克勞斯法硫回收裝置液硫系統(tǒng)的優(yōu)化設計！
摘要：克勞斯(Claus)法制硫是從酸性氣中回收單質硫的重要技術之一。在克勞斯硫回收裝置的液硫回收系統(tǒng)設計中，常規(guī)做法是設置四級硫封罐，從四級硫封罐出來的液硫匯集成到一根總管后進入硫池中，存在液硫管線布置復雜、占地面積大等缺點。優(yōu)化設計方案提出,通過改變冷凝器出來的液硫流向，在液硫線上增設U型彎，克服硫冷凝器、反應器之間的壓力降，在過程氣間形成有效液封，起到原設計中硫封罐的作用，相比常規(guī)做法可減少3個硫封罐的設置。同時對液硫總線進硫池的方式、硫池內(nèi)蒸汽伴熱盤管等內(nèi)構件的材質選擇等方面存在的問題提出了相應優(yōu)化措施。
1、概述
隨著含硫原油和含硫天然氣的開發(fā)利用，用克勞斯(Claus)法從酸性氣中回收單質硫元素的工藝已成為加工含硫天然氣或煉廠氣的一種重要形式。Claus法回收單質硫元素主要分兩個階段[1]，一個是高溫熱反應階段，主要在酸性氣燃燒爐內(nèi)完成，控制爐膛溫度一般不低于980 ℃[2]，爐內(nèi)H2S的轉化率為65%～70%；另一個是催化反應階段，控制酸性氣燃燒爐出口過程氣中H2S和SO2的摩爾比為2∶1，在反應器內(nèi)Claus催化劑參與下，H2S和SO2完成氧化還原反應，生成單質硫，該階段單質硫元素收率約25%～30%。一般認為，在合適的操作條件下，Claus制硫部分總硫轉化率約95%[3]。為提高催化反應階段單質硫元素的轉化率，利用硫冷凝器冷卻去除過程氣中的單質硫蒸汽，降低生成物分壓，促進H2S和SO2的反應向正方向進行。硫蒸汽冷凝成液硫后，由液硫回收系統(tǒng)統(tǒng)一回收到硫池，進一步脫氣、成型處理。圖1為Claus工藝原則流程。
液硫回收系統(tǒng)由硫封罐、液硫管線、地下硫池組成。若硫封罐或硫池設置不合理，容易出現(xiàn)液硫管線布置不集中、占地面積大、液硫凝固堵塞，甚至會出現(xiàn)液硫池中液硫倒竄、硫池著火等安全事故，影響裝置長周期運行。
2、硫封罐優(yōu)化設計
2.1硫封罐的原理及作用
Claus制硫工藝中生成的液硫，在酸性氣燃燒爐廢熱鍋爐或硫磺冷凝器中完成氣液分離，液硫自流進入硫封罐中。硫封罐設置有一定高度，靠液硫自重產(chǎn)生的靜壓形成液封，避免過程氣隨液硫經(jīng)硫池竄入大氣中，實現(xiàn)過程氣和液硫的氣液分離以及反應系統(tǒng)和液硫儲存系統(tǒng)的隔離[4]。典型硫封罐結構見圖2。
硫封罐整體采用0.4 MPa蒸汽夾套伴熱，防止液硫凝固，蒸汽冷凝液自硫封罐底部排出。液硫進入硫封罐后經(jīng)內(nèi)管靠重力自流至硫封罐底部，再從外管溢流進入硫池，內(nèi)管液位和溢流口之間的高度差H就是實際的硫封有效高度，H形成的液柱靜壓P即是裝置所允許的最高系統(tǒng)壓力，系統(tǒng)壓力大于P時，硫封被突破，過程氣串入液硫池引發(fā)安全事故。部分裝置硫封液柱靜壓值P通常設為1.25～1.30[5]倍風機出口最高壓力，即使風機故障導致Claus制硫裝置系統(tǒng)壓力達到設計最高值，也不會出現(xiàn)過程氣突破硫封罐有效液封現(xiàn)象。
2.2硫封罐設置優(yōu)化
2.2.1 硫封罐常規(guī)布置
常規(guī)二級Claus制硫工藝中，一般在酸性氣燃燒爐廢熱鍋爐，一、二、三級硫冷凝器后各設一個硫封罐，液硫捕集器與三級硫冷凝器共用一個硫鞋罐(圖1)。部分裝置在冷凝器后分設4個水泥井，四級硫封罐各自安裝在井內(nèi)，水泥井口與硫封罐用法蘭連接固定；部分裝置專設一個硫封坑，把4個硫封罐集中布置在硫封坑內(nèi)，硫封坑用鋼板覆蓋(圖3)；還有的裝置把硫冷凝器布置在二層平臺，一、二、三冷凝器后的3個硫封罐懸空安裝。這3種布置方案，采用硫封坑集中布置時，在硫封坑內(nèi)形成一密閉空間，很容易導致H2S在坑底部沉積，存在較大安全隱患，也存在占地面積大，液硫管線及相應的蒸汽伴熱管線不好布管，不建議使用此種方案。其他兩種布置方案，均存在液硫管線及蒸汽伴熱管線不好布置，硫封罐檢修作業(yè)不方便等問題。
2.2.2 硫封罐優(yōu)化設計
如前所述，液硫罐最大有效硫封高度H形成的液柱靜壓 P=ρgH是反應系統(tǒng)所允許的最大工作壓力，此種流程液硫走向：冷凝器→硫封罐→硫池，冷凝器端是最大工作壓力，硫池端是常壓，4個硫封罐液封高度相同。
硫封罐布置中，可以把前三級硫封罐取消，液體流向：酸性氣燃燒爐廢熱鍋爐出口→一級冷凝器出口→二級冷凝器出口→三級冷凝器出口→總硫封罐→硫池(圖4)。由于硫冷凝器、反應器之間存在壓力降，在酸性氣燃燒爐廢熱鍋爐、一、二級硫冷凝器出來的液硫管線上，各設一個U型彎，U型彎高度H1產(chǎn)生的靜壓值只需克服相鄰設備間的最大壓力降，即可滿足各級硫冷凝器之間的過程氣不互串的要求(圖4中紅線所示)，前3級硫冷凝器產(chǎn)生的液硫匯集到一起進入總硫封罐，液硫由總硫封罐流入到硫池中。
設置總硫封罐的有效液封高度H不變，避免系統(tǒng)壓力升高時過程氣突破硫封，起到氣液隔離效果。如:液硫自一級冷凝器出來至二級冷凝器出口之間，設有一級反應器加熱器、一級反應器和二級硫冷凝器，每臺設備的壓力降按5 kPa計，則總壓力降為15 kPa，液硫密度取1 780 kg/m3，由P=ρgH1可計算出U型彎的理論高度H1=0.86 m，考慮到異常工況可能導致設備壓力降升高，把總壓力降放大1.5倍，則U型彎高度可取1.3 m。為避免U型彎底部由于固體雜質積存出現(xiàn)液硫管線堵塞[6]，可增設排污閥門。
3、硫池的優(yōu)化設計
液硫池為鋼筋混凝土結構，內(nèi)襯為特種耐酸磚。硫池內(nèi)部用墻隔離，分為脫氣池和成品池兩部分。硫冷凝器過來的液硫中含H2S(質量分數(shù)300～400 μg/g)，采用合適的脫氣措施，使液硫中H2S在脫氣池脫除，脫氣后液硫由泵導入到成品池，實現(xiàn)下一步的成型或液體裝車出廠。
3.1液硫進硫池方式存在的問題及改進
存在的問題：從硫封罐過來的總液硫管線進硫池的配管設計中，部分裝置把總液硫管線置于地溝內(nèi)，從硫池側面進入，如圖5中a線所示。由于液硫管線采用蒸汽夾套伴熱，管線存在溫度變化，熱脹冷縮導致進入硫池時的管線與硫池壁接觸面密封不嚴，存在間隙，一旦硫池內(nèi)液硫液位高過進口位置，會出現(xiàn)液硫倒竄進入地溝，形成安全隱患。如某煉油企業(yè)40 kt/a硫回收裝置，四級硫封罐集中布置在硫封坑內(nèi)，總液硫管線通過地溝從硫池側面進池，出現(xiàn)液硫從地溝回竄到硫池坑的情況，從硫封坑內(nèi)一次清理出廢硫磺約10 t，后來只能用細沙把地溝填實，但不能從根本上避免液硫從硫池倒竄。
優(yōu)化措施：適當提高硫封罐液硫出口高度，在滿足液硫管線自流傾角要求前提下，液硫管線從硫池的頂部進入，如圖5中b紅線所示，避免液硫總線走地溝從硫池的側面進池。
3.2液硫伴熱盤管材質選用
存在的問題：液硫池內(nèi)部設有蒸汽伴熱盤管，主要用于液硫的加熱保溫，使液硫溫度保持在138～148 ℃。蒸汽伴熱盤管材質多采用20號鋼，但這種材質極易與硫反應生成FeS。目前多數(shù)裝置液硫脫氣采用非凈化風鼓泡脫氣方式，使硫池的氣相空間中保持有一定濃度的氧氣，即使采用其他液硫脫氣方式，由于液硫池密封不嚴，液硫脫氣產(chǎn)生的含硫廢氣通過蒸汽噴射器抽至尾氣焚燒爐或酸性氣爐處理，使液硫池處于微負壓狀態(tài)，仍會導致空氣進入硫池內(nèi)，這樣極易出現(xiàn)FeS自燃，發(fā)生硫池著火事故。
優(yōu)化措施：硫池蒸汽伴熱盤管的進汽、出水管線、液硫泵泵體、液位計、熱電偶套管、支撐角鋼等所有暴露在硫池氣相空間的管件，全部采用更耐硫腐蝕的不銹鋼材質，如316L等，盡可能減少FeS生成；為節(jié)省投資費用，平鋪在硫池底部的蒸汽盤管由于長期淹沒在液硫以下，與氣相中的氧氣隔離，極少出現(xiàn)FeS自燃，此部分蒸汽盤管可采用20號鋼材質;但在裝置檢修，硫池中的液硫需排空作業(yè)時，需要加強蒸汽盤管FeS自燃監(jiān)控；在正常生產(chǎn)時應注意避免硫池液位過低，防止底部蒸汽盤管暴露到含氧氣相空間。
4、結論
(1)Claus制硫工藝中的液硫回收系統(tǒng)有四級并聯(lián)式硫封罐，優(yōu)化設計后，改液硫并聯(lián)為串聯(lián)，并在液硫線上增加U型彎，克服設備間的壓力降，避免過程氣互串。用U型彎代替原設計的硫封罐，可減少3個硫封罐的設置，節(jié)省設備費、施工費等各種費用約40余萬元。由于靜設備減少，液硫管線更易配置，減少了占地面積，也節(jié)約了3個硫封罐的伴熱蒸汽消耗。
(2)液硫管線進硫池應首選從上部進入，避免由于液硫管線從硫池的側面進入時液硫管線與硫池壁密封不嚴，當硫池液位高時，液硫從密封點的環(huán)隙向外泄漏的風險。
(3)硫池內(nèi)構件采用20號鋼材質時，有生成FeS的可能性，與氧氣反應會出現(xiàn)硫池著火事故。暴露在氣相空間的管件宜采用如316L等不銹鋼材質，減少FeS生成；平鋪在硫池底部的盤管，液硫與氣相空間隔離，不與氣相中的氧氣接觸，發(fā)生FeS自燃的幾率較低，可以采用20號鋼材質，但在裝置停工檢修硫池抽空時，需加強FeS自燃監(jiān)控。
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”
