硫磺回收單元低氣量投產(chǎn)的挑戰(zhàn)及應對措施

樓海龍，王方昊，牛志剛，謝小波，孫 冰

（中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務分公司，天津 300452）

0 引言

某油田天然氣處理廠（以下簡稱NGP）硫磺回收單元于2016年機械完工，由于氣源不足、銷路不暢等原因未能進行調試投產(chǎn)。計劃2019年下半年進行調試作業(yè)，目前面臨的主要問題為酸氣量不足，需要在低負荷工況運行。硫磺回收裝置處理負荷受上游裝置的處理量、下游用氣需求量以及全廠的工藝流程調整等諸多因素的影響。當產(chǎn)生的酸性氣量或酸性氣濃度不能滿足硫磺回收裝置的最小處理負荷時，會對裝置的正常生產(chǎn)造成嚴重影響。本文結合NGP實際生產(chǎn)情況，參考李菁菁、陳賡良、夏曉濤等［1－3］關于硫磺回收常見的故障分析，從工藝、設備、安全管理等方面對硫磺回收裝置在低負荷條件下運行產(chǎn)生的影響進行深入分析，針對關鍵設備損壞、催化劑“中毒”、人員傷害和管線腐蝕的潛在風險，以“論證設備性能”、“關鍵儀表適應性改造”作為調試投產(chǎn)的先決條件，確保本質工藝安全；以“加強設備維護”、“優(yōu)化催化劑填裝”、“酸氣穩(wěn)定控制”和“完善應急預案”作為調試投產(chǎn)的重點工作，完善調試投產(chǎn)方案，強化人員安全意識，最終達到硫磺回收單元平穩(wěn)開車運行的目的。

1 裝置簡介

某油田天然氣處理廠主要由接收單元、增壓單元、脫硫單元、硫磺回收單元、甜氣分配單元及公用系統(tǒng)組成，由上游脫氣站輸送至NGP的原料氣經(jīng)脫酸單元使用MDEA法進行脫硫脫碳，脫除的酸氣進入硫磺回收單元進行制硫工藝，采用克勞斯制硫法進行硫磺回收，使用酸氣分流法進行酸氣流量控制。硫磺回收單元流程如圖1所示。

圖1 －硫磺回收單元流程簡圖

2 工況介紹及主要存在的問題

根據(jù)設計文件，脫酸單元設計處理原料氣量為400×104Sm3／d，原料氣中H2S含量為1.9%；硫磺回收單元設計處理酸氣量9 980 Sm3／h，酸氣中H2S含量為39.55%。為減小脫酸單元負荷，降低胺液損失量，目前脫酸單元僅按照下游需求量處理相應的原料氣，多余氣量在脫酸單元前端進行部分放空。結合2019年上半年NGP生產(chǎn)情況，接收原料氣量、處理原料氣量、酸氣量及其相應的設計負荷比如表1所示。其中，負荷比以H2S實際含量與設計含量的比值為計算依據(jù)。

表1 2019年上半年工況負荷核算表

硫磺回收單元設計產(chǎn)硫量為113 t／d，操作彈性為45%～105%。由表可知，目前硫磺回收單元進行調試投產(chǎn)存在的主要問題為酸氣量低，僅達到設計負荷的9.17%～34.43%，低于操作彈性的下限45%。因此，需評估當前氣量下進行低負荷運行對人員、設備、操作安全性的影響并提出應對措施。

3 低負荷運行主要影響

3.1 對設備的影響

（1）可能損壞羅茨鼓風機。當上游送至主燃燒爐的酸性氣量處于最小設計負荷以下時，為保證主燃燒爐內(nèi)的H2S按比例燃燒，需關小鼓風機入口閥門減少進爐風量。如果操作不當可導致軸承溫度高，震動大，鼓風機喘振，損壞設備。

（2）可能對主燃燒器的火嘴造成損壞，導致堵塞。由于進入主反應器中被加熱的過程氣量在低負荷時較小，酸氣流量和壓力也隨之減少，導致酸氣和空氣不能在燃燒器設計的范圍內(nèi)混合燃燒，易造成燃料氣在爐子火嘴內(nèi)燒結堵塞火嘴，從而影響火嘴長周期正常運行。

（3）由于實際投產(chǎn)氣量遠低于設計氣量，自控儀表的量程、調節(jié)能力有限，容易出現(xiàn)誤差、超量程等現(xiàn)象，其中較為關鍵的是配風燃燒系統(tǒng)。酸氣和助燃空氣的調節(jié)精度要求較高，單個儀表誤差可能導致整個配風燃燒系統(tǒng)的紊亂，同時，調節(jié)類閥門長期處于低限位將降低其使用壽命，現(xiàn)場噪聲明顯尖銳，對操作人員聽力造成影響。

（4）液硫管線、酸氣預熱的熱量由酸氣燃燒的廢熱鍋爐提供，酸氣量低將無法產(chǎn)生足夠的伴熱蒸汽，易出現(xiàn)酸氣溫度低進而影響燃燒效果、液硫管線溫度低凝結堵塞等現(xiàn)象，尤其是液硫封堵塞后清理難度較大。

3.2 對催化反應效果的影響

酸氣量過低導致的配風不均可能導致燃燒器內(nèi)硫化氫的過氧燃燒現(xiàn)象，在克勞斯反應器內(nèi)產(chǎn)生“漏氧”。微量O2能破壞Al2O3表面的活性中心，O2同化學吸附的SO2反應生成亞硫酸鹽，然后與Al2O3反應生成穩(wěn)定的硫酸鋁，使催化劑活性急速下降，最終導致克勞斯硫回收催化劑硫酸鹽化而失活。盡管當前工藝采用了防漏氧的鈦基催化劑和鋁基催化劑組合使用的方式，硫化氫燃燒不完全導致的硫沉積和積碳等化學反應和化學吸附、雜質沉淀降低催化劑比表面積等問題仍可能造成催化劑的大量失活。

3.3 對操作人員的影響

低負荷運行過程中，個別自動控制閥不能及時作出調整，易對產(chǎn)品質量造成影響。如旁通配風量等高低點連鎖，需全程由人工手動監(jiān)控各關鍵參數(shù)，對操作人員的要求將大大提高，不能實現(xiàn)SIS系統(tǒng)的自動控制和保護功能，增加了工作負擔。尤其是面對突發(fā)事故時，無聯(lián)鎖觸發(fā)，關斷及放空閥不能動作并快速切除危險源，有可能對操作人員生命構成威脅。

3.4 對管線防腐的影響

過程氣管線材質為ASTM A106 GR.B，壓力等級150 lb，為普通碳鋼。低負荷工況下，易出現(xiàn)酸氣反應不完全，進入硫冷器的過程氣溫度較低，夾帶的水分易冷凝沉淀，產(chǎn)生SO2的水溶液沉積于設備／管線低點。在三級硫冷器階段，產(chǎn)硫量較低，亞硫酸易發(fā)生氧化反應生成硫酸，嚴重威脅管線防腐安全。

4 主要應對措施

4.1 論證設備性能，采取預防性措施

在低負荷工況下，制硫爐燃燒器和焚燒爐燃燒器的調節(jié)性能需要論證。根據(jù)主燃燒器廠家經(jīng)驗，主燃燒器的調節(jié)精度為最大工況（設計工況的120%）的10%，即12%工況是可以正常運行的。焚燒爐燃燒器調節(jié)比為10∶1。在低負荷運行過程中，應加大對爐子火嘴的保護力度，開大對火嘴的保護風量，防止火嘴燒結，避免意外停工事件發(fā)生。并應加強設備巡檢和維護，重點關注鼓風機的振動情況并進行測定和記錄。為防止硫磺回收裝置中鼓風機喘振現(xiàn)象出現(xiàn)，從其性能曲線特性出發(fā)，采用機組控制系統(tǒng)并通過一系列的功能塊實現(xiàn)安全可靠的防喘振控制［5］。制硫爐爐膛溫度一般應控制在1 000～1 300℃范圍內(nèi)。當溫度低于900℃時，火焰容易不穩(wěn)定，且硫磺回收率低。在原設計工況下，應考慮伴燒適量燃料氣，以保證爐膛溫度在適當范圍內(nèi)。開始進酸性氣切換時，燃料氣應保證適量開度，不應完全關閉，根據(jù)操作經(jīng)驗，伴燒氣的量應控制在酸氣量的7%以下。同時，應通入對應比例的蒸汽，避免出現(xiàn)積碳。

4.2 催化劑的裝填與應用

克勞斯制硫爐的催化劑床層短期溫度不應超過400℃，正常操作不應超過360℃，床層溫度不應低于硫露點溫度，并考慮一定余量。上游酸氣分流比例影響一級反應器轉化量，進而影響層溫，需嚴格控制上游分流比例。催化劑的填裝應在煮爐、烘爐完成后進行填裝。根據(jù)設計文件，此硫磺回收工藝使用鋁基和鈦基兩種催化劑。其中的鈦基催化劑具有脫漏氧保護功能，可以保護或減輕鋁基催化劑受工藝過程氣存在多余氧氣而產(chǎn)生的硫酸鹽化侵害，故應考慮催化劑的填裝時將鈦基催化劑置于上層，同時在催化劑層床最上層鋪設磁球，用以吸收積碳［6－7］。催化劑在填裝前應進行取樣檢測，保證催化劑活性有效。

4.3 關鍵儀表適應性改造

針對硫磺回收單元儀表適應能力，根據(jù)硫磺裝置特點和關鍵影響因素，以15%～50%的設計工況為模擬投產(chǎn)工況，進行低負荷運行調試投產(chǎn)的模擬，進行脫酸單元的酸氣、空氣、燃料氣、中壓水、蒸汽等介質的流量計、流量調節(jié)閥、流量變送器的量程和調節(jié)性能逐一核算，按需調整。經(jīng)過核算，為滿足最低工況要求，部分流量計如中壓蒸汽出口流量計無需調整。變送器基本無需更換，調整量程即可。需要進行整體或部分更換的儀表主要包括兩個燃燒器的配風流量計、酸氣流量計和調節(jié)閥等7個改造點，改造原因為現(xiàn)有設備量程過大，不能滿足酸氣分流比例和精準配風的要求。具體改造點如表2所示。

表2 主要改造儀表設備

上述改造是基于儀表人員結合目前工況進行整體核算后得出，基于上述改造，仍需儀表專業(yè)人員核查I／O list，對于不適用的連鎖值進行調整，避免出現(xiàn)頻繁觸發(fā)連鎖或旁通連鎖由人工監(jiān)控進而降低控制系統(tǒng)安全性的情況出現(xiàn)。在后期硫磺回收單元的實際負荷逐漸提升至設計負荷的50%以上后，應考慮將改造進行復原，保持調節(jié)有效。

4.4 酸氣穩(wěn)定控制

酸氣氣源的穩(wěn)定控制是硫磺回收單元能否穩(wěn)定運行的關鍵因素之一。酸氣的流量取決于脫酸單元處理的天然氣原料氣，硫磺回收單元接收MDEA法脫除的酸氣，經(jīng)過酸氣分液罐后直接進入預熱器及主燃燒器。當前工況下，下游用戶甜氣用量不穩(wěn)定，甜氣量在10 000～30 000 Sm3／h范圍內(nèi)波動，導致酸氣量在850～2 200 Sm3／h的區(qū)間內(nèi)無規(guī)律波動。

為解決酸氣波動問題，減少對配風控制和燃燒器的影響，須將酸氣量波動控制在較小范圍內(nèi)。對此提出以下幾點措施：（1）增加脫酸單元天然氣原料氣處理量，將脫酸裝置前端放空改為后端放空，保持產(chǎn)出的酸氣處在最大安全量，并有一定放空備用；（2）控制脫酸單元的胺液流程穩(wěn)定，避免胺液發(fā)泡，尤其關注再生塔壓差，避免出現(xiàn)攔液、沖塔等可能導致酸氣量波動的情況出現(xiàn)；（3）密切關注酸氣分液罐排液與酸氣管線的保溫效果，避免因攜液或進入主反應器的溫度過低而影響燃燒效果；（4）應考慮提高單位體積酸氣的熱值，保證燃燒效率?？赏ㄟ^降低脫酸單元胺液循環(huán)量，降低原料氣及循環(huán)胺液的溫度來達到降低CO2的含量，增加酸氣中H2S濃度的目的。

4.5 完善應急預案

低負荷投產(chǎn)前，應反復核算各設備性能，進行工況模擬，確保滿足各投產(chǎn)條件。針對目前存在的問題，應完善各類應急工況的預防性措施及應急處置措施，針對失電關停響應、硫磺產(chǎn)品不合格、催化劑失活、液流管線堵塞等特殊工況做好分析，準備相應的應急預案［8］。

5 結束語

當前該硫磺回收單元負荷與設計符合出入較大，需進行動態(tài)模擬，并核算設備性能，充分考慮低負荷運行可能出現(xiàn)的問題，對存在的硬件問題進行升級改造，以確保調試投產(chǎn)工作順利開展。通過文中提到的設備性能論證、自控儀表改造、酸氣穩(wěn)定控制和完善應急預案等措施，硫磺回收單元可在12.5%～50%負荷下全流程運行，硫回收率預計在95%左右。當裝置負荷提升至大于50%以后，需要裝置停工，更換為原有儀表；此外，裝置開工前須對酸性氣組成進行分析；裝置開車及運行過程中，應對原料氣、過程氣和尾氣等進行檢測和監(jiān)控。

除上述因素，硫磺回收單元的低負荷運行的其余風險仍待進一步觀測，需在調試投產(chǎn)階段進行不斷監(jiān)測，逐一排除。