電加熱器再熱技術(shù)在硫磺回收裝置上的應(yīng)用①

王小強(qiáng) 邱 斌 趙柳鑒 高健文 陳 亮 田夢(mèng)雯 黃 暄

(1. 中國(guó)石油西南油氣田公司重慶天然氣凈化總廠 2. 中國(guó)石油西南油氣田公司物資公司)

隨著全球環(huán)保要求的日趨嚴(yán)格，進(jìn)一步提高硫磺回收裝置硫磺回收率，減少尾氣中SO2排放量受到普遍重視[1]。在Claus硫磺回收工藝中，需要對(duì)過程氣采取直接或間接的加熱方式以達(dá)到催化反應(yīng)器所需的進(jìn)口溫度[3]。過程氣加熱方式的選擇是否合適將直接影響硫磺回收裝置的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。如何根據(jù)硫磺回收裝置的特點(diǎn)，合理選擇和利用過程氣加熱方式是工程設(shè)計(jì)人員和生產(chǎn)技術(shù)人員需要重視的問題。目前，電加熱器再熱技術(shù)在氣田采氣管線伴熱、甲醇?xì)浠厥昭b置、石化、煉化硫磺回收裝置中均有利用，技術(shù)相對(duì)成熟，但在西南地區(qū)的天然氣凈化裝置中尚缺乏應(yīng)用先例。

重慶天然氣凈化總廠綦江分廠設(shè)計(jì)規(guī)模為天然氣處理量20×104m3/d(101.325 kPa，20 ℃)，原料氣設(shè)計(jì)壓力2.27 MPa(G)，H2S摩爾分?jǐn)?shù)約為0.71%(10～12 g/m3)，CO2摩爾分?jǐn)?shù)0.05%；處理后凈化氣中H2S質(zhì)量濃度≤20 mg/m3，總硫質(zhì)量濃度≤200 mg/m3，CO2摩爾分?jǐn)?shù)≤3%，水露點(diǎn)≤-5 ℃(2.2 MPa(G)下)。硫磺回收裝置酸氣處理量約60 m3/h，酸氣中H2S摩爾分?jǐn)?shù)91.14%，硫磺回收率為90%～93%。投產(chǎn)后，實(shí)際酸氣量為35 m3/h，隨著上游產(chǎn)量的逐步降低，目前酸氣量?jī)H20～25 m3/h。由于綦江分廠硫磺回收裝置系統(tǒng)熱損失較大，氣-氣換熱器在裝置投產(chǎn)之初多次發(fā)生硫堵，二級(jí)催化反應(yīng)器進(jìn)口過程氣溫度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，致使二級(jí)催化反應(yīng)器無法投運(yùn)，硫磺回收率較低，尾氣中SO2含量較高。為了進(jìn)一步提高硫磺回收率，降低尾氣中SO2排放量，減少環(huán)境污染，需根據(jù)裝置現(xiàn)狀，重新選擇二級(jí)催化反應(yīng)器進(jìn)口過程氣再熱方式。

1 過程氣再熱方式比較及選擇

過程氣再熱方式主要有高溫?fù)胶头?、在線加熱爐加熱法、蒸汽加熱法、氣-氣換熱法等，上述方法在國(guó)內(nèi)硫磺回收裝置中均有工業(yè)應(yīng)用，且技術(shù)較為成熟[5]。各種預(yù)熱方式也可混合使用，如一級(jí)催化反應(yīng)器進(jìn)口過程氣采用高溫?zé)釗胶头訜幔?jí)反應(yīng)器進(jìn)口過程氣采用蒸汽加熱法或氣-氣換熱法等。電加熱器通常作為其他加熱方式的輔助設(shè)施。

目前，國(guó)內(nèi)硫磺回收裝置過程氣加熱以高溫?zé)釗胶?、裝置自產(chǎn)中壓蒸汽換熱、氣-氣換熱和在線加熱爐的方式居多，各種再熱方式對(duì)比見表1[3]。

在確定二級(jí)催化反應(yīng)器進(jìn)口過程氣加熱方式前，針對(duì)綦江分廠現(xiàn)狀進(jìn)行了分析和論證：

(1) 高溫氣摻和宜使用雙管程余熱鍋爐的第一管程出口氣，其溫度為400～650 ℃，摻和閥條件不苛刻，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。雖然與使用燃燒爐出口氣摻和相比摻和量大一些，但可靠性高。該方案因摻和氣中H2S及SO2濃度較高且含有較多硫蒸氣，不利于轉(zhuǎn)化，僅可用于一級(jí)催化反應(yīng)器前的再熱。

表1 幾種過程氣再熱方式對(duì)比

(2) 由于裝置區(qū)占地面積較小，空間布局緊湊，故無足夠的占地面積。此外，硫磺回收裝置風(fēng)機(jī)無足夠的余量。若增加風(fēng)機(jī)，勢(shì)必會(huì)造成投資及運(yùn)行成本的增加。因此，不宜采用在線加熱爐加熱法。

(3) 鍋爐設(shè)計(jì)負(fù)荷較小，最大蒸汽量為1 t/h，無多余蒸汽對(duì)過程氣進(jìn)行加熱。同時(shí)，蒸汽系統(tǒng)壓力僅0.3 MPa，無法將過程氣加熱至二級(jí)催化反應(yīng)器進(jìn)口過程氣溫度。若提高蒸汽壓力，則涉及蒸汽換熱的設(shè)備將超出工作壓力設(shè)計(jì)值運(yùn)行，存在不安全因素。因此，不宜采用蒸汽加熱法。

(4) 硫磺回收裝置酸氣實(shí)際負(fù)荷僅為設(shè)計(jì)負(fù)荷的50%，熱量不足，且系統(tǒng)熱損失較大，余熱鍋爐出口至一級(jí)反應(yīng)器入口段過程氣管線長(zhǎng)度僅18 m，溫降達(dá)70 ℃。由于過程氣溫度較低，原設(shè)計(jì)的氣-氣換熱法在開產(chǎn)之初，多次發(fā)生硫堵，導(dǎo)致硫磺回收裝置無法投產(chǎn)運(yùn)行。因此，不宜采用氣-氣換熱法。

基于上述原因，最終確定選擇電加熱作為過程氣的再熱方式。

2 電加熱器工作原理和結(jié)構(gòu)

電加熱器的熱量由置于加熱器內(nèi)的電加熱元件產(chǎn)生，通過強(qiáng)制對(duì)流的方式對(duì)介質(zhì)進(jìn)行加熱，加熱時(shí)采用流體熱力學(xué)原理，過程氣作為熱載體的加熱介質(zhì)從容器口進(jìn)入，將電加熱器工作時(shí)產(chǎn)生的熱量傳遞出去，從而達(dá)到工藝加熱的要求[4]。

當(dāng)介質(zhì)溫度接近設(shè)定值時(shí)，電加熱器控制系統(tǒng)依據(jù)輸出口溫度傳感器信號(hào)，進(jìn)行PID運(yùn)算，自動(dòng)調(diào)節(jié)電加熱器輸出功率，使輸出口的介質(zhì)溫度達(dá)到所需要求。當(dāng)發(fā)熱元件超溫時(shí)，發(fā)熱元件的過熱保護(hù)裝置立即自動(dòng)切斷加熱電源，避免發(fā)熱元件燒壞，延長(zhǎng)電加熱器的使用壽命。電加熱器結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

由圖1可見，加熱器設(shè)計(jì)了折流板，延遲了過程氣在加熱器中的滯留時(shí)間，從而可保證過程氣被加熱至工藝所需的溫度。圖中僅示意性地畫出兩只加熱元件，實(shí)為12支。加熱器殼體直徑380 mm，長(zhǎng)度2 548 mm。

該加熱元件由316L不銹鋼制成，管內(nèi)電阻絲通常為鎳鉻絲，有時(shí)采用更耐高溫的鉑鎳鉻絲，在電阻絲周圍填充石英砂，使電阻絲對(duì)管壁絕緣。電阻絲構(gòu)成的加熱元件，電壓380 V，溫度最高可達(dá)350 ℃，每個(gè)元件功率2.1 kW，其結(jié)構(gòu)尺寸見圖2。

3 應(yīng)用情況

2010年12月，重慶天然氣凈化總廠綦江分廠開始使用電加熱器進(jìn)行過程氣再熱，截至2013年，已使用兩年多時(shí)間，裝置總體運(yùn)行平穩(wěn)，解決了硫磺回收裝置因過程氣溫度較低使得二級(jí)催化反應(yīng)器無法投運(yùn)從而影響硫回收率的問題。

3.1 增設(shè)電加熱器前后硫磺回收裝置運(yùn)行情況

2010年11月前，影響硫磺回收率的主要因素是酸氣量?jī)H35 m3/h左右，為設(shè)計(jì)負(fù)荷的58%，系統(tǒng)熱量不足，熱損失較大，二級(jí)反應(yīng)器入口溫度偏低，因此，只投用了一級(jí)反應(yīng)器及二級(jí)硫磺冷凝冷卻器，硫磺回收率僅84.2%，工藝流程見圖3。

2010年11月大修期間，對(duì)硫磺回收裝置進(jìn)行了技改，在二級(jí)反應(yīng)器入口增設(shè)電加熱器，確保二級(jí)反應(yīng)器入口過程氣溫度達(dá)到生產(chǎn)條件，使二級(jí)反應(yīng)器及三級(jí)硫磺冷凝冷卻器能投入運(yùn)行。技改后硫磺回收率提高至約90%，工藝流程圖見圖4。

自2010年12月7日電加熱器投運(yùn)至2013年3月30日，電加熱器共運(yùn)行18 601 h，運(yùn)行平穩(wěn)。硫磺回收裝置酸氣中H2S摩爾分?jǐn)?shù)高達(dá)90%，在運(yùn)行過程中，未發(fā)現(xiàn)腐蝕穿孔現(xiàn)象。生產(chǎn)運(yùn)行期間，二級(jí)反應(yīng)器入口溫度及床層溫度較為平穩(wěn)，如表2所示。

表2 二級(jí)反應(yīng)器入口溫度及床層溫度

由表2可以看出，二級(jí)反應(yīng)器投入運(yùn)行后，二級(jí)反應(yīng)器床層溫度較穩(wěn)定，未出現(xiàn)大幅度波動(dòng)現(xiàn)象。在生產(chǎn)運(yùn)行過程中，二級(jí)反應(yīng)器及二、三級(jí)硫磺冷凝冷卻器均未出現(xiàn)硫堵現(xiàn)象。

3.2 應(yīng)用中出現(xiàn)的問題

電加熱器在應(yīng)用過程中出現(xiàn)的主要問題見表3[2]。

表3 故障情況統(tǒng)計(jì)分析

3.3 使用注意事項(xiàng)

(1) 接頭的防水措施需進(jìn)一步提高，防爆接線腔部位應(yīng)采用遮雨設(shè)施，做好防腐、保溫施工。

(2) 應(yīng)視輸入、輸出功率選擇適當(dāng)?shù)碾娂訜崞麟娫摧斎搿⑤敵鰧?dǎo)線，以免因?qū)Ь€過熱影響設(shè)備的正常運(yùn)行。同時(shí)，應(yīng)注意接線是否緊固，避免出現(xiàn)因接頭松動(dòng)而導(dǎo)致的供電異常，致使電加熱器內(nèi)部溫度升高，發(fā)生超溫報(bào)警現(xiàn)象。

(3) 設(shè)備啟運(yùn)時(shí)必須確保過程氣流動(dòng)，若在電加熱器處于封閉狀態(tài)時(shí)啟動(dòng)，會(huì)因升溫迅速燒毀內(nèi)部元件。因此，在電加熱器開始工作前，應(yīng)先使加熱介質(zhì)處于流動(dòng)狀態(tài)后再啟動(dòng)電加熱器。

(4) 管束與管板連接部位的密封性能需進(jìn)一步優(yōu)化。

(5) 為保證加熱調(diào)溫的平穩(wěn)，應(yīng)選用高精度控制面板。

(6) 對(duì)于酸氣濃度較高的硫磺回收裝置，應(yīng)充分考慮設(shè)備及加熱元件的耐腐蝕性能。

4 結(jié) 語

電加熱器采用閉路循環(huán)供熱，其熱損失小，具有能源供應(yīng)方便，結(jié)構(gòu)緊湊，溫度自動(dòng)控制，操作簡(jiǎn)便，無污染等優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)應(yīng)用于綦江分廠硫磺回收裝置過程氣再熱已有兩年多時(shí)間，投運(yùn)后可確保硫磺回收裝置二級(jí)反應(yīng)器溫度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，裝置運(yùn)行平穩(wěn)，硫磺回收率達(dá)到設(shè)計(jì)值，減少了尾氣中的SO2排放，帶來了較好的環(huán)保效益。該項(xiàng)技術(shù)在天然氣凈化廠硫磺回收裝置過程氣再熱方面的成功應(yīng)用，可為類似小型硫磺回收裝置提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 金洲.降低硫磺回收裝置煙氣中SO2排放問題探討[J].石油與天然氣化工，2012，41(5):473-478.

[2] 秦連彬，李庚昌，張濤，等. 電加熱技術(shù)在氣田的節(jié)能效果分析[J]. 油田節(jié)能，2005，16(1)：13-15.

[3] 殷樹青. 硫磺回收裝置過程氣加熱方式比較[J]. 硫酸工業(yè)，2012(2)：45-48．

[4] 左寶信. 甲醇?xì)浠厥昭b置電加熱器的改造[J]. 電工技術(shù)，1993(1)：19-20．

[5] 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．