天然氣凈化廠Claus硫磺回收裝置硫回收率計算方法

嚴(yán)崇榮　倪 偉　李 洋

1.中國石油西南油氣田公司川中油氣礦　2.中國石油西南油氣田公司開發(fā)部　3.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院

天然氣凈化廠Claus硫磺回收裝置硫回收率計算方法

嚴(yán)崇榮1倪 偉2李 洋3

1.中國石油西南油氣田公司川中油氣礦2.中國石油西南油氣田公司開發(fā)部3.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院

摘要介紹了天然氣凈化廠Claus硫磺回收裝置硫回收率的主導(dǎo)計算公式和帶尾氣處理裝置的總硫回收率計算方法，重點討論了Claus硫磺回收裝置硫回收率主導(dǎo)計算公式中硫磺在尾氣中體積分?jǐn)?shù)的確定方法及用氮平衡、碳平衡和硫平衡確定尾氣流量的方法。

關(guān)鍵詞硫回收率計算方法氮平衡碳平衡硫平衡

隨著環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，對硫磺回收裝置的性能要求也越來越高[1]，為了評價硫磺回收裝置的運(yùn)行情況，必須獲得準(zhǔn)確的硫回收率數(shù)據(jù)。新建硫磺回收裝置的硫回收率達(dá)到設(shè)計要求后才能進(jìn)行驗收；已建硫磺回收裝置在運(yùn)行一段時間后催化劑活性下降，需要定期或不定期地對硫磺回收過程的氣體組成進(jìn)行分析，根據(jù)硫回收率的高低判斷是否應(yīng)更換催化劑[2]。但由于尾氣并不進(jìn)行計量，對過程氣流量進(jìn)行計量難度更高[3]，實際上，要獲得一套完整的硫磺回收裝置氣體流量數(shù)據(jù)是不太現(xiàn)實的。因此，較實際可行的辦法是通過系統(tǒng)元素平衡等方法推導(dǎo)出一組能快速、準(zhǔn)確地計算硫回收率的公式，用于評價硫磺回收裝置的運(yùn)行情況。

1 硫回收率的主導(dǎo)公式

Claus硫磺回收裝置回收率的主導(dǎo)公式見式(1)。

η=(1-QTGS/QAGS)×100%

(1)

其中，尾氣中的硫體積流量見式(2)。

QTGS=Qw(C′H2S+C′SO2+2C′CS2+C′COS+C′S)

(2)

進(jìn)料酸氣中的硫體積流量見式(3)。

QAGS=Qs×CH2S=Q′s×(1-Hs)×CH2S

(3)

由此可得：

(4)

1.1元素硫在尾氣中體積分?jǐn)?shù)的確定

(5)

其中：

(6)

(7)

因此，

η=

(8)

1.2尾氣體積流量的確定

因硫磺回收裝置基本未設(shè)置尾氣流量計，故尾氣體積流量(Qw)可通過氮平衡法、碳平衡法或硫平衡法計算得出。

1.2.1氮平衡法

N2不參與反應(yīng)，尾氣中的N2流量即進(jìn)入硫磺回收裝置空氣中的N2流量。故通過進(jìn)硫磺回收裝置的N2量和尾氣中的N2濃度可確定尾氣量(Qw)。通常進(jìn)入主燃燒爐的還可能有火檢、視窗、點火槍、熱電偶等的吹掃儀表風(fēng)、回收鼓風(fēng)機(jī)來的空氣或N2，若相對量較小，可忽略不計；若相對比例較大，則應(yīng)計入該部分N2流量[4]。

(9)

(10)

因此，

(11)

將Qw代入上式，得到式(12)。

(12)

將其中空氣與酸氣比值(干基)設(shè)為R，即：

(13)

因此：

0.075×G′ls)]×100%

(14)

式中，η為硫磺回收裝置硫回收率，%；R為V(總空氣)∶V(總酸氣)(干基)；CH2S為酸氣中H2S體積分?jǐn)?shù)(干基)，%；C′N2、C′H2S、C′SO2、C′CS2、C′COS分別為回收尾氣中相應(yīng)組分的體積分?jǐn)?shù) (干基)，%；G′ls為尾氣中液相硫質(zhì)量濃度(20 ℃，101.325 kPa)，g/m3。

其中R值的確定可通過利用酸氣流量和空氣流量、進(jìn)出回收裝置氣體組成和酸氣組分?jǐn)?shù)據(jù)3種方式計算得到。下面逐一介紹這3種方法。

(1) 用酸氣流量和空氣流量計算：

(15)

式中，Q′k為空氣體積流量，m3/h，(濕基)；Q′s為 酸氣體積流量，m3/h，(濕基)；Hk為空氣中含水量，y/%；Hs為 酸氣中含水量，y/%。

(16)

式中，pw為 酸氣分離器溫度下酸氣中水的分壓(即酸氣溫度下水的飽和蒸汽壓)， kPa；p為酸氣分離器表壓，kPa；pO為大氣壓力，kPa。

(17)

(18)

式中，Φ為空氣相對濕度，%；tg、ts分別為空氣的干球、濕球溫度，℃；pgw、psw為在空氣干球、濕球溫度下水的飽和蒸汽壓，kPa；其中，pw、pgw、psw可由查表或式(19)、式(20)得出(在類似溫度下，式(20)計算誤差較小，建議采用式(20)計算)。

lnp=9.387 6-3 826.36/(T-45.47)(T為290~500 K)

(19)

式中，p為水的飽和蒸汽壓，MPa；T為溫度，K。

(20)

式中，p為水的飽和蒸汽壓，mmHg；t為溫度，℃。

式(20)中的常數(shù)A、B和C的值見表1。

表1 常數(shù)A、B和C的值Table1 ValuesofconstantsA,BandC常數(shù)0~60℃60~150℃A8.107657.96681B1750.2861668.21C235.0228.0

空氣相對濕度計算公式中的干濕表系數(shù)A與干濕球傳感器的形狀、通風(fēng)速度均有要求，不同型號干濕表在一定通風(fēng)條件下的A值見表2。鑒于實際實驗室的測量條件有限，建議A值取0.815×10-3。

在低速、自然通風(fēng)的條件下，影響A值的主要因素是通風(fēng)速度，此時，干濕球表A值的計算經(jīng)驗公式見式(21)。

表2 不同型號干濕表在一定通風(fēng)條件下的A值Table2 A-valueofdifferenttypesofpsychrometersatappropriateventilationconditions干濕表型號A×10-3/℃-1濕球未結(jié)冰濕球結(jié)冰通風(fēng)干濕表(通風(fēng)速度2.5m/s)0.6620.584球狀干濕表(自然通風(fēng))①0.8570.756柱狀干濕表(自然通風(fēng))①0.8150.719球狀干濕表(自然通風(fēng)速度0.8m/s)0.74970.7947 注:①根據(jù)我國平均網(wǎng)速資料,計算出百葉箱內(nèi)平均自然通風(fēng)速度為0.4m/s,據(jù)此,由實驗測定得到球狀和柱狀干濕表系數(shù)A。

A=0.000 01×(65+6.75/v)

(21)

式中，v為空氣流過濕球四周的速度，m/s。

(2) 利用進(jìn)出硫磺回收裝置的氣體組成計算

此方法按裝置氧(干基)平衡推導(dǎo)R，不適用于燃料氣再熱方式。

進(jìn)入裝置的氧原子數(shù)量以體積流量表示，m3/h。

空氣中帶入氧的體積流量(Q1)見式(22)。

Q1=Qk×[2×(20.95+0.03)]=41.96Qk

(22)

式中，Qk為裝置的空氣體積流量，m3/h;20.95為空氣中O2的體積分?jǐn)?shù)，%；0.03為空氣中CO2的體積分?jǐn)?shù)，%。

酸氣帶入的氧體積流量(Q2)見式(23)。

(23)

尾氣離開裝置所帶走的氧以體積流量(Q3)表示，m3/h，見式(24)。

(24)

酸氣中的CH4和H2S 100%氧化生成H2O消耗的氧體積流量見式(25)。

(25)

尾氣中尚有少量CH4和H2S未氧化，Q4中多計了這部分氧的體積流量Q5，見式(26)。

(26)

尾氣中還有少量H2，而Q4中按H2S被100% 氧化生成H2O計算耗氧量，多計了部分耗氧量，這部分氧的體積流量為Q6。

H2由H2S裂解而成，其主反應(yīng)及副反應(yīng)如式(Ⅰ)~式(Ⅳ)所示。

H2S→H2+S(主反應(yīng))

(Ⅰ)

CH4+3/2O2→CO2+H2O+H2(副反應(yīng))

(Ⅱ)

CO+H2O→CO2+H2(副反應(yīng))

(Ⅲ)

CH4+SO2→COS+H2O+H2(副反應(yīng))

(Ⅳ)

(27)

氧平衡:

Q1+Q2=Q3+Q4-Q5-Q6

(28)

(29)

整理式(29)，得：

(30)

解得：

(31)

式中，C表示酸氣組分體積分?jǐn)?shù)，%；C′表示尾氣組分體積分?jǐn)?shù)，%；干空氣組成體積分?jǐn)?shù)：N2：78.09%，O2：20.95%，Ar：0.93%，CO2：0.03%。

(3) 利用酸氣組分?jǐn)?shù)據(jù)計算

此方法僅用于粗略計算，見式(32)。

(32)

1.2.2碳平衡法

進(jìn)硫磺回收裝置碳的體積流量=Qs(CCH4+CCO2)+0.03Qk=Q′s×(1-Hs)(CCH4+CCO2)+0.03Q′k(1-Hk)

(33)

出硫磺回收裝置碳的體積流量=Qw(C′CO2+C′COS+C′CS2+C′CO+C′CH4)

(34)

由進(jìn)出硫磺回收裝置的碳平衡可得：

(35)

代入，得式(36)。

(36)

因空氣中CO2含量較低，可忽略不計。因此，式(36)可簡化為式(37)。

(37)

1.2.3硫平衡法

(38)

式中，S′為灼燒爐廢氣中總硫質(zhì)量流量(以S計)，kg/h；S為酸氣中總硫質(zhì)量流量(以S計)，kg/h。

S′=[C′SO2×0.5+C′H2S×0.94+C′CS2×0.842]×Q煙氣

(39)

S=CH2S×Q酸氣×ρH2S×0.94

(40)

式中，0.5為SO2中S元素摩爾分?jǐn)?shù)；0.94為H2S中S元素摩爾分?jǐn)?shù)；0.842為CS2中S元素摩爾分?jǐn)?shù)；Q煙氣為煙氣體積流量(20 ℃，101.325 kPa)，m3/h；CH2S為酸氣中H2S摩爾分?jǐn)?shù)，%；ρH2S為H2S密度，kg/m3，在20 ℃、101.325 kPa下為1.43 kg/m3；Q酸氣為酸氣體積流量(20 ℃，101.325 kPa)，m3/h。

需要說明的是，在以上3種硫回收率計算方法中，氮平衡法和碳平衡法以灼燒前的尾氣作為計算終點，而硫平衡法則以灼燒后的煙氣作為計算終點。幾種計算方法均有一定局限性。對于氮平衡法和碳平衡法，由于液硫脫氣通常直接進(jìn)入尾氣灼燒爐，這兩種計算方法均忽略了液硫廢氣中所含有效組分的影響；而對于硫平衡法，由于從酸氣到煙氣的處理過程時間間隔長，很難同時獲取同一時間點的酸氣與煙氣硫含量數(shù)據(jù)，故誤差較大，尤其是在酸氣濃度變化幅度較大時。

2帶尾氣處理裝置的總硫回收率計算方法

采用硫平衡法，得到如式(41)所示的硫回收率計算公式。

(41)

式中，η1、Q′s、Hs、CH2S同硫磺回收裝置硫回收率計算；WSO2為煙囪排放尾氣中SO2質(zhì)量流量，kg/h；WH2S為煙囪排放尾氣中H2S質(zhì)量流量，kg/h。

3結(jié) 語

利用元素平衡法詳細(xì)推導(dǎo)出一組能快速、準(zhǔn)確地計算天然氣凈化廠硫回收率的公式，可用于評價硫磺回收裝置的運(yùn)行情況。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 陳賡良, 李勁. 對降低尾氣處理裝置SO2排放的認(rèn)識與建議[J] 石油與天然氣化工, 2014, 43(2): 217-222.

[2] 葉茂昌, 何金龍, 唐榮武， 等. 硫磺回收計算方法探討[J]. 石油與天然氣化工, 2010, 39(5)： 451-453.

[3] 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, 2003.

[4] 中國石油西南油氣田公司天然氣研究院. SY/T 6537-2002天然氣凈化廠氣體及溶液分析方法：硫磺回收尾氣中硫霧含量的測定[S]. 北京： 石油工業(yè)出版社, 2002.

[5] 何光濤. 如何提高硫磺回收裝置總硫回收率[J]. 中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量， 2012, 35(9)： 47.

Calculative methods of sulfur recovery rate for Claus sulfur recovery unit

Yan Chongrong1， Ni Wei2， Li Yang3

(1．CentralSichuanOilandGasDistrict,PetroChinaSouthwestOil&GasfieldCompany，Suining629000,China;

2.DevelopmentDepartment,PetroChinaSouthwestOil&GasfieldCompany，Chengdu610051,China; 3.Research

InstituteofNaturalGasTechnology,PetroChinaSouthwestOil&GasfieldCompany，Chengdu610213,China)

Abstract:The main calculation formulas of sulfur recovery rate for Claus sulfur recovery unit were introduced, and the calculative methods of total sulfur recovery rate for sulfur recovery unit with tail gas treatment were also presented. The determination of sulfur volume contents in tail gas and tail gas flow rate by calculating the nitrogen balance, carbon balance and sulfur balance were discussed detailedly.

Key words:sulfur recovery rate, calculation method, nitrogen balance, carbon balance, sulfur balance

收稿日期：2014-06-12；編輯：溫冬云

中圖分類號：TE992.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1007-3426.2015.02.006

作者簡介：嚴(yán)崇榮(1963-)，男，四川閬中人，工程師，1986年7月畢業(yè)于承德石油學(xué)校熱工專業(yè)，1997年12月畢業(yè)于西南石油學(xué)院(現(xiàn)西南石油大學(xué))石油化工工藝專業(yè)(成人?？?，2006年7月畢業(yè)于中國石油大學(xué)(華東)石油工程專業(yè)(成人本科)?，F(xiàn)任職于中國石油西南油氣田公司川中油氣礦，曾從事天然氣凈化生產(chǎn)管理及建設(shè)工作，現(xiàn)主要從事煉化、凈化裝置的大修管理工作。E-mail：974176987@qq.com