硫磺回收裝置液硫系統(tǒng)堵塞原因及對策

賴寧 李彥平 蔚永清

神華寧夏煤業(yè)集團

硫磺回收裝置液硫系統(tǒng)堵塞原因及對策

賴寧 李彥平 蔚永清

神華寧夏煤業(yè)集團

神華寧夏煤業(yè)集團煤炭化學工業(yè)分公司烯烴公司26kt／a硫磺回收裝置運行5年多來，液硫系統(tǒng)堵塞現(xiàn)象日益嚴重。借鑒了煉廠、天然氣脫硫、煤化工硫磺回收裝置類似問題的處理方法，從酸氣組分、操作中存在的問題、工藝設計中存在的缺陷等方面分析原因，通過采取新增1臺熱再生塔冷卻器、1臺羅茨鼓風機、停車時將掃硫時間由2天延長至3天、掃硫時將爐膛溫度提高至1 060℃、對硫磺泵新增回流管線等措施，有效地解決了液硫系統(tǒng)堵塞的問題，保證了裝置的長周期安穩(wěn)運行。

硫磺回收 堵塞 酸氣 液硫系統(tǒng)

面對日趨嚴峻的環(huán)境問題，硫磺回收裝置在化工廠中的作用愈加重要。神華寧夏煤業(yè)集團煤炭化學工業(yè)分公司烯烴公司26kt／a硫磺回收裝置液硫系統(tǒng)堵塞現(xiàn)象日益嚴重，裝置多次非計劃停車，造成了嚴重的經濟損失。同時，由于酸氣直接排放火炬燃燒會生成大量SO2，也將導致一定的環(huán)境污染問題［1］。與石油化工硫磺回收裝置相比，煤化工硫磺回收裝置酸氣中H2S濃度較低，酸氣組成復雜，除含有烴類、氨、有機硫外，還含有COS、HCN等雜質，這些雜質對硫磺回收裝置影響很大［2］。為了避免硫磺回收裝置發(fā)生堵塞，要求富集工序要完全與凈化工序獨立［3］。此外，煉廠、天然氣脫硫、煤化工的硫磺回收裝置反應器內會出現(xiàn)積硫，可通過提高反應器入口溫度加以解決［4］。

根據(jù)生產實際，通過借鑒國內煉廠類似問題所采取的措施，如：提高風氣比、加大爐前氮氣量、裝置開工充分預熱等措施［5］，深入分析液硫系統(tǒng)在正常運行、停車掃硫、曝氣池故障時堵塞的原因，并采取一系列針對性措施，有效地解決了液硫系統(tǒng)堵塞的問題。

1 硫磺回收工藝流程簡介

烯烴公司硫磺回收裝置負荷變化彈性區(qū)間為30%～110%，設計需要處理兩股工藝氣：①來自低溫甲醇洗單元的酸氣，其溫度24.7℃、表壓0.19MPa、流量7 105.1m3／h（20℃，101.325kPa，下同）；②來自尾氣處理單元的尾氣，其溫度39.9℃、表壓0.18 MPa、流量597.5m3／h。實際生產中，酸氣溫度24.7℃、表壓0.15MPa、流量3 200m3／h，尾氣溫度39.9℃、表壓0.12MPa、流量597.5m3／h，負荷為滿負荷的49.3%。工況變化時，工藝氣量變化范圍為2 500～4 300m3／h，負荷變化范圍為32.5%～55.8%，在設計允許范圍內。

系統(tǒng)中產生的液硫先經過4個硫磺液封槽進入硫磺曝氣池第一間隔，由1＃硫磺泵進行循環(huán)和噴霧，液硫通過除氣池底部進入第二間隔，并由2＃硫磺泵進行循環(huán)和噴霧。液體硫磺可通過溢流堰進入第三間隔，也可通過1＃、2＃硫磺泵將液硫送入第三間隔；第三間隔的液硫通過3＃硫磺泵送往界區(qū)外，見圖2。

2 裝置中存在問題

2.1 硫磺液封槽發(fā)生溢流現(xiàn)象

自硫磺回收裝置開車以來，硫磺液封槽每年都會發(fā)生多次液硫溢流現(xiàn)象。當發(fā)生溢流時，現(xiàn)場操作人員必須及時用細鋼管等物體對硫磺液封槽進行疏通。在操作過程中，存在H2S中毒及被液硫燙傷的風險。硫磺屬于可燃物，所以對于溢流出來的液硫必須及時處理，但清除凝固硫磺非常困難。另一方面，液硫的絕緣性能極佳，故容易形成靜電積聚［8］，很有可能會發(fā)生硫著火或爆炸事故，極具危險性（硫磺物化性質如表1［9－11］所示）。因此，防止硫磺液封槽發(fā)生溢流很有必要。

2.2 液硫球閥管線停車后多次出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象

硫磺回收裝置運行以來，多次進行停車檢修。在停車后，Claus氧化爐及兩段反應器后的3個液硫球閥附近管線經常發(fā)生堵塞現(xiàn)象。一旦發(fā)生堵塞，需要人員及時疏通，疏通工作非常困難，需耗費大量人力物力。同時，疏通過程中極有可能發(fā)生液硫噴濺傷人事故。此外，疏通不及時會影響其他檢修工作，甚至影響裝置的正常開停車。因此，預防液硫球閥管線堵塞具有重要的意義。

表1 硫磺物化性質表Table 1 Physicochemical properties of sulfur

2.3 曝氣池溢流堰部分液硫凝固現(xiàn)象

為了保證硫磺具有較好的流動性，硫磺曝氣池內硫磺溫度控制在135～150℃，硫磺回收裝置運行一段時間后，硫磺曝氣池第二間隔溫度出現(xiàn)緩慢下降的趨勢，最低達到121℃。打開第二間隔觀察口發(fā)現(xiàn)，頂部已有部分液硫凝固，同時還伴有積水現(xiàn)象，判斷可能是曝氣池隔水有問題，或者伴熱蒸汽出現(xiàn)泄漏，引發(fā)曝氣池出現(xiàn)積水，導致溢流堰附近硫磺凝固。溢流堰附近的硫磺凝固后，生產的液硫無法輸送至第三間隔，導致第一、第二間隔液硫從觀察口處流出，嚴重影響裝置運行。

1）DHT21溫濕度傳感器[7]，精度:±0.5 ℃；測量范圍:-40～5℃，嵌入式硬件的接口電路為輸入電壓接3.3 V，GND引腳接地，STM32的I/O口通過導線與DQ相連，傳感器處于寫存儲器操作時，輸入電壓與DQ接入5.1K上拉電阻，提高總線上拉能力，減少功率消耗。

3 裝置中存在問題的原因

3.1 硫磺液封槽溢流的原因

由于列管堵塞等原因，造成低溫甲醇洗裝置熱再生塔冷卻器冷卻效果明顯變差，導致去硫磺回收裝置的酸氣溫度偏高。滿負荷運行時，酸氣溫度維持在約20℃。當負荷低于75%，由于冷量較少，酸氣溫度會增至約40℃，如果工況波動較大，酸氣溫度最高可達60℃以上。經過統(tǒng)計分析，將不同酸氣溫度工況下的運行參數(shù)列于表2。

將酸氣換算為3 000m3／h的工況，得出換算后的不同酸氣溫度工況下的運行參數(shù)，見表3。

根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)，可作出在相同酸氣量的情況下，工藝空氣用量隨酸氣溫度上升的變化趨勢圖，如圖3所示。

表2 不同酸氣溫度運行參數(shù)Table 2 Running parameters under different acid temperature

表3 不同酸氣溫度運行參數(shù)（換算后）Table 3 Running parameters under different acid temperature after conversion

Claus爐內的反應極其復雜。由圖3可知，當酸氣溫度超過35℃時，由于酸氣帶甲醇，會消耗大量空氣，導致工藝空氣用量急劇上升，Claus氧化爐內會發(fā)生以下反應［12］：

由上式可知，當酸氣帶甲醇嚴重時，甲醇會消耗大量氧氣，硫磺回收單元Claus氧化爐配風量就必須比正常工況更多。由于鼓風機功率不夠，此時，會出現(xiàn)明顯的配風不足現(xiàn)象，不僅會降低硫磺回收率［13］，還將導致Claus氧化爐內副反應明顯增多，生成物中積碳等雜質明顯增多［14］。

硫磺液封槽內部管線內徑較細，如果工況出現(xiàn)異常狀況，液硫中會含有過多雜質。此時，雜質會附著在管線內壁。隨著時間的推移，當液硫流通流量小于硫磺產出量，硫磺液封槽內液硫就發(fā)生積聚，并最終導致過多液硫從硫磺液封槽內溢出。

由此可見，硫磺液封槽溢流的原因是設備故障，應從設備方面解決酸氣溫度高、配風不足的問題。

3.2 液硫球閥管線停車后多次堵塞原因

統(tǒng)計掃硫不充分和掃硫充分時的反應器床層溫度，驗證得出，操作時可用床層溫度作為判斷掃硫是否充分的依據(jù)，掃硫時的床層溫差數(shù)據(jù)對比如表4所列。經分析，硫磺回收裝置停車后造成液硫球閥管線多次堵塞的原因包括：①裝置停車后掃硫時間不足，導致部分液硫停滯在設備內部；②掃硫過程中Claus氧化爐內溫度控制偏低，造成后續(xù)工段設備內溫度偏低，掃硫進度過緩；③液硫球閥附近伴熱管線偏少，當停車掃硫液硫流量很少時，此處溫度無法控制太高，易引發(fā)液硫凝固［15］。

由此可見，液硫球閥管線停車后堵塞的主要原因是人為操作不當，應進行分析總結，得到停車掃硫時合適的操作參數(shù)。

表4 反應器床層溫度對比Table 4 Comparison of reactor bed temperature

3.3 曝氣池溢流堰部分液硫凝固原因

當溫度為388～392K時，硫以液態(tài)形式存在；溫度降到368K時，液態(tài)硫磺轉變?yōu)楣滔鄦涡毙瘟颍é拢璖8）；溫度繼續(xù)降低，固相硫晶體結構就會呈斜方形（α－S8）。因此，當硫磺曝氣池發(fā)生故障，溫度降低至388K以下時，液硫就會凝固。液硫黏度隨溫度變化的情況如圖4所示［16］。硫磺曝氣池溢流堰部分液硫凝固的原因包括：①曝氣池內部出現(xiàn)裂縫，導致曝氣池附近窨井內水滲漏到曝氣池內部，造成曝氣池內部溫度降低；②曝氣池內盤管蒸汽出現(xiàn)沙眼，導致凝液泄漏到曝氣池內；③曝氣池內硫磺泵管線設計不合理，無法應對事故狀態(tài)。

由此可見，曝氣池溢流堰部分液硫凝固的主要原因在于硫磺泵管線的設計缺陷，應對管線進行改造，以保證曝氣池在事故狀態(tài)仍能較好地運轉。

4 解決問題的措施

4.1 預防液硫封槽溢流的措施

液硫封槽溢流的根本原因是在工況波動較大的情況下，會出現(xiàn)配風不足的現(xiàn)象，生成大量雜質?？刹扇∫韵陆鉀Q措施：

（1）新增1臺熱再生塔冷卻器，定期對冷卻器進行切換，然后采用列管清洗、換熱器排氣、反沖洗等措施對換熱效果變差的換熱器進行處理，以保證冷卻器有較好的冷卻效果，從而減少酸氣夾帶甲醇。新增冷卻器前、后酸氣溫度變化，如圖5所示。

（2）新增1臺鼓風機，當風機運行不正常，風量不足時，及時對風機進行切換。此外，在進Claus氧化爐工藝空氣管線上新配兩條來自工廠風的管線，當風量不足時，可以通過這兩條管線補充一定量的空氣。上述措施可解決配風不足的問題。

（3）每周開通1次進Claus氧化爐的直通蒸汽，通蒸汽1h以上，清除爐內積碳。同時，在出現(xiàn)異常工況、爐溫較高、積碳現(xiàn)象嚴重時也可立即開通此蒸汽管線，起到降溫除碳的作用。

4.2 預防液硫球閥管線停車后堵塞的措施

為了防止硫磺回收裝置停車后液硫球閥管線發(fā)生堵塞，應從以下幾方面采取措施：①裝置停車后，保證充足的掃硫時間，掃硫時間由2天延長至3天，觀察硫磺液封槽內無流通液硫，反應器各床層無溫差時，標志著掃硫結束；②在掃硫過程中，將Claus氧化爐溫度由原來的1 020℃提高至1 060℃以上；③新增液硫球閥附近伴熱管數(shù)量，以保證此處液硫不發(fā)生凝固；④掃硫期間，全開冷凝器的直通蒸汽，以保證液硫球閥管線內液硫溫度足夠高。

4.3 曝氣池溢流堰部分液硫凝固的應對措施

為使裝置正常運行，確保硫磺回收單元能正常運行至大檢修期間再解決曝氣內積水問題，應從以下幾方面采取措施：①將曝氣池直通蒸汽凝液直排至污染雨水池，保證疏水器疏水效果，提高曝氣池內溫度；②在曝氣池第二間隔凝固硫磺頂部砸1個硫磺洞，保證液體硫磺通過硫磺洞溢流到第三間隔；③為防止液體硫磺通過硫磺洞溢流的硫磺再次凝固，將3＃硫磺泵新配回流管線至第二間隔，保證液硫流動，如圖6所示；④及時處理硫磺曝氣池附近窨井內積水，從而保證曝氣池內無水再次滲入。通過采取上述措施，保證了硫磺回收裝置在硫磺曝氣池出現(xiàn)滲漏水的異常情況下仍能正常運行。

5 結語

深入分析了硫磺回收裝置長期存在硫磺液封槽易堵塞、裝置停車后管線易堵塞、硫磺曝氣池硫磺易凝固3大問題的根本原因，采取有效的措施，使裝置在正常生產中硫磺液封槽溢流次數(shù)由13次／年降低為1次／年；停車后液硫球閥發(fā)生管線堵塞現(xiàn)象的概率由75%降為0。同時，硫磺曝氣池在漏水的異常工況下防止硫磺曝氣池出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，避免了2次非計劃停車，減少SO2排放量600t，創(chuàng)造經濟效益36.5萬元，保證了裝置的安全平穩(wěn)運行。

［1］陳賡良.克勞斯法硫磺回收工藝技術進展［J］.石油煉制與化工，2007，38（9）：32－37.

［2］周士義，劉磊，李杰.硫磺回收工藝研究［J］.氣體凈化，2009，9（2）：6－7.

［3］張弛.酸性氣提處理工藝進展［J］.氣體凈化，2008，8（1）：8－12.

［4］張有軍，王軍，魏慶革，等.克勞斯及斯科特裝置的操作經驗［J］.石油與天然氣化工，2006，35（5）：385－388.

［5］張小順.2×70kt／a硫磺回收裝置的工藝設計及運行［J］.硫磷設計與粉體工程，2011（3）：1－4.

［6］常宏崗，王蔭砃.胺法脫硫、硫磺回收工藝現(xiàn)狀及發(fā)展［J］.石油與天然氣化工，2002，31（增刊）：33－36.

［7］王慧，候春健，張曉芹，等.提高總硫回收率的硫磺回收工藝［J］.化學工藝與工程技術，2006，27（3）：53－57.

［8］NASATO E.et al.Sulfur degasification－the D’GAASS process［C］.The Proceedings of Laurance Reid Gas Conditioning Conference，1998：65.

［9］陳賡良，肖學蘭.克勞斯法硫磺回收工藝技術［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2007.

［10］郝勻宏.硫化工百科全書（10）［M］.北京：化學工業(yè)出版社，1996.

［11］SHUAI X S，MEISEN A.New correlations predict physical properties of elemental sulfur［J］.Oil ＆Gas Journal，1995，93（42）：50－55.

［12］朱利凱.天然氣處理與加工［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1997.

［13］師彥俊.Claus＋SCOT工藝總硫回收率主要影響因素探討［J］.硫酸工業(yè)，2005（6）：48－52.

［14］張嵩，尚德玲.硫磺回收裝置平穩(wěn)運行常見問題及處理措施［J］.石油化工安全環(huán)保技術，2010，26（6）：34－38.

［15］朱國強，王志雄，武軍山，等.神華寧煤甲醇廠克勞斯硫回收系統(tǒng)堵原因分析［J］.石油與天然氣化工，2011，40（3）：250－253.

［16］王開岳.天然氣凈化工藝——脫硫脫碳、脫水、硫磺回收及尾氣處理［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2005.

Causes and countermeasures of liquid sulfur system blockage in sulfur recovery unit

Lai Ning，Li Yanping，Yu Yongqing
（Shenhua Ningxia Coal Industry Group，Ningxia Hui Autonomous Region 750411，China）

The 26kt／a sulfur recovery unit of Shenhua Ningxia Coal Industry Group Coal Chemical Industry Branch Olefins Company has been put into use for more than five years，the liquid sulfur system－clogging problem has become more and more serious.The ways to deal with similar problems from the sulfur recovery unit of refinery，natural gas desulfurization plant and coal chemical industry were referenced.Reasons were analyzed from the aspects of the acid gas components，the problems existing in the operation and the process design faults.The following measures were taken to solve the problems：adding a heat regenerator cooler and a roots blower；prolonging the sweep time of sulfur from 2days to 3days when shut down；increasing the furnace temperature up to 1 060℃when purging of sulfur；increasing the return line for the sulfur pump.These measures could solve the blocking problem of liquid sulfur system，which ensured the long－term safe and smooth operation of the unit.

sulfur recovery，block，acid gas，liquid sulfur system

賴寧（1989－），男，新疆維吾爾族自治區(qū)阿勒泰地區(qū)人，2012年畢業(yè)于中國石油大學（華東）化學工程與工藝專業(yè)，本科，助理工程師，現(xiàn)就職于神華寧夏煤業(yè)集團，主要從事硫磺回收工藝研究工作。E－mail：laining0806＠126.com

TE64

B

10.3969／j.issn.1007－3426.2015.05.003

2015－06－28；編輯：溫冬云