硫回收富氧燃燒及提升主燃燒爐溫度方法研究

周明宇 曹文浩 王向林 沈榮華 蘭 林 湯國軍 閔 剛

1. 中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;2. 中國石油西南油氣田公司重慶天然氣凈化總廠, 重慶 401147

0 前言

大部分原油和原料天然氣中都含硫,在石油化工天然氣加工過程中由于產(chǎn)品脫硫工序會(huì)產(chǎn)生含H2S氣體(稱為酸氣),毒性很大,對(duì)人類的生存與環(huán)境危害甚大。因此,酸氣必須經(jīng)過處理后才能排放。工業(yè)上通常采用克勞斯工藝方法回收酸氣中的元素硫[1-10]。

當(dāng)酸氣中H2S濃度較高且潛硫量較大時(shí),常采用常規(guī)克勞斯加還原吸收法尾氣處理工藝路線,這是一條成熟可靠的工藝路線,投資也相對(duì)合理。但該工藝路線存在以下問題。

1)常規(guī)克勞斯硫回收裝置主燃燒爐供風(fēng)用普通空氣,大量N2進(jìn)入系統(tǒng),增加了過程氣量,稀釋了過程氣中反應(yīng)物濃度,導(dǎo)致裝置效率降低;為保證能夠滿足生產(chǎn)操作的需求,必須考慮足夠大的設(shè)備、管道尺寸,增加了裝置的設(shè)備投資[11]。

2)當(dāng)需要處理低H2S濃度酸氣時(shí),主燃燒爐溫度隨之降低,只有通過酸氣分流來提高爐溫,但這影響了裝置運(yùn)行效率,若H2S濃度進(jìn)一步降低,將影響酸氣在主燃燒爐中燃燒的穩(wěn)定性,導(dǎo)致裝置無法穩(wěn)定運(yùn)行[12]。

為此,20世紀(jì)80年代開發(fā)了以富氧空氣作為H2S氧化劑的富氧克勞斯工藝[13],提高裝置效率,擴(kuò)大裝置處理能力,進(jìn)一步提升了對(duì)低H2S濃度酸氣的適應(yīng)性[14-15]。

由于較低的富氧程度可在較少的投入下獲得較多的收益,因此目前富氧克勞斯硫回收裝置大多在較低的富氧程度下運(yùn)行[16]。為了提高石油天然氣化工過程中酸氣回收硫的回收率,在克勞斯硫回收工藝中,采用高濃度富氧或純氧技術(shù),進(jìn)一步減少過程氣量,提升轉(zhuǎn)化效率,縮小設(shè)備尺寸。為了提升富氧/純氧燃燒克勞斯工藝在實(shí)際工程應(yīng)用中的穩(wěn)定性和可靠性,需要進(jìn)一步深入開展試驗(yàn)研究。

1 富氧燃燒工藝路線研究

富氧燃燒是用比通常空氣(含氧21%)含氧濃度高的富氧空氣進(jìn)行燃燒的統(tǒng)稱。富氧燃燒的形式大致可分為:微富氧燃燒、富氧燃燒、純氧燃燒[17]。不同形式富氧燃燒的區(qū)別主要在于富氧空氣中的氧濃度不同,而在特定的克勞斯硫回收裝置中,隨著主燃燒爐燃燒器供風(fēng)中氧濃度的不同,總的供風(fēng)量也不同。

根據(jù)燃燒經(jīng)典理論,燃燒器燃燒室的設(shè)計(jì)主要基于“3 T”原則進(jìn)行,即煙氣停留時(shí)間(Time)、反應(yīng)溫度(Temperature)、絮流混合程度(Turbulance mixing)[18]?！? T”原則提及在有限的停留時(shí)間和高溫空間中，氣體混合程度的好壞主要取決于氣體的湍流效果,并提出強(qiáng)化燃燒過程的途徑包括以下三項(xiàng)。

1)改善氣流相遇條件,即將燃?xì)馀c空氣分成細(xì)流,增大兩股氣流的接觸面,使兩股氣流有一定的速度差,并成一定的交角相遇,從而增加氣流擾動(dòng)。

2)加強(qiáng)紊流,燃?xì)馀c空氣構(gòu)成撞擊混合,強(qiáng)化混合過程。

3)采用旋流氣流混合過程及化學(xué)反應(yīng)過程。旋流有兩個(gè)作用,一是增加了氣流的紊流,強(qiáng)化了混合過程;二是旋流中心的回流區(qū)使大量煙氣回流與燃?xì)饣旌衔锵嗷?加強(qiáng)了混合效果,提高了反應(yīng)區(qū)溫度,強(qiáng)化了化學(xué)反應(yīng)過程。

基于以上理論分析可知,即便是富氧燃燒,為了強(qiáng)化燃燒過程,仍然需要堅(jiān)持“3 T”原則,且盡可能使氣體以旋流的方式進(jìn)入燃燒器內(nèi)部。但是從燃燒器結(jié)構(gòu)上分析,不能同時(shí)對(duì)富氧空氣和酸氣兩種介質(zhì)同時(shí)進(jìn)行旋流。因此,只能選擇一種氣體介質(zhì)(富氧空氣或酸氣)進(jìn)行旋流。當(dāng)采用富氧燃燒或純氧燃燒時(shí),建議選擇酸氣進(jìn)行旋流,見圖1。借助富氧燃燒試驗(yàn)平臺(tái)開展了現(xiàn)場試驗(yàn),通過試驗(yàn)結(jié)果證明,采用該種工藝路線可以保證酸氣火焰穩(wěn)定燃燒。

圖1 富氧燃燒進(jìn)氣工藝路線示意圖Fig.1 Process flow diagram of oxygen enriched combustion air intake

2 富氧濃度對(duì)提升主燃燒爐溫度的影響

本文通過富氧燃燒試驗(yàn)平臺(tái)開展了現(xiàn)場試驗(yàn),通過系統(tǒng)試驗(yàn)研究了不同富氧濃度對(duì)于提升主燃燒爐溫度的影響,結(jié)果見表1。通過不同富氧濃度的空氣(甚至純氧)與不同濃度H2S組合成11種工況,開展富氧燃燒試驗(yàn);觀察了每種工況火焰燃燒的穩(wěn)定性,測試了每種工況的燃燒溫度。

表1 富氧燃燒試驗(yàn)工況及溫度測試結(jié)果表

Tab.1 Working condition and temperature test results of oxygen enriched combustion test

工況xH2S/(%)xO2/(%)主燃燒爐實(shí)測溫度/℃1402194425021982360211 06143035950540351 0676304595873060995830801 0419301001 0561030309431128100958

在30% H2S濃度下,測試了不同富氧濃度空氣燃燒時(shí)的主燃燒爐溫度,并做成了變化趨勢的曲線,見圖2。同時(shí)通過試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)置的爐尾部中心觀察視鏡對(duì)其燃燒情況進(jìn)行了觀察,見圖3。

圖2 不同富氧濃度對(duì)主燃燒爐溫度的影響(H2S濃度為30%)Fig.2 Effect of different oxygen enriched concentrations on temperature of main combustion furnace(H2S concentration is 30%)

圖3 不同富氧濃度下主燃燒爐燃燒情況(H2S濃度為30%)Fig.3 Combustion situation of main combustion furnace under different oxygen enrichment concentrations(H2S concentration is 30%)

從圖2可以看出,隨著富氧濃度的提高,主燃燒爐溫度顯著提高,證明提高富氧濃度對(duì)提升克勞斯硫回收裝置主燃燒爐溫度產(chǎn)生有利影響,特別在低濃度H2S酸氣工況,能夠顯著提高酸氣火焰燃燒溫度。在30% H2S濃度下,不同富氧濃度工況下主燃燒爐酸氣燃燒情況見圖3,可以看出,即便在較低H2S濃度下,采用富氧空氣進(jìn)行燃燒,仍能夠有效維持燃燒穩(wěn)定性。

從圖2和圖3的結(jié)果看,富氧燃燒對(duì)于處理低H2S濃度酸氣的克勞斯硫回收裝置平穩(wěn)、高效運(yùn)行有著積極的作用。

3 其它提升主燃燒爐溫度方法的對(duì)比

在克勞斯硫回收工藝中能夠有效提升主燃燒爐溫度的方法,除提高供風(fēng)空氣中氧氣濃度之外,還有酸氣分流、酸氣預(yù)熱、空氣(或富氧空氣)預(yù)熱等方法。但后三種方法中,由于酸氣分流中部分H2S沒有經(jīng)過主燃燒爐高溫克勞斯反應(yīng),會(huì)影響整個(gè)硫回收裝置的反應(yīng)效率,特別是在酸氣中含NH3、重?zé)N等有害雜質(zhì)時(shí)[19-23],要慎用酸氣分流這種方法。

按酸氣H2S濃度20%,100%純氧為基準(zhǔn),通過軟件模擬計(jì)算了四種方法對(duì)提升主燃燒爐溫度的影響,分別為酸氣分流40%、同時(shí)預(yù)熱酸氣和富氧空氣至220 ℃、預(yù)熱酸氣至220 ℃、預(yù)熱富氧空氣至220 ℃。從圖4的對(duì)比分析中可以看出,較其它三種方法,酸氣分流對(duì)提高主燃燒爐溫度的效果更為顯著,同時(shí)預(yù)熱酸氣和富氧空氣的效果又比單獨(dú)預(yù)熱一股氣體的效果好。

圖4 不同方法對(duì)提高主燃燒爐溫度的對(duì)比Fig.4 Comparison of different methods for increasing the temperature of main combustion furnace

4 結(jié)論

本文通過借助富氧燃燒測試平臺(tái)開展現(xiàn)場試驗(yàn),工藝模擬軟件等進(jìn)行了對(duì)應(yīng)的富氧燃燒的研究,深入了解了富氧燃燒效果,系統(tǒng)研究了不同富氧濃度對(duì)提高主燃燒爐溫度的作用。同時(shí),通過富氧燃燒工藝及其它提升主燃燒爐溫度方法的對(duì)比分析,推薦了提升克勞斯硫回收裝置主燃燒爐溫度的方法原則。具體得出以下結(jié)論。

1)富氧燃燒能夠顯著有效地提升酸氣燃燒溫度,對(duì)于處理低H2S濃度酸氣的克勞斯硫回收裝置平穩(wěn)、高效運(yùn)行有著積極作用。

2)綜合考慮本文中所述的富氧燃燒對(duì)于提升主燃燒爐溫度的效果、不同提升主燃燒爐溫度方法對(duì)比以及酸氣分流對(duì)硫回收裝置反應(yīng)效率的影響,推薦在實(shí)際克勞斯硫回收裝置設(shè)計(jì)中為提升酸氣燃燒溫度,保證裝置高效平穩(wěn)運(yùn)行,采用提升主燃燒爐溫度方法的順序?yàn)?富氧燃燒>酸氣/富氧空氣預(yù)熱>酸氣分流。