液硫脫氣廢氣入克勞斯?fàn)t在硫磺回收裝置的應(yīng)用

楊程 李偉華

(1. 中石化廣元天然氣凈化有限公司，四川 廣元 628017；2. 中原油田普光分公司，四川 達(dá)州 635002)

0 引言

某硫磺回收裝置以上游胺液再生塔的酸性氣為原料設(shè)計生產(chǎn)硫磺20萬t/a，該裝置的工藝路線由常規(guī)兩級克勞斯和配套SCOT尾氣處理組合而成，總硫回收率達(dá)99.8%。各級硫冷凝器的液硫一般含有100×10-6～300×10-6H2S，為了保證下游硫磺成型單元的安全，液硫必須進(jìn)行處理使H2S含量降低至10×10-6。該裝置采用的是最為常見的Shell空氣鼓泡工藝[1]，空氣自克勞斯風(fēng)機(jī)引至液硫池脫氣區(qū)。為保證液硫池微負(fù)壓操作，液硫池產(chǎn)生的含硫廢氣采用蒸汽抽射器送至尾氣焚燒爐的工藝(簡稱“常規(guī)工藝”，下同)進(jìn)行焚燒，使煙氣中的SO2排放量增加100～200mg/Nm3[2]。

為了控制SO2的排放量，國家對污染物排放提出了更高的要求，發(fā)布GB 31570—2015《石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，其中酸性氣回收裝置要求煙氣中SO2濃度小于400mg/m3，環(huán)境敏感地區(qū)排放限值為100mg/m3。硫磺回收裝置煙氣貢獻(xiàn)主要來自尾氣吸收塔凈化尾氣和液硫脫氣廢氣，為了減排，很多研究者都在探索液硫脫氣廢氣的新的解決方案[2-7]。目前大致有三種解決方案：液硫廢氣入克勞斯?fàn)t[2-4]、液硫廢氣入克勞斯反應(yīng)器[2]和某專利液硫廢氣入加氫反應(yīng)器[5-7]。液硫廢氣入克勞斯反應(yīng)器會導(dǎo)致總硫回收率下降，加氫單元負(fù)荷高，尾氣仍具有超標(biāo)風(fēng)險；專利要求加氫催化劑具有一定的耐氧性，再者，作為液硫池汽提氣的凈化尾氣要求凈化度高，總之該方案成本最高。而液硫廢氣入克勞斯?fàn)t的工藝(簡稱“新工藝”)除了可能會降低克勞斯?fàn)t溫，能夠良好解決煙氣排放含量高的問題，成為某裝置的首要選擇。

1 新工藝改造說明

2019年7月，某裝置檢修期間對液硫廢氣入克勞斯?fàn)t進(jìn)行了技改，工藝簡圖如圖1所示。新增1臺空氣加熱器，將燃燒空氣加熱至135～140℃，防止含硫廢氣堵塞克勞斯空氣管線；新增2臺中壓蒸汽抽射器取代低壓蒸汽抽射器，新建1條液硫池廢氣入克勞斯?fàn)t爐頭空氣管線的夾套管線，利用中壓蒸汽將液硫池廢氣送至克勞斯?fàn)t，其余管線利舊。

圖1 液硫脫氣廢氣入克勞斯?fàn)t改造

安全儀表系統(tǒng)涉及中壓蒸汽切斷閥、廢氣至尾爐切斷閥和廢氣至克勞斯?fàn)t切斷閥。具體動作如下：當(dāng)液硫池著火和尾爐停車時，聯(lián)鎖關(guān)閉中壓蒸汽和廢氣入克勞斯?fàn)t切斷閥；克勞斯?fàn)t聯(lián)鎖跳車，關(guān)閉廢氣入克勞斯?fàn)t切斷閥，打開去尾爐切斷閥。

2 測試結(jié)果

測試之前預(yù)先投用空氣加熱器，11月2日液硫池廢氣由去尾爐流程轉(zhuǎn)至克勞斯?fàn)t流程。新工藝投用前后克勞斯?fàn)t酸性氣負(fù)荷穩(wěn)定在31000～32300Nm3/h，同時為了探索新工藝對煙氣SO2排放影響，尾氣吸收塔的貧胺液和再生塔所消耗的低壓蒸汽流量分別固定為240t/h和48t/h。

2.1 液硫H2S含量與空氣鼓泡量的關(guān)系

為了分析液硫H2S含量與空氣鼓泡量的關(guān)系，自11月1日每日對液硫池產(chǎn)品區(qū)的液硫進(jìn)行兩次H2S含量分析，取平均值做最終結(jié)果。液硫H2S含量和空氣鼓泡量如圖2所示。由此可知，液硫的品質(zhì)隨著空氣鼓泡量的增大而得到顯著提高。10月31日液硫H2S含量74×10-6，煙氣SO2含量在300～400mg/Nm3波動，所以受限于環(huán)保壓力，液硫鼓泡空氣閥保持小開度流量，最終液硫品質(zhì)不合格。11月3日至4日期間空氣鼓泡量為500kg/h，液硫H2S含量為11.4×10-6，等同于合格液硫。繼續(xù)提高空氣鼓泡量為700kg/h，液硫H2S含量穩(wěn)定于10×10-6。

圖2 不同時間空氣股泡量和液硫H2S含量分析

2.2 煙氣與新工藝和常規(guī)工藝的關(guān)系

自10月23日15:00至11月11日24:00(t=0～465h))酸性氣負(fù)荷始終控制在31000～32300Nm3/h，當(dāng)t=237h，液硫池廢氣由常規(guī)工藝切換至新工藝處理。圖3中的(a)～(c)分別是t=33～81h、t=177～225h和t=321～369h的酸性氣流量曲線。按照常規(guī)工藝，液硫鼓泡不投用或者保持小開度，將胺液再生蒸汽提高至54t/h來減少凈化尾氣對于煙氣SO2排放的貢獻(xiàn)值，液硫廢氣由蒸汽抽射器送往尾爐焚燒，煙氣SO2排放量在313～364mg/Nm3。此煙氣值是在犧牲硫磺品質(zhì)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，不合格液硫只能輸往下游。前已述及，在投用空氣的鼓泡前提下，煙氣SO2排放量可以增加100～200mg/Nm3。新工藝投用后，在系統(tǒng)總胺液再生蒸汽為48t/h和液硫700kg/h大流量空氣鼓泡的前提下，不僅煙氣SO2含量始終在150～235mg/Nm3，總硫回收率得到進(jìn)一步的提高。

2.3 新工藝對下游的影響

新工藝的空氣鼓泡量在700kg/h，作為抽射器動力的中壓蒸汽流量為1.26t/h，由于克勞斯?fàn)t內(nèi)燃燒的各介質(zhì)的體積流量是以273K和100kPa為基準(zhǔn)，推算得出鼓泡空氣和動力蒸汽的流量為3700Nm3/h，而液硫池產(chǎn)生的廢氣為1443Nm3/h(廢氣以體 積 分 數(shù) 計：N2：76.60%、O2：20.37%、H2S：0.65%、S：0.03%、H2O：2.09%)，因而蒸汽抽射器出口廢氣流量為5143Nm3/h，占總過程氣76800Nm3/h的6.7%，因此基本不影響克勞斯?fàn)t操作。新工藝增設(shè)的空氣加熱器將空氣由原來的97℃升高至135℃，克勞斯?fàn)t溫不會明顯降低。在實際的測試中，新工藝條件下的爐溫比常規(guī)工藝降低10℃左右，這是符合預(yù)期的。且液硫脫氣廢氣可基本上視為空氣，參與H2S的熱轉(zhuǎn)化，在此過程中克勞斯?fàn)t的配風(fēng)原理仍是1/3的H2S完全轉(zhuǎn)化為SO2，因此新工藝對加氫單元無任何不利影響。

2.4 新工藝和常規(guī)工藝對比

新工藝投用前后，相關(guān)參數(shù)對比如表1所示。新工藝可以節(jié)約0.4MPa低壓飽和蒸汽4.6t/h，不僅生產(chǎn)出合格的液硫，而且煙氣SO2排放量降低131～214mg/Nm3，煙氣排放速率由原來的27.6kg/h降低為16.8kg/h。全廠12列裝置技改后，預(yù)計全廠每年可以減排777.7t SO2(干煙氣流量在87500Nm3/h左右)，節(jié)能和減排效果顯著。

圖3 不同時間段酸性氣負(fù)荷及相對應(yīng)煙氣SO2排放含量

表1 新工藝和常規(guī)工藝對相關(guān)參數(shù)的對比

3 結(jié)語

某硫磺回收裝置對液硫脫氣廢氣入克勞斯?fàn)t進(jìn)行了改造并進(jìn)行了一系列測試，測試表明煙氣含量由313～364mg/Nm3下降至150～235mg/Nm3，消除了工藝波動時煙氣超過400mg/Nm3的可能，煙氣排放速率由原來的27.6kg/h降低為16.8kg/h，進(jìn)一步提高了總硫回收率。新工藝具有可操作性強(qiáng)、節(jié)能以及減排效果顯著的特點，值得在硫磺回收行業(yè)內(nèi)進(jìn)行推廣。