常規(guī)克勞斯非常規(guī)分流法硫磺回收工藝在天然氣凈化廠的應(yīng)用①

曹文全　韓曉蘭　周家偉　王貴清

中石化西南油氣分公司元壩凈化廠

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常規(guī)克勞斯非常規(guī)分流法硫磺回收工藝在天然氣凈化廠的應(yīng)用①

曹文全韓曉蘭周家偉王貴清

中石化西南油氣分公司元壩凈化廠

針對元壩天然氣凈化廠脫硫再生酸氣中H2S體積分?jǐn)?shù)較低(41%～48%)的特點，元壩天然氣凈化廠硫磺回收裝置采用常規(guī)克勞斯非常規(guī)分流法硫磺回收工藝，該工藝具有流程簡單、操作彈性大及自控調(diào)節(jié)先進等特點。通過在元壩天然氣凈化廠硫磺回收裝置1年時間的工業(yè)應(yīng)用，結(jié)果表明，當(dāng)酸氣中H2S體積分?jǐn)?shù)為41%～48%時，常規(guī)克勞斯非常規(guī)分流法硫磺回收工藝燃燒爐爐溫均在1 050 ℃以上，爐內(nèi)硫轉(zhuǎn)化率為65%～68%，產(chǎn)品硫磺達(dá)到國家優(yōu)等品質(zhì)量指標(biāo)。該工藝技術(shù)在元壩凈化廠硫磺回收裝置的成功應(yīng)用，可為天然氣凈化廠同類裝置提供參考。

非常規(guī)分流法克勞斯硫磺回收轉(zhuǎn)化率

元壩凈化廠是中國石化在加快“十二·五”期間上游油氣業(yè)務(wù)大發(fā)展的新思路新形勢下實施的又一超深高酸性氣田一體化建設(shè)工程的重要組成部分。元壩凈化廠共建成4套天然氣凈化裝置，主要工藝包括脫硫、脫水、硫磺回收、尾氣處理及酸水汽提單元。設(shè)計原料氣處理能力為40×108m3/a(20 ℃，101.325 kPa，下同)，硫磺生產(chǎn)能力為30×104t/a。原料氣中H2S體積分?jǐn)?shù)平均為5.55%，CO2體積分?jǐn)?shù)平均為6.57%，有機硫質(zhì)量濃度達(dá)到362.4 mg/m3(其中，COS質(zhì)量濃度為144.25 mg/m3，甲硫醇質(zhì)量濃度為172.27 mg/m3)。針對元壩氣田氣質(zhì)特點，硫磺回收單元采用部分燃燒法無法達(dá)到高溫克勞斯反應(yīng)所需的爐溫要求，降低了硫回收率；采用常規(guī)分流法爐膛溫度過高，爐壁耐火材料難以適應(yīng)，設(shè)備壽命縮短。故本廠采用常規(guī)克勞斯非常規(guī)分流法硫磺回收工藝，既滿足了高溫克勞斯反應(yīng)所需的爐膛溫度，提高了硫回收率，與常規(guī)分流法相比，又降低了催化反應(yīng)部分的負(fù)荷，延長了設(shè)備及催化劑使用壽命。以下主要介紹了常規(guī)克勞斯非常規(guī)分流法制硫工藝在元壩凈化廠的應(yīng)用情況，以期為國內(nèi)同類天然氣凈化廠硫磺回收裝置提供參考。

1　克勞斯硫磺回收工藝比選

目前，通常采用常規(guī)克勞斯硫磺回收工藝回收酸氣中的元素硫。與其他硫回收工藝相比較，常規(guī)克勞斯工藝是硫回收率最高、投資最省、工藝最成熟的一種方法[1-4]。根據(jù)酸氣進料濃度的不同，常規(guī)克勞斯工藝可分為直流工藝、分流工藝及直接氧化工藝。

1.1直流工藝

直流工藝也稱直通法、單流法或部分燃燒法[5]，通常適用于H2S體積分?jǐn)?shù)在50%以上的酸氣。此工藝的特點是全部酸氣均進入酸氣燃燒爐，而空氣則按照化學(xué)計量配給，僅供酸氣中1/3(φ)的H2S及全部烴類等雜質(zhì)燃燒，從而使酸氣中的H2S部分燃燒生成SO2，以保證生成的過程氣中H2S與SO2的物質(zhì)的量之比為2∶1。酸氣燃燒爐內(nèi)雖無催化劑，但H2S仍能有效地轉(zhuǎn)化為元素硫，其轉(zhuǎn)化率隨酸氣燃燒爐爐內(nèi)操作溫度和壓力不同而有所不同，工藝流程見圖1。

1.2分流工藝

當(dāng)進料酸氣中H2S體積分?jǐn)?shù)在15%～50%之間時，通常采用直流工藝難以保證酸氣燃燒爐爐內(nèi)火焰處于穩(wěn)定燃燒狀態(tài)，此時可以考慮采用分流工藝[6-7]。

常規(guī)分流工藝的主要特點是將酸氣分為兩股，其中占1/3(φ)的酸氣與按照化學(xué)計量配給的空氣進入酸氣燃燒爐內(nèi)，使酸氣中H2S及全部烴類等雜質(zhì)燃燒，H2S生成SO2，然后與旁通的2/3(φ)的酸氣混合后進入催化轉(zhuǎn)化段。因此，常規(guī)分流工藝中生成的元素硫完全是在催化反應(yīng)段獲得的。當(dāng)酸氣中H2S體積分?jǐn)?shù)在30%～50%之間時，采用常規(guī)分流工藝將1/3(φ)的H2S燃燒生成SO2時，爐溫過高，爐壁耐火材料難以適應(yīng)。此時，由于在酸氣燃燒爐內(nèi)沒有硫生成，從而加大了催化反應(yīng)部分的負(fù)荷，當(dāng)酸氣中含重?zé)N，尤其是芳烴時，可能會造成催化劑積碳，從而影響催化劑的活性，縮短催化劑的使用壽命，工藝流程見圖2。

1.3直接氧化工藝

當(dāng)酸氣中H2S體積分?jǐn)?shù)低于15%時，可考慮采用直接氧化工藝[8-9]。直接氧化工藝分為兩類：①將H2S選擇性催化氧化為元素硫，此類工藝處理克勞斯尾氣領(lǐng)域獲得了很好的應(yīng)用；②將H2S催化氧化為元素硫及SO2，然后繼以常規(guī)克勞斯催化反應(yīng)部分。直接氧化工藝適用于酸氣中H2S體積分?jǐn)?shù)很低、規(guī)模較小的裝置。

元壩氣田天然氣凈化廠天然氣進料中含H2S 5.55%(φ)，CO26.57%(φ)，為滿足產(chǎn)品天然氣的指標(biāo)要求(H2S質(zhì)量濃度小于6 mg/m3，CO2體積分?jǐn)?shù)小于3%)，需將天然氣中幾乎全部的H2S和大部分CO2予以脫除，采用復(fù)合溶劑吸收工藝從天然氣中吸收并在再生塔中解析出來的酸氣中含H2S 41%～48%(φ)。

綜上所述，元壩天然氣凈化廠硫磺回收單元選擇的工藝方案為常規(guī)克勞斯非常規(guī)分流工藝[10]+兩級克勞斯催化反應(yīng)(空氣和酸氣無預(yù)熱，過程氣采用自產(chǎn)的4.0 MPa中壓蒸汽進行再熱)，一級反應(yīng)器催化劑采用的是氧化鋁基+鈦基組合裝填方式，尾氣處理采用串級SCOT工藝。

2　常規(guī)克勞斯非常規(guī)分流工藝簡介

來自天然氣脫硫單元溶劑再生塔的酸氣首先進入酸氣分液罐，分離出的酸性凝液經(jīng)酸氣分液罐罐底泵送至脫硫單元，自酸氣分液罐的酸氣大部分與燃燒空氣(進入反應(yīng)爐燃燒器的空氣量應(yīng)剛好可將酸氣中的烴類等雜質(zhì)完全氧化，同時滿足裝置尾氣中H2S與SO2體積比為2∶1所要求的1/3(φ)H2S燃燒所需空氣量)混合后進入反應(yīng)爐燃燒器，在反應(yīng)爐第一區(qū)內(nèi)燃燒反應(yīng)，以維持爐膛溫度在1 050 ℃以上，其余部分酸氣通過旁路進入反應(yīng)爐第二區(qū)，與第一區(qū)的高溫過程氣混合后繼續(xù)進行部分反應(yīng)，生成單質(zhì)硫。反應(yīng)爐內(nèi)燃燒產(chǎn)生的高溫過程氣經(jīng)兩級克勞斯反應(yīng)+三級硫冷凝器+硫捕集器回收液硫后進入尾氣處理單元。該工藝保證了克勞斯燃燒爐內(nèi)硫轉(zhuǎn)化率為65%～68%，加上兩級低溫克勞斯催化反應(yīng)工藝，最終使得硫磺回收單元硫回收率達(dá)到95%以上。其工藝流程見圖3。

2.1工藝控制原理

酸氣控制回路將燃燒器的酸氣進料設(shè)計為壓力控制，以適應(yīng)上游單元酸氣進料的壓力波動。同時，至反應(yīng)爐第二區(qū)酸氣流量為比例控制，以滿足分流要求。至反應(yīng)爐第二區(qū)酸氣流量為反應(yīng)爐總酸氣流量FI-30410減去至燃燒器酸氣流量FIC-30405(通過減法器FU-30406實現(xiàn))。酸氣所需空氣耗量通過比率器HU-30410將總酸氣流量信號轉(zhuǎn)化為其所需空氣耗量。反應(yīng)爐燃燒器進料所需燃燒空氣的計算基礎(chǔ)為：燃燒1/3(φ)的H2S；NH3和H2完全燃燒；烴類完全轉(zhuǎn)化為CO2和H2O。酸氣的耗氧量計算列于表1。

酸氣進料管線上PIC-30401與燃燒器酸氣流量控制FIC-30405和至反應(yīng)爐第二區(qū)酸氣流量控制FIC-30406為串級控制，壓力信號為流量控制的設(shè)定值。當(dāng)酸氣進料上游壓力升高超過設(shè)定值時，PIC-30401同時增加流量控制FIC-30405/FIC-30406的設(shè)定值。反之，當(dāng)酸氣進料上游壓力低于設(shè)定值時，PIC-30401同時減少流量控制FIC-30405/FIC-30406的設(shè)定值。FIC-30405/FIC-30406采用總酸氣量FI-30410的比例控制，比例設(shè)定系數(shù)通過HC-30406進行調(diào)整。常規(guī)克勞斯非常規(guī)分流復(fù)雜控制回路圖見圖4。

表1　酸氣的耗氧量計算Table1　Calculationofoxygenconsumptionofacidgas組分y/%單位耗氧量/(mol·mol-1)耗氧量計算值/molH20.00002.380.000N20.00000.000.000CH40.00319.520.030co20.50640.000.000C2H60.000016.670.000H2S0.44612.381.062有機硫(COS)0.00159.520.014H2O0.04280.000.000C3H80.000023.810.000i-C4H100.000030.950.000n-C4H100.000030.950.000i-C5H120.000038.100.000n-C5H120.000038.100.000n-C6H140.000045.250.000NH30.00003.570.000總計1.00001.106

3　應(yīng)用情況評價

2015年4月26日至4月28日，第四聯(lián)合裝置進行了72 h的100%負(fù)荷性能考核。原料天然氣處理量約為12.5×104m3/h，進爐酸氣流量為15 000～16 000 m3/h。通過分析爐膛及反應(yīng)器床層溫度、酸氣及過程氣組分、硫回收率及產(chǎn)品硫磺質(zhì)量，考核常規(guī)克勞斯非常規(guī)分流法制硫工藝的效果，性能考核期間，每8 h取一次酸氣及過程氣氣樣進行分析(1時、9時、17時)，共9次，分析化驗數(shù)據(jù)以9個點的平均值作為最終考核值。

3.1酸氣及過程氣組成

為了測試再生酸氣H2S體積分?jǐn)?shù)在41%～48%的范圍內(nèi)時硫磺回收單元過程氣各組分的組成變化情況，采氣廠通過調(diào)整各氣井(原料氣中H2S體積分?jǐn)?shù)最高可達(dá)到13%，最低為2%)的產(chǎn)量進行配產(chǎn)。表2為進入硫磺回收單元酸氣及過程氣組分分析結(jié)果。凈化廠計量化驗車間采用氣相色譜外標(biāo)法進行分析，為濕基值，換算為干基值后，分析數(shù)據(jù)與設(shè)計值基本相同。

表2　酸氣及過程氣組成Table2　Compositionofacidgasandprocessgasy/%項目酸氣一反入口過程氣一反出口過程氣二反入口過程氣二反出口過程氣H2Sco2CH4H2SSO2COSCS2H2SSO2COSCS2H2SSO2COSCS2H2SSO2COSCS2非常規(guī)分流法1：0041.942.80.350.830.290.430.090.640.190.010.010.760.220.010.010.380.100.010.019：0045.342.80.300.820.170.310.070.730.080.010.010.770.120.010.010.630.020.010.0117：0048.145.60.350.840.150.420.080.620.090.010.010.690.090.010.010.230.160.010.01平均值45.143.70.330.830.200.380.080.660.120.010.010.740.140.010.010.410.090.010.01設(shè)計值46.652.90.325.32.830.320.111.880.940.090.061.890.950.090.060.630.320.090.06

由表2可以看出，在硫磺回收單元整個反應(yīng)過程中，酸氣及過程氣組分分析數(shù)據(jù)均保持在設(shè)計值范圍之內(nèi)。

3.2爐膛及反應(yīng)器床層溫度

在裝置滿負(fù)荷運行情況下，酸氣流量約為15 000～16 000 m3/h，H2S體積分?jǐn)?shù)為41.9%～48.1%，CO2體積分?jǐn)?shù)為42.8%～45.6%，CH4體積分?jǐn)?shù)為0.30%～0.35%。通過調(diào)整克勞斯燃燒爐一區(qū)和二區(qū)酸氣流量的分配，采集爐膛溫度及一、二反應(yīng)器床層溫度列于表3，爐膛一、二區(qū)溫度均采用紅外測溫儀檢測。

表3　爐膛及反應(yīng)器床層溫度Table3　Temperatureoffurnaceandreactorbed爐膛二區(qū)酸氣流量分配比例爐膛一區(qū)溫度/℃爐膛二區(qū)溫度/℃一反床層溫度/℃二反床層溫度/℃0945～948861～863296～298221～2231/6963～968893～897298～300221～2231/5995～1003916～920309～311322～3231/41021～1026935～939319～320322～3241/31043～1052954～960323～325321～3241/21081～1084958～962340～343322～323

由表3可以看出，當(dāng)爐膛二區(qū)酸氣流量分配比例為0時，相當(dāng)于常規(guī)克勞斯直流法，爐膛溫度偏低；當(dāng)爐膛二區(qū)酸氣流量分配比例為1/3(φ)時，爐膛一、二區(qū)溫度及一、二反床層溫度為最佳；當(dāng)分配比例大于1/3(φ)時，爐膛一區(qū)溫度繼續(xù)升高，但二區(qū)溫度變化不大，一反床層溫度明顯升高(設(shè)計溫度不超過350 ℃)，低溫克勞斯催化反應(yīng)負(fù)荷增大。由此可見，常規(guī)克勞斯非常規(guī)分流法二區(qū)酸氣最佳分配比例為1/3(φ)。

3.3硫回收率

表4為常規(guī)克勞斯直流法和常規(guī)克勞斯非常規(guī)分流法克勞斯反應(yīng)爐硫回收率、硫磺回收單元硫收率和總硫回收率(硫磺回收單元+尾氣處理單元的總硫收率)，各段硫回收率采用碳平衡計算而得。

表4　各段硫回收率Table4　Sulfurrecoveryrateofvarioussection項目反應(yīng)爐硫回收率/%硫磺回收單元硫回收率/%總硫回收率/%非常規(guī)分流法1：0067.0396.6199.939：0066.7595.9899.9217：0066.2495.9999.92平均值66.6796.1999.92常規(guī)克勞斯直流法64.1294.8999.76設(shè)計值65.5395.9199.80

由表3和表4可以看出，在酸氣中H2S體積分?jǐn)?shù)為41.9%～48.1%、CO2體積分?jǐn)?shù)為42.8%～45.6%的情況下，采用常規(guī)克勞斯直流法制硫工藝，硫磺回收單元各段硫回收率和總硫回收率均低于設(shè)計值；采用常規(guī)克勞斯非常規(guī)分流法，硫磺回收單元各段硫回收率及總硫回收率均高于設(shè)計值，表明常規(guī)克勞斯非常規(guī)分流法制硫工藝具有良好的適應(yīng)性。

3.4液硫產(chǎn)品質(zhì)量

表5為化驗取樣分析液硫產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)。

表5　液硫產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)Table5　Qualityindexofliquidsulfurproduct液硫產(chǎn)品實際值設(shè)計值w(純度)/%99.990≥99.5w(水分)/%0.026≤2.0w(灰分)/%0.004≤0.1w(酸度)/%0.002≤0.005w(有機物)/%0.003≤0.3w(鐵)/%0.000≤0.005w(H2S)/10-65.648≤10

由表5可以看出，液硫產(chǎn)品各組分的質(zhì)量指標(biāo)均達(dá)到GB /T 2449.2-2015《工業(yè)硫磺 第2部分：液硫產(chǎn)品》優(yōu)等品質(zhì)量指標(biāo)，高于設(shè)計要求的一等品質(zhì)量指標(biāo)。

4　應(yīng)用過程中的問題及對策

4.1酸氣二區(qū)進料管線彎頭出現(xiàn)高溫碳化現(xiàn)象

4.1.1原因分析

(1) 由于二區(qū)酸氣管線分為兩路進入克勞斯燃燒爐，在投產(chǎn)初期裝置負(fù)荷較低的情況下，二區(qū)酸氣量低于1 000 m3/h時，酸氣出現(xiàn)了偏流，其中一路管線酸氣流量低于設(shè)計值300 m3/h，導(dǎo)致靠近克勞斯燃燒爐本體的管線彎頭長期處于高溫?zé)彷椛錉顟B(tài)下。

(2) 生產(chǎn)運行過程中，由于各種原因造成克勞斯燃燒爐停爐時，一區(qū)酸氣管線的氮氣吹掃閥自動聯(lián)鎖打開保護一區(qū)管線，而二區(qū)酸氣管線的氮氣吹掃閥為現(xiàn)場手閥，需要操作人員去現(xiàn)場打開，操作人員往往因疏忽而忘記打開，期間導(dǎo)致二區(qū)酸氣管線彎頭也處于高溫?zé)彷椛錉顟B(tài)下。

4.1.2對策

(1) 在進行酸氣一、二區(qū)分配時，務(wù)必保證克勞斯燃燒爐的二區(qū)酸氣流量大于1 000 m3/h，避免出現(xiàn)偏流，使得進入二區(qū)兩路酸氣管線處于過量氣體保護的狀態(tài)。

(2) 將二區(qū)酸氣管線上的氮氣吹掃閥改為自動聯(lián)鎖閥，當(dāng)出現(xiàn)停爐事件時，第一時間打開自動聯(lián)鎖，進行氮氣保護。目前，4套裝置已全部完成改造。經(jīng)測試，當(dāng)切斷二區(qū)酸氣進料、打開二區(qū)氮氣吹掃閥時，二區(qū)兩路酸氣管線彎頭外壁溫度為50～60 ℃，此溫度區(qū)間不會對碳鋼材質(zhì)造成任何破壞，從而保證了彎頭的使用壽命。

4.2一級反應(yīng)器床層出現(xiàn)超溫現(xiàn)象

4.2.1原因分析

在引酸氣進入克勞斯燃燒爐的過程中，由于比率器HC-30406在閥門(FIC-30405/FIC-30406)手動的情況下無法自動跟蹤計算出一、二區(qū)酸氣的分配量，操作人員在調(diào)整一、二區(qū)酸氣量時只能通過計算器手動計算，操作不及時往往造成二區(qū)酸氣量分配過多，增大了一級反應(yīng)器催化反應(yīng)負(fù)荷，造成床層超溫。

4.2.2對策

通過對DCS底層程序進行修改，操作人員在DCS畫面上打開比率器HC-30406的面板，設(shè)定好比例系數(shù)后，即使閥門(FIC-30405/FIC-30406)在手動狀態(tài)時，系統(tǒng)也會自動計算出一、二區(qū)酸氣的分配量，通過DCS畫面上顯示出的計算值及時調(diào)整一、二區(qū)酸氣流量，保證了爐膛溫度穩(wěn)定及一反催化反應(yīng)的正常負(fù)荷。

5　結(jié) 論

(1) 在硫磺回收裝置酸氣中H2S體積分?jǐn)?shù)為41.9%～48.1%的范圍內(nèi)，相比常規(guī)克勞斯直流法和常規(guī)分流法，采用常規(guī)克勞斯非常規(guī)分流法制硫工藝既能有效提高反應(yīng)爐爐膛溫度，避免因溫度過低而導(dǎo)致火焰燃燒不穩(wěn)定的情況，又提高了硫磺回收裝置總硫回收率，產(chǎn)品硫磺質(zhì)量達(dá)到國標(biāo)優(yōu)等品標(biāo)準(zhǔn)。

(2) 隨著氣田氣井的后續(xù)開采，原料天然氣中H2S體積分?jǐn)?shù)存在進一步減小的可能性，從而將導(dǎo)致硫磺回收裝置酸氣中總H2S體積分?jǐn)?shù)進一步降低。因此，采用常規(guī)克勞斯非常規(guī)分流法制硫工藝使硫磺回收裝置具有更大的操作適應(yīng)區(qū)間。

綜上所述，根據(jù)元壩氣田氣質(zhì)特點，元壩凈化廠硫磺回收裝置采用的常規(guī)克勞斯非常規(guī)制硫工藝通過1年多的運行，裝置運行穩(wěn)定，總硫回收率高，達(dá)到預(yù)期目的，可在高含硫天然氣凈化領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

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Application of sulfur recovery technology in natural gas purification plant by conventional Claus un-conventional divided flow method

Cao Wenquan, Han Xiaolan, Zhou Jiawei, Wang Guiqing

(YuanbaGasPurificationPlant,SouthwestOilandGasCompany,Sinopec,Guangyuan628000,China)

According to the acid gas characteristics of low H2S volume fraction (41%-48%) in Yuanba Natural Gas Purification Plant, sulfur recovery unit adopts the conventional Claus un-conventional divided flow method to recover sulfur. The technology has the advantages of simple process, flexible operation and advanced automatic control. The sulfur recovery process has been applied on the sulfur recovery unit in Yuanba Natural Gas Purification Plant for one year. The results showed while H2S volume fraction in acid gas is 41%-48%, the Claus furnace temperature is above 1 050 ℃, the conversion rate of sulfur in furnace is 65%-68%, sulfur products reach the national high-class product quality index. The successful application of the technology in sulfur recovery unit of Yuanba Purification Plant will provide

for the similar equipment in natural gas purification plants.

unconventional, divided flow method, Claus, sulfur recovery, conversion rate

曹文全(1981-)，男，山西大同人，工程師，碩士，主要從事高含硫天然氣凈化、硫磺回收技術(shù)研究工作。E-mail：18583378586@163.com

TE64

BDOI: 10.3969/j.issn.1007-3426.2016.05.003

2016-03-22；編輯：溫冬云