换热器等工作温度通常低于650℃的余热回收装置进行余热回收，余热回收装置出来的低温烟气进入脱硫装置或其它处理装置排放。余热回收处理P5和脱硫排放处理P6是石油化工领域常用的技术，其工艺和设备在此不再赘述。

应该理解的是，根据本实用新型实施例的尾气焚烧工艺并不限于包括上述余热回收处理P5和/或脱硫排放处理P6，其可以根据不同的应用而省略或者包括上述处理，或者包括其他的附加的或替代性的处理。

以下将参照图2介绍根据本实用新型实施例的尾气焚烧设备，该尾气焚烧设备可以用于实现上述根据本实用新型实施例的尾气焚烧工艺。

如图2所示，根据本实施例的尾气焚烧设备100包括尾气焚烧炉10和尾气加热器20。

尾气焚烧炉10用于焚烧尾气。尾气焚烧炉10可以包括焚烧炉膛(以下简称“炉膛”)11和设置在炉膛11的前端并与之连通的燃烧器12。在图2所示示例中，燃烧器12设置有燃料气入口13和助燃空气入口14。燃料气和空气通过燃料气入口13和助燃空气入口14进入燃料器12中燃烧产生热量，以保证炉膛11中的焚烧温度。图中示出尾气焚烧炉10的尾气入口15也设置在燃烧器12上，但是这并不是限制性的，尾气可以经由燃烧器12进入炉膛，也可以经由直接设置在炉膛11的壁面上的附加的或替代性的其他尾气入口进入炉膛。进入炉膛的尾气与助燃空气一起焚烧，有时候尾气还与燃料气燃烧不充分而剩余的燃料一起焚烧，焚烧产生烟气。

尾气加热器20紧接地连接在尾气焚烧炉10的下游。这里“紧接地”指的是在尾气加热器20与尾气焚烧炉10之间没有介入除烟道以外的其他设备。尾气加热器20具有尾气进口21、尾气出口22、烟气进口23、烟气出口24和换热管25，其中烟气进口23紧接地连接至尾气焚烧炉10的排烟口。尾气加热器20用于使来自尾气焚烧炉10的、焚烧所产生的烟气与待焚烧的尾气通过换热管25的管壁进行热交换，以加热尾气，并使烟气降温。尾气加热器20的尾气出口22连接至尾气焚烧炉10的尾气入口15，以便将被加热的尾气送往尾气焚烧炉10中焚烧。

换热管25可以设置为供待焚烧尾气从中流过，也可以设置为供烟气从中流过。例如，对于前者，换热管25可以设置为两端分别连接尾气进口21和尾气出口22，并且换热管25在尾气加热器20的外壳所形成的空间内回转盘绕，而所述外壳内除了换热管25以外的空间可以作为烟气的通道，一端通往烟气进口23，另一端通往烟气出口24。作为另一个例子，对于后者，换热管25可以是连接在烟气进口23和烟气出口24之间的管道，而尾气加热器20的外壳中的除了换热管25之外的空间可以作为尾气的通道，一端通往尾气进口21，另一端通往尾气出口22。

应该理解的是，根据本实用新型实施例的尾气焚烧设备中的尾气加热器20只要能够实现通过换热器使烟气和尾气实现换热，加热尾气，并将烟气降温，即实现了本实用新型相应的目的，而并不限于尾气加热器的具体构造。例如，尾气加热器20可以是管式的、板式的或管板式的。

尾气焚烧设备100还可以包括连接在尾气加热器20下游的余热回收装置。由于从焚烧炉10出来的高温烟气(例如约710～900℃)在经过尾气加热器20之后已经降温，例如降温至550～650℃，使得根据本实用新型实施例的尾气焚烧设备中能够采用较为常规、成本较低、最高工作温度不超过650℃的余热回收装置，而同时保证工作的安全性。在图2所示示例中，余热回收装置包括余热锅炉30和气气换热器40。这仅仅是作为示例，例如余热回收装置可以包括例如蒸汽过热器、蒸汽发生器、气气换热器、余热锅炉和省煤器中的至少一者。

从余热回收装置出来的低温烟气可以例如进入烟气脱硫装置50进行脱硫，并最后排放。

根据本实用新型实施例，还提出了一种将尾气加热器内置于其中的尾气焚烧炉，适合用于焚烧来自硫磺回收装置的含硫尾气。以下将参照图3和图4介绍这样的尾气焚烧炉200。

图3为尾气焚烧设备的示意图，示出了根据本实用新型实施例的尾气焚烧炉200。如图所示，尾气焚烧炉200包括用于焚烧尾气的炉膛211和集成在炉膛211中的尾气加热器220。

尾气焚烧炉200还可以包括设置在炉膛211的前端并与之连通的燃烧器212。在图3所示示例中，燃烧器212设置有燃料气入口213和助燃空气入口214。燃料气和空气通过燃料气入口213和助燃空气入口214进入燃料器212中燃烧产生热量，以保证炉膛211中的焚烧温度。图中示出尾气焚烧炉200的尾气入口215也设置在燃烧器212上，但是这并不是限制性的，尾气可以经由燃烧器212进入炉膛，也可以经由直接设置在炉膛211的壁面上的附加的或替代性的其他尾气入口进入炉膛。进入炉膛的尾气与助燃空气一起焚烧，有时候尾气还与燃料气燃烧不充分而剩余的燃料一起焚烧，焚烧产生烟气。

本实施例中，尾气加热器220包括开设在炉膛211的侧壁上的尾气进口221和尾气出口222以及设置在炉膛后段中的换热管225。尾气在炉膛211中焚烧产生的高温烟气与从尾气进口221进入的待焚烧的尾气通过换热管225的管壁进行热交换，以加热尾气并使烟气降温。尾气加热器220的尾气出口222连接至尾气入口215，以便将被加热的尾气送往炉膛211中焚烧。

换热管225可以设置为供待焚烧尾气从中流过，也可以设置为供烟气从中流过。例如，对于前者，换热管225可以设置为两端分别连接尾气进口221和尾气出口222，并且换热管225在炉膛211的后段空间内回转盘绕。炉膛211中焚烧产生的高温烟气经过换热管225而从炉膛211后端的排烟口被排除，在经过换热管225时，高温烟气与换热管内的尾气换热，加热尾气，并使烟气降温。对于后者，后面将结合图5A和图5B详细描述另一个例子。

应该理解的是，根据本实用新型实施例的尾气焚烧炉200中的尾气加热器220只要能够实现通过换热器使烟气和尾气实现换热，加热尾气，并将烟气降温，即实现了本实用新型相应的目的，而并不限于尾气加热器的具体构造。

在图3所示示例中，尾气加热器220排出的温度为例如550～650℃的烟气进入余热锅炉30，接着进入气气换热器40，最后接入烟气脱硫装置50净化处理后排放。

图4示出了图3所示示例的一个变型，其中，尾气加热器220排出的温度为例如550～650℃的烟气进入蒸汽过热器60，接着进入气气换热器40，最后接入烟气脱硫装置50净化处理后排放。

然而，对于尾气焚烧炉200下游的这些图示和说明的设置仅仅是示例性的，而非限制性的。例如其中的余热回收装置可以包括例如蒸汽过热器、蒸汽发生器、气气换热器、余热锅炉和省煤器中的至少一者，而不限于图3和图4所示的组合。

图5A和图5B示出了可用于图3和图4所示尾气焚烧炉200的尾气加热器220的一个示例，其中图5B示出沿图5A中截线A-A截取的剖面图。

结合参照图3和图5A，尾气加热器220包括分别沿周向与炉膛211的内壁密封地连接的前管板226和后管板227，其中后管板227相对于前管板226设置在更加靠近炉膛211后端的位置。在该示例中，换热管225包括沿着炉膛211的前后方向延伸的多个换热管225，并且该多个换热管225的前端分别与开设在前管板226上的多个管孔(烟气进口)密封地连接，后端与开设在后管板上的多个管孔(烟气出口)密封地连接。

尾气加热器220的前管板226与炉膛211的内壁密封连接，并且后管板227通过伸缩环227a与炉膛211的内壁密封连接，从而尾气加热器220与焚烧炉200构成一体。炉膛211中焚烧产生的高温烟气从尾气加热器220的前管板226的管孔进入换热管225，与换热管225外的尾气进行换热，从后管板227上的管孔流出。尾气从例如位于下部的尾气进口221进入，沿换热管225表面流动，换热后从例如位于上部的尾气出口222流出。

在优选的示例中，多个换热管225为横截面的长宽比大于10的扁平管，并且尾气进口221和尾气出口222设置为使得尾气沿换热管225的横截面的长边流动。换热管225沿尾气流动方向可以对齐排列，也可以错位排列，优选对齐排列。采用扁平管结构的换热管以及使得尾气沿扁平管横截面的长边流动，有助于减小尾气流动阻力，增大换热面积，提高换热效率。

换热管225可以采用耐热金属材料或任何其他适合的材料制成。

在优选的示例中，前管板226的前表面(朝向炉膛211中焚烧空间的表面)优选敷设有耐火隔热层226a，以阻隔炉膛211中的高温烟气向前管板226传热，降低前管板226的温度，防止前管板226高温失效。耐火隔热层226a可以采用例如具有低导热系数耐高温的无机材料。

在优选的示例中，前管板226的烟气进口中优选设置有隔热套管226b。该隔热套管226b插入相应换热管225的前端中以将换热管与烟气进口连接。隔热套管226b的主要作用为避免高温烟气影响换热管225与前管板226的连接接头，避免高温破坏。隔热套管226b可以采用具有低导热系数耐高温的无机材料。

在优选的示例中，后管板227优选通过一伸缩环227a密封地连接至炉膛211的内壁，该伸缩环227环向连接至后管板227的外周并在炉膛211的前后方向上具有弹性，从而可以解决换热管225工作时热膨胀造成的影响。

根据本实用新型的上述工艺和设备中，通过提供使高温烟气与低温的待焚烧尾气之间的换热，加热尾气并使烟气降温，使得能够实现以下有益效果中的至少部分效果：

(1)使得能够提高尾气焚烧温度，例如可以提高至710-900℃，从而有助于将尾气中的可燃及有毒物质充分焚烧，为达标排放提供保证；

(2)利用烟气与尾气的热交换，能够使高温烟气降温，在焚烧温度提高至710-900℃的情况下，通过热交换例如可以将高温烟气降至550～650℃，这使得能够采用与现有工艺条件一致的余热回收装置，确保余热回收装置的工作可靠性；

(3)利用烟气与尾气的热交换，能够将高温烟气的富裕热量通过尾气直接回收利用带回炉膛，减少燃料消耗；此外，由于尾气中的可燃介质在更高的焚烧温度下更加完全地燃烧，使得在同等条件下能够节约燃料。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。