克勞斯法硫回收裝置液硫系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計！
摘要：克勞斯(Claus)法制硫是從酸性氣中回收單質(zhì)硫的重要技術(shù)之一。在克勞斯硫回收裝置的液硫回收系統(tǒng)設(shè)計中，常規(guī)做法是設(shè)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(fù)雜、占地面積大等缺點。優(yōu)化設(shè)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(shè)U型彎，克服硫冷凝器、反應(yīng)器之間的壓力降，在過程氣間形成有效液封，起到原設(shè)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(shè)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(gòu)件的材質(zhì)選擇等方面存在的問題提出了相應(yīng)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(zhì)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(zhì)硫元素主要分兩個階段[1]，一個是高溫?zé)岱磻?yīng)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(zhuǎn)化率為65%～70%；另一個是催化反應(yīng)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(yīng)器內(nèi)Claus催化劑參與下，H2S和SO2完成氧化還原反應(yīng)，生成單質(zhì)硫，該階段單質(zhì)硫元素收率約25%～30%。一般認(rèn)為，在合適的操作條件下，Claus制硫部分總硫轉(zhuǎn)化率約95%[3]。為提高催化反應(yīng)階段單質(zhì)硫元素的轉(zhuǎn)化率，利用硫冷凝器冷卻去除過程氣中的單質(zhì)硫蒸汽，降低生成物分壓，促進H2S和SO2的反應(yīng)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(shè)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?xí)霈F(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(shè)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(shè)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(yīng)系統(tǒng)和液硫儲存系統(tǒng)的隔離[4]。典型硫封罐結(jié)構(gòu)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(shè)為1.25～1.30[5]倍風(fēng)機出口最高壓力，即使風(fēng)機故障導(dǎo)致Claus制硫裝置系統(tǒng)壓力達到設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(dǎo)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(yīng)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(shè)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(yīng)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(yīng)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)有一級反應(yīng)器加熱器、一級反應(yīng)器和二級硫冷凝器，每臺設(shè)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(dǎo)致設(shè)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(zhì)積存出現(xiàn)液硫管線堵塞[6]，可增設(shè)排污閥門。
3、硫池的優(yōu)化設(shè)計
液硫池為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，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(zhì)量分?jǐn)?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(dǎo)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(shè)計中，部分裝置把總液硫管線置于地溝內(nèi)，從硫池側(cè)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(dǎo)致進入硫池時的管線與硫池壁接觸面密封不嚴(yán)，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(cè)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(xì)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(dāng)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(cè)面進池。
3.2液硫伴熱盤管材質(zhì)選用
存在的問題：液硫池內(nèi)部設(shè)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(zhì)多采用20號鋼，但這種材質(zhì)極易與硫反應(yīng)生成FeS。目前多數(shù)裝置液硫脫氣采用非凈化風(fēng)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(yán)，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(fù)壓狀態(tài)，仍會導(dǎo)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(zhì)，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(zhì);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(yīng)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(jié)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(shè)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(shè)備間的壓力降，避免過程氣互串。用U型彎代替原設(shè)計的硫封罐，可減少3個硫封罐的設(shè)置，節(jié)省設(shè)備費、施工費等各種費用約40余萬元。由于靜設(shè)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(yīng)首選從上部進入，避免由于液硫管線從硫池的側(cè)面進入時液硫管線與硫池壁密封不嚴(yán)，當(dāng)硫池液位高時，液硫從密封點的環(huán)隙向外泄漏的風(fēng)險。
(3)硫池內(nèi)構(gòu)件采用20號鋼材質(zhì)時，有生成FeS的可能性，與氧氣反應(yīng)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(zhì)，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(zhì)，但在裝置停工檢修硫池抽空時，需加強FeS自燃監(jiān)控。
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