高含硫凈化裝置克勞斯?fàn)t點(diǎn)火系統(tǒng)常見故障及處理方法

摘 要：本文針對高含硫氣田凈化裝置中克勞斯反應(yīng)工藝特點(diǎn)，系統(tǒng)分析了克勞斯?fàn)t點(diǎn)火系統(tǒng)常見故障，并提出來故障解決方案。

關(guān)鍵詞：硫化氫； 克勞斯?fàn)t； 點(diǎn)火系統(tǒng)

1 前言

某凈化廠采用克勞斯兩級(jí)轉(zhuǎn)化法回收硫磺、斯科特法處理尾氣，進(jìn)入脫硫單元脫除硫化氫、有機(jī)硫和二氧化碳等酸性氣體，再經(jīng)脫水處理后外輸合格的商品氣；將脫硫單元的再生酸性氣送入硫磺回收單元進(jìn)行回收，硫磺回收單元的過程氣經(jīng)尾氣單元處理后達(dá)標(biāo)排放。

來自天然氣脫硫單元的酸性氣首先進(jìn)入酸氣分液罐分液，以避免可能攜帶的液體進(jìn)入反應(yīng)爐燃燒器，風(fēng)機(jī)同時(shí)為克勞斯反應(yīng)爐燃燒器及加氫進(jìn)料燃燒器提供燃燒所需的空氣，進(jìn)入克勞斯反應(yīng)爐燃燒器的空氣量應(yīng)剛好可以滿足原料氣中的烴類的完全氧化，以及在尾氣中H2S/SO2比率為4：1所要求的H2S的燃燒?？藙谒狗磻?yīng)溫度約為1070℃，主要反應(yīng)為：

H2S + 3/2 O2 → SO2 + H2O

2 H2S + SO2 → 3/X Sx + 2 H2O

燃燒產(chǎn)生的高溫過程氣進(jìn)入與反應(yīng)爐直接相連的余熱鍋爐，在鍋爐中通過產(chǎn)生飽和蒸汽來回收余熱并將過程氣冷卻。冷卻后的過程氣進(jìn)入第一級(jí)硫冷凝器，被進(jìn)一步冷卻并凝出液硫，同時(shí)發(fā)生飽和蒸汽，冷凝出的液硫重力自流至一級(jí)硫封罐，然后流入液硫池。

自第一級(jí)硫冷凝器出來的過程氣進(jìn)入第一級(jí)反應(yīng)進(jìn)料加熱器，由高壓蒸汽加熱后進(jìn)入一級(jí)轉(zhuǎn)化器，在反應(yīng)器內(nèi)過程氣與催化劑接觸，繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)直至達(dá)到平衡，反應(yīng)中生成的硫在過程氣進(jìn)入第二級(jí)硫冷凝器后冷凝出來，流經(jīng)二級(jí)硫封罐進(jìn)入液硫池。過程氣在第二級(jí)催化反應(yīng)部分經(jīng)過的流程與第一級(jí)催化反應(yīng)部分相同，在第二級(jí)反應(yīng)進(jìn)料加熱器中被加熱后進(jìn)入二級(jí)轉(zhuǎn)化器，在通過第二級(jí)催化反應(yīng)部分的末級(jí)硫冷凝器后，硫回收率為95%，尾氣進(jìn)入尾氣處理單元。

點(diǎn)火系統(tǒng)由點(diǎn)火控制器、點(diǎn)火槍、點(diǎn)火電極、高壓點(diǎn)火線圈、推動(dòng)氣缸、瓷絕緣子、保護(hù)套管等部分組成。裝置運(yùn)行期間，多次發(fā)生裝置開工，點(diǎn)火系統(tǒng)故障問題，嚴(yán)重影響裝置開機(jī)。據(jù)有統(tǒng)計(jì)的10次停機(jī)復(fù)工事件，平均消耗時(shí)間3.2H。本文就開機(jī)過程中的常見故障進(jìn)行分析，并提出解決方案。

2 故障描述及分析

（1）克勞斯?fàn)t點(diǎn)火系統(tǒng)內(nèi)瓷絕緣子故障問題

裝置停工期間，拆解點(diǎn)火系統(tǒng)，點(diǎn)火系統(tǒng)內(nèi)的點(diǎn)火電極共有瓷絕緣子10個(gè)，對瓷絕緣子進(jìn)行絕緣測試，發(fā)現(xiàn)有兩枚阻值在0.1兆歐以下，瓷絕緣子出現(xiàn)破損、銹蝕、臟污等問題使瓷絕緣子絕緣電阻迅速降低，當(dāng)點(diǎn)火系統(tǒng)進(jìn)行打火時(shí)，點(diǎn)火能量從已損壞的絕緣子處泄放，導(dǎo)致點(diǎn)火失敗，影響裝置開工。

（2）克勞斯?fàn)t點(diǎn)火系統(tǒng)水汽凝結(jié)問題

裝置停工后，減溫蒸汽將作用于爐膛內(nèi)，是克勞斯?fàn)t爐膛逐漸降溫，爐膛內(nèi)水汽不斷增加，點(diǎn)火系統(tǒng)裝置長期處于相對潮濕的爐膛內(nèi)將導(dǎo)致其內(nèi)部出現(xiàn)凝結(jié)水，凝結(jié)水會(huì)造成點(diǎn)火系統(tǒng)電極短路，影響正常點(diǎn)火。

（3）點(diǎn)火系統(tǒng)內(nèi)部積硫問題

停運(yùn)后，長明燈熄滅，爐膛內(nèi)的硫磺過程氣體匯集于點(diǎn)火槍內(nèi)，高溫過程氣降溫后凝結(jié)成硫磺固體，點(diǎn)火槍內(nèi)產(chǎn)生積硫現(xiàn)象，影響點(diǎn)火槍導(dǎo)電性，無法正常點(diǎn)火。

點(diǎn)火系統(tǒng)點(diǎn)火難的問題，均由短路、積硫、灰堵等問題造成，此類現(xiàn)象普遍存在于凈化裝置中。

3 解決方案制定及實(shí)施

通過對克勞斯?fàn)t點(diǎn)火系統(tǒng)檢維修情況進(jìn)行分析，在點(diǎn)火系統(tǒng)點(diǎn)火槍部位增加氣相吹掃線的方式，使其成為一定壓力的密封氣，可有效防止水汽、單質(zhì)硫等進(jìn)入點(diǎn)火系統(tǒng)，避免點(diǎn)火槍腐蝕、短路、積硫、灰堵等問題的產(chǎn)生，以此降低點(diǎn)火系統(tǒng)故障率。

根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)及克勞斯?fàn)t內(nèi)通入氣體組分情況分析，使用惰性氣體——氮?dú)庾鳛辄c(diǎn)火系統(tǒng)密封氣，并對氮?dú)赓|(zhì)量提出要求。

（1）氮?dú)鈿庠吹囊?/p>

①氮?dú)獾募兌纫筮_(dá)到防爆要求（純度達(dá)到≥ 99%）；

②氮?dú)忭毥?jīng)除濕、除塵處理；要求氮?dú)鉄o水分、無雜質(zhì)粉塵。如含水量高可能造成點(diǎn)火槍內(nèi)水汽凝結(jié)，使點(diǎn)火電極銹蝕或短路。

③氮?dú)饴饵c(diǎn)達(dá)到 -20℃；氮?dú)怆s質(zhì)要求：氮?dú)庑枰?jīng)過 1 微米過濾器精度；

④氮?dú)鉁囟龋撼兀ㄌ厥馇闆r需要加熱或冷卻）；

⑤氮?dú)庵胁缓杏蜌?，如含有油氣將影響電器元件正常工作?/p>

（2）氮?dú)鈮毫?、流量的要?/p>

①氮?dú)饷芊鈮毫?yīng)大于爐膛壓力（12KPa）；

②氮?dú)馔ㄈ肓坎灰诉^大，影響克勞斯?fàn)t燃燒效率。

經(jīng)計(jì)算：

氮?dú)饷芊鈮毫Γ篜=ρ*v2/2 P=0.10MPa ρ=1.25Kg/m3

因此0.1MPa=100000Pa=1.25 v2/2，經(jīng)計(jì)算，氮?dú)饬魉賤=105.5 m/s

管道流量計(jì)算：

限流孔直徑（d）：3.2mm

L=A*v=πd2*v /4 =3.14*0.0032*0.0032*105.5*3600/4=3.05 m3/h

因此推導(dǎo)出L=3.05m3/h

氮?dú)饷芊馔ㄈ肓空既紵諝庵械獨(dú)獾目偭?/p>

燃燒空氣流量：3900 m3/h（正常生產(chǎn)期間的平均流量）

燃燒空氣中氮?dú)夂繛榭偭康?8%，因此燃燒空氣中氮?dú)饪偭繛?900*0.78=3042 m3/h

通入氮?dú)庹急龋篟=R1/R2=3.05/3042=0.10%

氮?dú)饷芊馔ㄈ肓空急葹榭側(cè)紵諝獾?.10%，因此，增加氮?dú)饷芊獠粫?huì)影響正常工藝操作。氮?dú)鈮毫υO(shè)定為100KPa，高于克勞斯?fàn)t爐膛壓力12KPa，可以起到保護(hù)作用。

克勞斯?fàn)t點(diǎn)火系統(tǒng)點(diǎn)火槍由一雙作用氣動(dòng)閥驅(qū)動(dòng)，內(nèi)部無彈簧結(jié)構(gòu)，由兩端氣缸控制閥門動(dòng)作，控制燃燒器點(diǎn)火槍推入或退出爐膛，氣路控制元件由一兩位五通電磁閥控制。

兩位五通電磁閥失電時(shí)，先導(dǎo)閥關(guān)閉，1、2連通，氣缸進(jìn)氣，氣動(dòng)閥往近爐膛端動(dòng)作（退槍動(dòng)作）；兩位五通電磁閥帶電時(shí)，先導(dǎo)閥開啟，1、4連通，氣缸進(jìn)氣，氣動(dòng)閥往遠(yuǎn)爐膛端端動(dòng)作（點(diǎn)火槍推入動(dòng)作）?，F(xiàn)場雙作用氣動(dòng)閥通過電磁閥帶電、失點(diǎn)，控制滑閥動(dòng)作，切斷、導(dǎo)通不同氣路，氣缸內(nèi)無彈簧，氣缸動(dòng)作由兩端進(jìn)氣分別實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)現(xiàn)場工藝要求，點(diǎn)火槍在克勞斯?fàn)t點(diǎn)火成功及停工后，需要退出爐膛。增加氮?dú)饷芊庀到y(tǒng)，同時(shí)使氮?dú)饷芊庀到y(tǒng)可自動(dòng)投用。，該方案無需引入電源控制，使用純氣路進(jìn)行控制實(shí)施方案：

點(diǎn)火槍動(dòng)作與克勞斯?fàn)t點(diǎn)火系統(tǒng)氮?dú)饷芊馔队弥苯酉嚓P(guān)，當(dāng)點(diǎn)火槍退出爐膛及克勞斯?fàn)t停工后，需投用氮?dú)饷芊庀到y(tǒng)。在點(diǎn)火槍推動(dòng)氣缸控制點(diǎn)火槍退出爐膛的儀表風(fēng)管路處加裝三通閥，由兩位五通電磁閥結(jié)構(gòu)原理可知，當(dāng)點(diǎn)火槍退槍時(shí)，兩位五通電磁閥1、2接口連通，該氣道內(nèi)一直通氣，將該路氣源引做氣路放大器的控制氣源，氣路放大器安裝于氮?dú)夤苈诽?，即可通過控制氣源控制氣路放大器動(dòng)作。所引入的控制氣源只在氣路放大器膜片上部作用，不消耗氣量，且此段儀表風(fēng)管路較短，壓降可不考慮，不會(huì)影響加氫爐燃燒器點(diǎn)火槍氣缸正常動(dòng)作。同時(shí)，在燃燒空氣管線處加裝三通閥，使氮?dú)馔ㄟ^燃燒空氣管線，引入點(diǎn)火槍保護(hù)套管內(nèi)，作為密封氣。

最終，氮?dú)饷芊庀到y(tǒng)隨工藝需要，自動(dòng)投入和退出，能夠起到對克勞斯?fàn)t點(diǎn)火系統(tǒng)的保護(hù)作用。

4 應(yīng)用效果

改造后，檢查克勞斯?fàn)t點(diǎn)火系統(tǒng)使用情況?？藙谒?fàn)t燃燒器點(diǎn)火槍改造前套管、點(diǎn)火電極頭部焦黑，由積硫后，槍內(nèi)燃燒造成，改造后點(diǎn)火電極及套管工況良好。

點(diǎn)火電極上的10個(gè)瓷絕緣子，外觀良好，絕緣測試后，絕緣電阻均在10兆歐左右，絕緣良好；點(diǎn)火電極無銹蝕現(xiàn)象點(diǎn)火槍內(nèi)無凝結(jié)水凝結(jié)現(xiàn)象。

現(xiàn)場應(yīng)用，點(diǎn)火成功率大幅提升，點(diǎn)火系統(tǒng)設(shè)備狀況良好，平均點(diǎn)火耗時(shí)降低至1H以下。

綜合判斷，改造效果良好，氮?dú)饷芊馄鸬搅朔e極有益的作用。

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

本課題通過對克勞斯?fàn)t點(diǎn)火系統(tǒng)增加氮?dú)饷芊?，較好的解決了燃燒器點(diǎn)火槍銹蝕、臟堵、積水等問題，彌補(bǔ)了原有設(shè)計(jì)的不足，對于高含硫天然氣凈化生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定做出了積極的改善，可以廣泛應(yīng)用于凈化裝置現(xiàn)場克勞斯?fàn)t、加氫爐爐以及尾爐等燃燒反應(yīng)設(shè)備。

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作者簡介：

辛振，男，中石化中原油田天然氣處理廠助理工程師，主要從事化工儀表技術(shù)科研攻關(guān)、技術(shù)改造等方面工作。