80 kt/a硫磺回收裝置采用富氧工藝的可行性探討①

初爾軍　王吉云

大連西太平洋石油化工有限公司

80 kt/a硫磺回收裝置采用富氧工藝的可行性探討①

初爾軍王吉云

大連西太平洋石油化工有限公司

摘要簡(jiǎn)要闡述了空分裝置在正常運(yùn)行過(guò)程中釋放富氧空氣的主要參數(shù)及80 kt/a硫磺回收裝置相關(guān)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)工藝過(guò)程中主要物料平衡進(jìn)行計(jì)算分析，討論了空分裝置釋放富氧空氣用于80 kt/a硫磺回收裝置的可行性。

關(guān)鍵詞硫磺回收富氧空分裝置計(jì)算分析可行性

目前，硫磺回收裝置普遍采用燒氨技術(shù)，如再采用富氧工藝，可以提高主燃燒爐內(nèi)溫度，有利于處理H2S含量較低的貧酸性氣和含氨酸性氣，并使氨組分得到徹底燒除。采用富氧工藝，由于減少進(jìn)入系統(tǒng)的惰性氣體量，可以提高裝置處理能力，因而更適用于現(xiàn)有裝置為提高處理量進(jìn)行的改造擴(kuò)能。另外，鋯剛玉莫來(lái)石耐火材料(其最高使用溫度可達(dá)1 600 ℃)在制硫主燃燒爐耐火襯里上的應(yīng)用[1]，為富氧工藝技術(shù)的推廣提供了有利的條件。

大連西太平洋石油化工有限公司建有2套硫磺回收裝置，1套生產(chǎn)規(guī)模為100 kt/a，采用中溫?fù)胶显贌峒夹g(shù)處理清潔酸性氣；另1套生產(chǎn)規(guī)模為80 kt/a，采用蒸汽加熱器再熱技術(shù)處理含氨酸性氣。兩套裝置制硫主燃燒爐耐火襯里均采用鋯剛玉莫來(lái)石耐火材料。由于富氧工藝可以提高主燃燒爐溫度，使得含氨酸性氣中氨組分更易燒除，因此，就兩套裝置的工藝特點(diǎn)而言，80 kt/a裝置更適合采用富氧工藝。

當(dāng)前空分裝置分離氮?dú)夂筢尫鸥谎蹩諝?以下簡(jiǎn)稱“富氧”)，正常負(fù)荷下流量為6 000 m3/h(20 ℃，101.325 kPa，下同)，O2體積分?jǐn)?shù)38%，壓力5~20 kPa，溫度14~15 ℃。通過(guò)以下分析討論空分裝置釋放富氧用于80 kt/a硫磺回收裝置的可行性。

1工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的收集與計(jì)算

1.1硫磺回收裝置工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

80 kt/a硫磺回收裝置設(shè)計(jì)年產(chǎn)硫磺80 kt，操作彈性范圍為30%~110%，主燃燒爐有效容積60 m3。其工藝過(guò)程可分為硫磺回收、尾氣處理和尾氣焚燒3個(gè)單元。硫磺回收單元主燃燒爐采用帶旁路的工藝流程，如圖1所示。將體積分?jǐn)?shù)為10%~30%的清潔酸性氣引至主燃燒爐中部以調(diào)節(jié)爐膛前部溫度，剩余的清潔酸性氣和含氨酸性氣混合后進(jìn)入強(qiáng)混燒嘴中充分燃燒，爐膛前部溫度通過(guò)分流至中部的清潔酸性氣流量進(jìn)行調(diào)節(jié)[2](正常時(shí)溫度可達(dá)到1 350 ℃以上)。尾氣處理單元采用SSR工藝技術(shù)[3]。

由于現(xiàn)有裝置改用富氧技術(shù)，主要核算制硫主燃燒爐部分工藝參數(shù)是否能滿足改造要求，而其后續(xù)系統(tǒng)影響不大。因此，對(duì)于硫磺回收單元反應(yīng)器部分、尾氣處理單元和尾氣焚燒單元，在此不做討論。

裝置在100%負(fù)荷下，進(jìn)入主燃燒爐空氣及主燃燒爐內(nèi)過(guò)程氣的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)列于表1。

1.2空分裝置正常運(yùn)行數(shù)據(jù)

空分裝置目前能在正常負(fù)荷條件下非連續(xù)性釋放6 000 m3/h、壓力5~20 kPa、溫度14~15 ℃、O2體積分?jǐn)?shù)為38%的富氧。計(jì)算出富氧數(shù)據(jù)列于表1。

表1 采用富氧工藝前后的計(jì)算結(jié)果比較Table1 Comparisonofcalculationresultsbeforeandafterusingoxygen-enrichmentprocess項(xiàng)目不采用富氧進(jìn)入主燃燒爐空氣不采用富氧主燃燒爐內(nèi)過(guò)程氣空分裝置釋放富氧采用富氧補(bǔ)充空氣采用富氧主燃燒爐內(nèi)過(guò)程氣項(xiàng)目不采用富氧進(jìn)入主燃燒爐空氣不采用富氧主燃燒爐內(nèi)過(guò)程氣空分裝置釋放富氧采用富氧補(bǔ)充空氣采用富氧主燃燒爐內(nèi)過(guò)程氣溫度/℃65138614~15①651400壓力/MPa0.0580.0490.005~0.02①0.0580.049質(zhì)量流量/(kg·h-1)3047345225792316323(39003)摩爾流量/(kmol·h-1)H218.36918.369②Ar9.7749.7744.5395.2359.774O2219.192101.786117.406N2817.150855.921157.257437.694633.722CO1.4671.467②CO20.34517.3240.1600.18517.324H2S64.66064.660COS0.9760.976SO235.81635.816CS22.9972.997H2O8.861447.5394.1154.746447.539NH3Sx111.597111.597合計(jì)1055.3211566.440267.857565.2671344.241φ(O2)/%20.77038.00020.770平均分子質(zhì)量28.87628.87129.57928.87629.015 注:①空分裝置釋放出富氧的工藝條件。②H2和CO含量可能存在變化,但變化不大,且對(duì)計(jì)算數(shù)值的影響很小,此處為簡(jiǎn)化計(jì)算視為不變。

2采用富氧工藝的可行性討論

2.1工藝數(shù)據(jù)計(jì)算

以設(shè)計(jì)加工負(fù)荷100%為依據(jù)，計(jì)算采用富氧工藝后的各工藝數(shù)據(jù)。

2.1.1采用富氧后補(bǔ)充空氣工藝數(shù)據(jù)

從表1可以看出，在處理的清潔酸性氣和含氨酸性氣組分、總量不變的前提下，若將空分裝置富氧完全引入制硫主燃燒爐，為了保證裝置的正常生產(chǎn)運(yùn)行負(fù)荷，還需補(bǔ)充一定量的空氣，計(jì)算需補(bǔ)充的空氣及各組分物質(zhì)的量列于表1。

2.1.2采用富氧后主燃燒爐內(nèi)過(guò)程氣工藝數(shù)據(jù)

在原有加工負(fù)荷及物料組分不變的前提下，采用富氧后主燃燒爐內(nèi)的過(guò)程氣及各組分物質(zhì)的量通過(guò)計(jì)算得到，列于表1。

2.1.3直接用于分析討論的數(shù)據(jù)

(1) 通過(guò)表1中空分裝置釋放富氧的總物質(zhì)的量和補(bǔ)充空氣的總物質(zhì)的量，可計(jì)算出兩股空氣混合后進(jìn)入主燃燒爐空氣中O2的體積分?jǐn)?shù)為26.31%。

(2) 通過(guò)表1中不采用富氧時(shí)主燃燒爐內(nèi)的過(guò)程氣數(shù)據(jù)計(jì)算出主燃燒爐內(nèi)(1 386 ℃)元素硫Sx的平均分子質(zhì)量MSx為64.477。

(3) 依據(jù)表1中采用富氧時(shí)的補(bǔ)充空氣數(shù)據(jù)和MSx結(jié)果計(jì)算出采用富氧后主燃燒爐內(nèi)過(guò)程氣的總質(zhì)量流量WP2為39 003 kg/ h，平均分子質(zhì)量MP2為29.015。

(4) 計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)狀況下不采用富氧時(shí)主燃燒爐內(nèi)過(guò)程氣體積流量V標(biāo)1為9.747 m3/s，采用富氧后主燃燒爐內(nèi)過(guò)程氣體積流量V標(biāo)2為8.364 m3/s。進(jìn)而計(jì)算得到在主燃燒爐內(nèi)條件下(1 386 ℃，0.049 MPa)不采用富氧時(shí)主燃燒爐內(nèi)的過(guò)程氣體積流量VP1為36.572 m3/s。

(5) 主燃燒爐內(nèi)有效容積為60 m3，利用VP1結(jié)果計(jì)算不采用富氧時(shí)主燃燒爐內(nèi)的過(guò)程氣停留時(shí)間(也就是原設(shè)計(jì)停留時(shí)間)tP1為1.641 s。

2.2可行性分析

2.2.1制硫主燃燒爐內(nèi)溫度

在保證原有加工負(fù)荷及物料組分不變的前提下，采用富氧后主燃燒爐內(nèi)過(guò)程氣中的N2減少222.199 kmol，從而減少加熱N2所需的熱量損耗，主燃燒爐內(nèi)的溫度比不采用富氧時(shí)高，圖2為采用富氧空氣后主燃燒爐的溫度變化曲線[2]。

采用富氧后進(jìn)入主燃燒爐空氣中O2體積分?jǐn)?shù)為26.31%，由圖2可查得主燃燒爐溫度提高了約125 ℃，即采用富氧后主燃燒爐溫度能達(dá)到1 511 ℃。在生產(chǎn)過(guò)程中，可通過(guò)調(diào)整旁路清潔酸性氣的進(jìn)爐流量調(diào)節(jié)爐溫，使溫度調(diào)節(jié)范圍更寬，便于主燃燒爐內(nèi)的溫度控制。

由于主燃燒爐耐火襯里設(shè)計(jì)最高工作溫度為1 450 ℃，為了保護(hù)設(shè)備，并保證氨的徹底脫除，建議爐溫控制在1 400 ℃為宜，以下均按采用富氧后主燃燒爐內(nèi)的過(guò)程氣溫度為1 400 ℃考慮。

2.2.2過(guò)程氣在制硫主燃燒爐內(nèi)停留時(shí)間

在原有加工負(fù)荷及物料組分不變的前提下，采用富氧后制硫主燃燒爐內(nèi)過(guò)程氣溫度控制為1 400 ℃，通過(guò)計(jì)算求出采用富氧后主燃燒爐內(nèi)過(guò)程氣體積流量VP2(1 400)為31.684 m3/s，進(jìn)而得到爐內(nèi)過(guò)程氣停留時(shí)間tP2(1 400)為1.896 s。

在原有加工負(fù)荷以及物料組分不變的情況下，采用富氧后爐內(nèi)過(guò)程氣停留時(shí)間tP2(1 400)為1.896 s，比不用富氧時(shí)主燃燒爐內(nèi)過(guò)程氣停留時(shí)間1.641 s長(zhǎng)0.255 s。停留時(shí)間的延長(zhǎng)意味著爐內(nèi)硫回收率增大，燒氨更徹底。

2.2.3加工負(fù)荷

提高負(fù)荷量的依據(jù)主要包括停留時(shí)間和熱負(fù)荷。在此僅討論保證原有設(shè)計(jì)停留時(shí)間情況下的負(fù)荷提高情況。

不采用富氧且處理量負(fù)荷為100%時(shí)，主燃燒爐內(nèi)的過(guò)程氣停留時(shí)間為1.641 s，體積流量為36.572 m3/s(1 386 ℃，0.049 MPa)。為了保持主燃燒爐內(nèi)過(guò)程氣停留時(shí)間為1.641 s，使采用富氧后主燃燒爐內(nèi)過(guò)程氣的體積流量也為36.572 m3/s(1 400 ℃，0.049 MPa)，則36.572-31.648=4.924 m3/s即為負(fù)荷提高后過(guò)程氣體積流量的增加值，換算為1 386 ℃，0.049 MPa條件下的數(shù)值，則△V1 386=4.883 m3/s。

由此可直接通過(guò)主燃燒爐內(nèi)的過(guò)程氣體積流量數(shù)據(jù)計(jì)算出采用富氧工藝后在原設(shè)計(jì)100%加工負(fù)荷工況下(指采用富氧后除加工量和主燃燒爐溫度外，其余參數(shù)均與不采用富氧的原設(shè)計(jì)加工負(fù)荷100%運(yùn)行時(shí)對(duì)應(yīng)的參數(shù)相同。下文中“原設(shè)計(jì)加工負(fù)荷110%工況”同此。)生產(chǎn)工業(yè)硫磺量W100為90 681 t/a，即原設(shè)計(jì)加工負(fù)荷110%工況下生產(chǎn)工業(yè)硫磺量W110為99 749 t/a。

綜上所述，采用富氧工藝后，在不對(duì)現(xiàn)有裝置進(jìn)行變動(dòng)的基礎(chǔ)上，裝置最大生產(chǎn)負(fù)荷可提高至124.7%。需要說(shuō)明的是，上述計(jì)算過(guò)程中未考慮系統(tǒng)熱負(fù)荷變化的情況。

2.2.4制硫主燃燒爐內(nèi)壓力

在上述計(jì)算過(guò)程中，為了便于分析，主燃燒爐內(nèi)壓力仍保持為0.049 MPa。但實(shí)際上采用富氧工藝后主燃燒爐內(nèi)過(guò)程氣中氣態(tài)元素硫SX和氣態(tài)H2O增多，同體積氣體如可凝氣體組分量較大，經(jīng)冷卻冷凝后體積反而變小。由此，可以斷定在原設(shè)計(jì)加工負(fù)荷為100%工況時(shí)，采用富氧工藝后制硫主燃燒爐內(nèi)壓力一定小于0.049 MPa。這對(duì)于硫磺回收裝置而言是有利的，不但能降低能耗，延長(zhǎng)運(yùn)行周期，還有利于提高酸氣處理負(fù)荷。

2.2.5空分裝置釋放富氧溫度

空分裝置釋放富氧的溫度為14~15 ℃，在冬季此溫度高于大氣溫度。采用空分裝置釋放富氧后，對(duì)裝置運(yùn)行中有利于節(jié)省能耗及控制主燃燒爐爐溫，但作用不大，故可予以忽略。而在夏季時(shí)，此溫度略低于大氣溫度，對(duì)裝置運(yùn)行影響微乎其微。因此，采用空分裝置釋放富氧，其溫度并非制約因素。如果采用風(fēng)機(jī)將富氧送至80 kt/a硫磺回收裝置，則富氧溫度還會(huì)有所提高，有利于硫磺回收裝置的運(yùn)行。

2.2.6空分裝置釋放富氧壓力

空分裝置釋放富氧的壓力為5~20 kPa，而80 kt/a硫磺回收裝置制硫主燃燒爐內(nèi)壓力為49 kPa，因此，富氧不能直接進(jìn)入主燃燒爐。由于空分裝置距80 kt/a硫磺回收裝置較遠(yuǎn)，富氧管線長(zhǎng)約1 000 m，其沿程阻力降過(guò)大，勢(shì)必影響空分裝置釋放富氧壓力，不利于分子篩再生。因此，需在空分裝置新建富氧罐(實(shí)為緩沖罐)和輸送風(fēng)機(jī)，把富氧送至80 kt/a硫磺回收裝置，再經(jīng)主燃燒爐風(fēng)機(jī)提壓后進(jìn)入主燃燒爐。因新建富氧罐和輸送風(fēng)機(jī)，從而增加投資及日后的運(yùn)行費(fèi)用。但裝置采用富氧工藝后最大負(fù)荷可提高至124.7%，為大負(fù)荷煉制高硫原油創(chuàng)造更為有利的條件。

2.2.7空分裝置釋放富氧方式

空分裝置釋放富氧的工藝過(guò)程為：分離氮?dú)夂蟾谎踹M(jìn)入分子篩床層，再生分子篩并釋放出來(lái)。由于多套分子篩床層的吸附和再生交替進(jìn)行，使得釋放富氧操作不能連續(xù)進(jìn)行，從而影響了富氧的二次利用。因此，在新建富氧罐時(shí)，需采用合理的儲(chǔ)存方式(緩沖)和容積解決此問(wèn)題。

3結(jié) 論

通過(guò)上述分析可知，空分裝置釋放富氧可用于80 kt/a硫磺回收裝置。同時(shí)，可得出以下結(jié)論：

(1) 采用富氧工藝后制硫主燃燒爐在原設(shè)計(jì)100%加工負(fù)荷的工況下，主燃燒爐爐溫可以提高125 ℃，有利于處理H2S含量較低的貧酸性氣和含氨酸性氣，并使氨組分能徹底燒除，同時(shí)更方便于制硫主燃燒爐爐溫的控制。

(2) 采用富氧工藝后在不對(duì)原有裝置進(jìn)行改動(dòng)的情況下，加工負(fù)荷可提高至原設(shè)計(jì)的124.7%。

(3) 采用富氧工藝和不采用富氧工藝兩種運(yùn)行方式結(jié)合運(yùn)用，可使得裝置操作彈性范圍提高到30%～124.7%，不但能提高裝置的適應(yīng)性，還可為公司原油加工方案提供更大的選擇空間。

(4) 由于空分裝置釋放富氧壓力低以及釋放的不連續(xù)性，對(duì)比新增設(shè)備所增加的投資和運(yùn)行費(fèi)用及其收益情況可知，該方案在經(jīng)濟(jì)上可行。

(5) 上述計(jì)算未考慮提高加工負(fù)荷后熱負(fù)荷的提高，為此，還需進(jìn)一步核算制硫主燃燒爐后續(xù)設(shè)備熱負(fù)荷是否能滿足要求。

(6) 對(duì)于100 kt/a硫磺回收裝置，若需在不對(duì)原裝置進(jìn)行大改動(dòng)的前提下進(jìn)行燒氨改造，則采用富氧工藝也可能是較好的備選方案。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 許寶元, 邵承宏, 王新軍, 等. 鋯剛玉莫來(lái)石制品在硫磺回收反應(yīng)爐中的應(yīng)用[J]. 石油化工設(shè)備技術(shù), 2005, 26(1): 1-4.

[2] 王吉云, 溫崇榮. 硫磺回收裝置燒氨技術(shù)特點(diǎn)及存在的問(wèn)題[J]. 石油與天然氣化工, 2008, 37(3): 218-222.

[3] 范西四, 曲思秋. 不斷完善走向成熟的“SSR”工藝技術(shù). 硫磺回收技術(shù)論文集[C]. 淄博: 硫磺回收技術(shù)協(xié)作組, 2006.

Application feasibility discussion of using oxygen-enriched process for an 80 kt/a sulfur recovery unit

Chu Erjun, Wang Jiyun

(WestPacificPetrochemicalCo.,Ltd,Dalian116600,China)

Abstract:This paper briefly described the main parameters of releasing oxygen-enriched air based on the air separation unit during the normal operation, as well as relevant design data of an 80×103t/a sulfur recovery unit. Through analyzing and calculating main material balance, the feasibility of using released oxygen-enriched air from the air separation unit for the 80×103t/a sulfur recovery unit was discussed.

Key words:sulfur recovery, oxygen-enriched, air separation unit, computational analysis, feasibility

收稿日期：2014-10-09；編輯：溫冬云

中圖分類(lèi)號(hào)：TE64

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

DOI:10.3969/j.issn.1007-3426.2015.04.005

作者簡(jiǎn)介：①初爾軍(1967-)，男，遼寧大連人，工程師，現(xiàn)任職于大連西太平洋石油化工有限公司，從事硫磺回收裝置技術(shù)管理工作。E-mail：chuerjun@wepec.com