硫磺回收裝置節(jié)能降耗分析與應(yīng)用

彭國(guó)峰

中國(guó)石油四川石化有限責(zé)任公司

作為環(huán)保型的生產(chǎn)裝置,企業(yè)對(duì)硫磺回收裝置關(guān)注的重點(diǎn)往往集中在環(huán)保達(dá)標(biāo)排放方面,而對(duì)于裝置余熱回收不充分、換熱器結(jié)垢,以及大量?jī)艋苯优欧胖廖鬯幚韽S等節(jié)能降耗方面的問題并未予以充分的重視,從而導(dǎo)致裝置綜合能耗偏高[1-2]。中國(guó)石油四川石化有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱四川石化公司)硫磺回收聯(lián)合裝置通過(guò)制硫爐余熱鍋爐自產(chǎn)蒸汽降壓改造、降低酸性水汽提裝置1.2 MPa蒸汽消耗量、降低溶劑再生裝置0.4 MPa蒸汽消耗量、提高凈化水綜合利用率等一系列節(jié)能降耗措施,解決了制約裝置節(jié)能降耗方面的難題。通過(guò)常減壓裝置電脫鹽、常壓塔和減壓塔塔頂利用凈化水作為注水、催化裂化裝置煙氣脫硫單元凈化水替代生產(chǎn)水等技術(shù)改造,達(dá)到節(jié)能降耗的目的[3]。

1 硫磺回收聯(lián)合裝置高能耗問題分析

四川石化公司硫磺回收聯(lián)合裝置包括兩套5×104t/a硫磺回收裝置、兩套120 t/h酸性水汽提裝置、兩套350 t/h溶劑再生裝置和一套尾氣提標(biāo)CTS裝置[4]。在裝置實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中,受原料影響及裝置工藝設(shè)計(jì)的限制,存在著一些影響裝置節(jié)能降耗的問題[5],具體分析如下。

1.1 余熱鍋爐換熱效率降低

10×104t/a硫磺回收聯(lián)合裝置在生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中,上游各裝置送來(lái)的酸性水及富胺液存在帶油帶烴的現(xiàn)象[6-7]。以富胺液為例,設(shè)計(jì)要求上游各生產(chǎn)裝置送來(lái)的富胺液中烴的質(zhì)量濃度不大于10 mg/L,然而通常情況下富胺液中烴的質(zhì)量濃度為40～100 mg/L(見圖1),導(dǎo)致經(jīng)處理后得到的酸性氣中的烴含量較高,這不僅增加了制硫爐配風(fēng)調(diào)節(jié)的難度,還容易產(chǎn)生積炭,導(dǎo)致余熱鍋爐換熱效率下降[8]、產(chǎn)汽量降低。同時(shí),因余熱鍋爐設(shè)計(jì)產(chǎn)汽壓力為4.0 MPa,產(chǎn)汽溫度高,余熱鍋爐換熱效率下降時(shí),還會(huì)存在過(guò)程氣出口管線超溫的隱患,當(dāng)管線溫度上升至370 ℃后,必須停工對(duì)余熱鍋爐管束進(jìn)行清灰除垢,否則會(huì)對(duì)裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。以一套硫磺回收裝置為例,蒸汽降級(jí)改造前余熱鍋爐出口管線溫度趨勢(shì)及檢修周期見圖2。

由圖2可知,余熱鍋爐蒸汽降級(jí)改造前,一套硫磺回收裝置運(yùn)行周期約9個(gè)月,并且余熱鍋爐出口過(guò)程氣管線溫度約高達(dá)400 ℃,嚴(yán)重影響裝置安全運(yùn)行。

1.2 酸性水汽提裝置酸性水-凈化水換熱器換熱效率降低

針對(duì)酸性水汽提裝置流程短、關(guān)鍵用能設(shè)備少的特點(diǎn),對(duì)于酸性水汽提裝置節(jié)能降耗的分析主要集中在1.2 MPa蒸汽消耗上面[9]。受酸性水?dāng)y帶機(jī)械雜質(zhì)的影響,在酸性水汽提裝置酸性水-凈化水換熱器長(zhǎng)周期運(yùn)行情況下,管殼程結(jié)垢導(dǎo)致?lián)Q熱效率下降,酸性水進(jìn)入汽提塔的溫度由設(shè)計(jì)的100 ℃降至約80 ℃,造成塔底汽重沸器1.2 MPa蒸汽使用量增加。酸性水入塔溫度趨勢(shì)見圖3,酸性水-凈化水換熱器清洗前后蒸汽消耗量對(duì)比見圖4。

由圖3可知,酸性水-凈化水換熱器清洗之前,酸性水入塔溫度遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值100 ℃,清洗之后,酸性水入塔溫度接近設(shè)計(jì)值,換熱效果比較良好。

由圖4可知,酸性水-凈化水換熱器清洗前后,在酸性水處理量基本一致的情況下,汽提塔塔底蒸汽用量由約15 t/h降至約13 t/h,差值2 t/h。

1.3 溶劑再生裝置蒸汽消耗量大

溶劑再生裝置自2014年開工以來(lái),系統(tǒng)內(nèi)的脫硫溶劑一直在循環(huán)使用,運(yùn)行期間根據(jù)脫硫劑的含量變化,間歇性補(bǔ)充新鮮脫硫溶劑[10]。雖然有胺液在線凈化系統(tǒng)的旁濾,但是相對(duì)公司脫硫系統(tǒng)總的循環(huán)量,胺液在線凈化系統(tǒng)過(guò)濾量很小,加上長(zhǎng)久的循環(huán)使用,脫硫溶劑中的機(jī)械雜質(zhì)、熱穩(wěn)定性鹽等緩慢積累,導(dǎo)致脫硫效率下降。上游各使用脫硫溶劑的裝置為了保證脫硫效果,相應(yīng)地提高了脫硫溶劑的循環(huán)使用量,最終導(dǎo)致溶劑再生裝置負(fù)荷增加,造成了溶劑再生裝置的能耗增加。這一現(xiàn)象在專供加氫裂化脫硫溶劑循環(huán)使用的一套溶劑再生單元上表現(xiàn)得最為明顯。另外,上游汽油加氫裝置吸收塔間歇撇油操作過(guò)程中,將攜帶大量油的富胺液直接送到一套溶劑再生裝置,為了使再生后的貧胺液質(zhì)量合格,溶劑再生塔塔底會(huì)消耗更多蒸汽[11],同時(shí)也導(dǎo)致經(jīng)過(guò)再生后的酸性氣帶烴現(xiàn)象嚴(yán)重,對(duì)硫磺回收裝置制硫爐操作的影響也比較大。上游裝置脫硫溶劑循環(huán)量及溶劑再生裝置塔底重沸器蒸汽用量(單個(gè)重沸器)趨勢(shì)見圖5。

由圖5可知,隨著運(yùn)行時(shí)間的增加,上游裝置脫硫溶劑循環(huán)用量逐漸增加,由200 t/h增至220 t/h以上,并且溶劑再生裝置塔底重沸器蒸汽用量也逐步增加,單邊重沸器蒸汽量由22 t/h增至25 t/h以上,溶劑再生裝置塔底重沸器蒸汽整體消耗量由44 t/h增至50 t/h以上。

1.4 凈化水回用率低

在正常運(yùn)行情況下,硫磺回收聯(lián)合裝置生產(chǎn)非加氫凈化水90 t/h、加氫凈化水110 t/h。一方面,硫磺回收聯(lián)合裝置所生產(chǎn)的凈化水僅有65 t/h用于電脫鹽注水、15 t/h用于渣油加氫和加氫裂化裝置回用[12],回用率僅為40%,其余大部分凈化水作為污水送至污水處理廠進(jìn)行處理,不僅造成了資源的浪費(fèi),也增加了污水處理費(fèi)用。另一方面,由于優(yōu)化之前凈化水質(zhì)不滿足常減壓裝置注水要求,因此,常減壓裝置塔頂系統(tǒng)注水使用除鹽水;催化裂化裝置煙氣脫硫脫硝單元注水使用生產(chǎn)水、硫磺回收聯(lián)合裝置酸性水大罐水封水、貧胺液罐水封水;成型冷卻水池及尾氣凈化單元堿洗塔置換水均使用除鹽水。這些用水點(diǎn)消耗了大量的清潔水資源。因此,若能用硫磺回收聯(lián)合裝置生產(chǎn)的凈化水替代上述生產(chǎn)水及除鹽水,用于常減壓、催化裂化及硫磺回收等裝置各系統(tǒng)注水,將有效提高凈化水利用率,減少污水外送量及生產(chǎn)水和除鹽水的消耗量,產(chǎn)生極大的經(jīng)濟(jì)與環(huán)保效益。

2 硫磺回收裝置節(jié)能降耗措施應(yīng)用

針對(duì)硫磺回收聯(lián)合裝置在節(jié)能降耗方面存在的問題[13],通過(guò)不斷調(diào)研及探索,從各環(huán)節(jié)對(duì)節(jié)能降耗應(yīng)用分析,將具體節(jié)能目標(biāo)細(xì)化,以便于精準(zhǔn)落實(shí)節(jié)能措施,對(duì)裝置運(yùn)行制定了以下具體措施。

2.1 制硫爐余熱鍋爐自產(chǎn)蒸汽降壓改造應(yīng)用實(shí)踐

針對(duì)余熱鍋爐換熱效率降低問題,對(duì)制硫爐余熱鍋爐自產(chǎn)蒸汽管線進(jìn)行了技改,增加了自產(chǎn)蒸汽至1.2 MPa 蒸汽系統(tǒng)管網(wǎng)的工藝流程,余熱鍋爐改產(chǎn)1.2 MPa 蒸汽,同時(shí)每年利用檢修窗口期,對(duì)余熱鍋爐管束進(jìn)行清灰除垢,目的是降低余熱鍋爐出口溫度,增產(chǎn)1.2 MPa蒸汽。

制硫爐余熱鍋爐自產(chǎn)蒸汽降壓改造措施實(shí)施后,余熱鍋爐自產(chǎn)1.2 MPa蒸汽的產(chǎn)量比產(chǎn)4.0 MPa蒸汽增加約10 t/h,過(guò)程氣出口溫度穩(wěn)定在280～350 ℃之間,超溫隱患也得以消除,為裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行提供了保障。蒸汽降級(jí)改造后余熱鍋爐出口管線溫度趨勢(shì)及檢修周期見圖6。

由圖6可知,余熱鍋爐蒸汽降級(jí)改造后,1套硫磺回收裝置運(yùn)行周期可達(dá)19個(gè)月左右,運(yùn)行周期提升約1年,并且余熱鍋爐出口過(guò)程氣管線溫度約350 ℃,若裝置沒有其他檢修內(nèi)容,可以延長(zhǎng)運(yùn)行周期。

2.2 降低酸性水汽提裝置1.2 MPa蒸汽消耗應(yīng)用實(shí)踐

對(duì)于降低酸性水汽提裝置1.2 MPa蒸汽消耗,主要采取了提高原料水-凈化水換熱器換熱效率、優(yōu)化汽提塔操作等措施,具體如下：

(1) 利用裝置檢修窗口期,對(duì)原料水-凈化水換熱器管束進(jìn)行清洗除垢,提高換熱效率,從而提高酸性水進(jìn)汽提塔溫度、降低塔底重沸器蒸汽消耗。

(2) 協(xié)調(diào)上游裝置穩(wěn)定操作,減少酸性水?dāng)y帶機(jī)械雜質(zhì)的情況,減輕原料水-凈化水換熱器管束結(jié)垢的情況,保證原料水-凈化水換熱器長(zhǎng)周期高效運(yùn)行。

(3) 通過(guò)優(yōu)化汽提塔操作條件,調(diào)整塔頂抽出、空冷百葉窗開度、汽提塔靈敏板溫度、塔底溫度及操作壓力,及時(shí)關(guān)注化驗(yàn)分析數(shù)據(jù)等手段,穩(wěn)定汽提塔操作,降低汽提塔塔底蒸汽使用量。

上述各項(xiàng)措施于2021年7月全部完成。在保證裝置凈化水質(zhì)量穩(wěn)定合格的情況下,有效降低了酸性水汽提塔塔底再沸器的蒸汽使用量約2 t/h。

2.3 降低溶劑再生裝置0.4 MPa蒸汽消耗應(yīng)用實(shí)踐

從安全環(huán)保生產(chǎn)和提質(zhì)增效兩方面對(duì)硫磺回收溶劑再生裝置脫硫劑進(jìn)行了優(yōu)化。針對(duì)現(xiàn)有硫磺裝置使用脫硫劑脫硫效果不佳、選擇性較差的現(xiàn)狀,采用在線置換,將一套溶劑再生裝置脫硫溶劑更換為高效選擇性脫硫溶劑,有效地提高了溶劑脫硫效果并大幅降低了溶劑的系統(tǒng)循環(huán)量,從而降低了溶劑再生裝置塔底重沸器蒸汽消耗量約10 t/h。

另外,針對(duì)上游裝置送來(lái)的富胺液帶油帶烴的情況,會(huì)同上游裝置進(jìn)行流程技改,對(duì)撇油過(guò)程產(chǎn)生的富胺液進(jìn)行油水分離及閃蒸處理后送至硫磺回收聯(lián)合裝置,最大限度減少脫硫溶劑帶油帶烴的情況。

2.4 實(shí)施技改技措,提高凈化水綜合利用率應(yīng)用實(shí)踐

通過(guò)優(yōu)化酸性水汽提裝置工藝參數(shù),進(jìn)一步提高凈化水各項(xiàng)指標(biāo),保證滿足上游各系統(tǒng)對(duì)注水質(zhì)量的要求。

(1) 對(duì)于常減壓裝置和催化裂化裝置,開展新增凈化水補(bǔ)水流程技術(shù)改造,將注水改為凈化水,常減壓裝置塔頂注水節(jié)約23 t/h除鹽水,催化裂化裝置煙脫補(bǔ)水節(jié)約36 t/h生產(chǎn)水,同時(shí)節(jié)約20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的NaOH溶液約0.1 t/h。

(2) 對(duì)硫磺回收聯(lián)合裝置內(nèi)的尾氣提標(biāo)單元堿洗塔注水流程進(jìn)行技改,用pH值為9左右的加氫凈化水替代除鹽水,實(shí)現(xiàn)凈化水回用的同時(shí),也可降低30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的KOH溶液消耗量約0.5 t/d。

(3) 對(duì)硫磺回收聯(lián)合裝置內(nèi)的成型機(jī)冷卻水池補(bǔ)充水流程進(jìn)行技改,由于成型機(jī)冷卻水長(zhǎng)期受鋼帶脫模劑的影響,導(dǎo)致pH值為4左右。原設(shè)計(jì)采用除鹽水作為置換用水,經(jīng)技改后,用pH值為9左右的加氫凈化水替代除鹽水,以提高冷卻水的pH值,防止液硫成型單元管線及設(shè)備的腐蝕。成型機(jī)冷卻水pH值由4左右提高至7左右,液硫成型單元管線及設(shè)備的腐蝕情況得到明顯改善。

(4) 對(duì)硫磺回收聯(lián)合裝置內(nèi)酸性水大罐和貧胺液儲(chǔ)罐水封上水管線進(jìn)行技改,增加加氫凈化水供水流程,用加氫凈化水替代除鹽水,節(jié)約除鹽水用量約10 t/h,同時(shí)也減少了裝置污水排放量。根據(jù)各用水點(diǎn)對(duì)于水質(zhì)要求的不同,硫磺回收裝置凈化水利用統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 凈化水利用統(tǒng)計(jì)表用水單元原注水種類使用凈化水種類使用量/(t·h-1)常減壓裝置電脫鹽系統(tǒng)非加氫凈化水非加氫凈化水65渣油加氫和加氫裂化裝置加氫凈化水加氫凈化水15常壓和減壓塔塔頂系統(tǒng)注水除鹽水加氫凈化水23催化裂化裝置煙氣脫硫單元生產(chǎn)水加氫凈化水36催化裂化裝置分餾塔塔頂注水除鹽水加氫凈化水10硫磺回收裝置成型冷卻水池除鹽水加氫凈化水4硫磺回收裝置尾氣凈化堿洗塔除鹽水加氫凈化水4硫磺回收裝置酸性水大罐水封水除鹽水加氫凈化水6硫磺回收裝置貧胺液罐頂水封水除鹽水加氫凈化水4

3 硫磺回收裝置節(jié)能降耗應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

3.1 制硫爐余熱鍋爐自產(chǎn)蒸汽降壓改造應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

通過(guò)余熱鍋爐技改實(shí)踐,不僅解決了在日常生產(chǎn)中制硫爐余熱鍋爐結(jié)垢、管束積灰等導(dǎo)致余熱鍋爐換熱效率下降而引起的余熱鍋爐出口溫度超標(biāo)運(yùn)行的隱患問題[14],還增產(chǎn)了1.2 MPa蒸汽。余熱鍋爐自產(chǎn)蒸汽降級(jí)改造前,產(chǎn)汽量約6 t/h,改造后產(chǎn)汽量約16 t/h。因此,余熱鍋爐自產(chǎn)蒸汽降級(jí)改造后增加約10 t/h,增產(chǎn)十分明顯。正常生產(chǎn)期間余熱鍋爐除氧水溫度約101℃,壓力5.0 MPa,改造前產(chǎn)4.0 MPa,250.394 ℃蒸汽,回收熱量10 280.4 MJ/h;改造后產(chǎn)1.2 MPa,187.995 ℃蒸汽,回收熱量31 771.2 MJ/h,增加21 490.8 MJ/h。

3.2 降低酸性水汽提裝置1.2 MPa蒸汽消耗應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

通過(guò)降低酸性水汽提裝置1.2 MPa蒸汽消耗應(yīng)用方案的實(shí)施,將酸性水進(jìn)汽提塔塔溫由82 ℃升至95 ℃以上,酸性水汽提塔塔底蒸汽消耗降低約2 t/h,有效降低了酸性水汽提裝置的能耗。

3.3 降低溶劑再生裝置0.4 MPa蒸汽消耗應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

將溶劑再生裝置更換為高效脫硫溶劑后,系統(tǒng)循環(huán)量由350 t/h降到280 t/h左右,降低了20%。在裝置65%的負(fù)荷下,可將一套溶劑再生裝置塔底再沸器0.4 MPa蒸汽使用量由49.6 t/h降到39.7 t/h以下,減少了9.6 t/h,降幅19%以上。同時(shí),由于溶劑脫硫效果的提升,硫磺回收裝置尾氣吸收塔出口加氫凈化尾氣中H2S含量(體積分?jǐn)?shù))由(300～500)×10-6降到150×10-6以下,大幅減少了進(jìn)入尾氣凈化單元的負(fù)荷,為硫磺回收聯(lián)合裝置煙氣SO2達(dá)標(biāo)排放提供了保障[15]。

3.4 實(shí)施技改技措,提高凈化水綜合利用率應(yīng)用評(píng)價(jià)

通過(guò)凈化水綜合利用措施的實(shí)施,減少常減壓裝置除鹽水使用量23 t/h,分別減少催化裂化裝置生產(chǎn)水和除鹽水使用量36 t/h和10 t/h,減少硫磺回收裝置除鹽水使用量18 t/h,凈化水綜合利用率由40.0%提高至83.5%,同時(shí)減少污水外送量87 t/h,大幅降低了污水處理費(fèi)用。另外,由于加氫凈化水的pH值在9以上,在正常生產(chǎn)時(shí),硫磺尾氣提標(biāo)單元堿洗塔不用補(bǔ)充新鮮堿液,使得硫磺回收聯(lián)合裝置節(jié)約30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的KOH溶液約180 t/a。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析硫磺回收聯(lián)合裝置在節(jié)能降耗方面存在的不足,研究制定了相對(duì)應(yīng)的技術(shù)方案,實(shí)施了制硫爐余熱鍋爐自產(chǎn)蒸汽降壓改造、降低酸性水汽提裝置1.2 MPa蒸汽消耗、降低溶劑再生裝置0.4 MPa蒸汽消耗、提高凈化水綜合利用等一系列節(jié)能降耗措施。使得硫磺回收聯(lián)合裝置生產(chǎn)運(yùn)行質(zhì)量得到了很大的提高,裝置綜合能耗由原來(lái)的1 000 kgEO/t降至目前的660 kgEO/t,凈化水回用率由原來(lái)的40.0%提高至目前的83.5%,累計(jì)每年可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益約4 655萬(wàn)元。

同時(shí),硫磺回收聯(lián)合裝置仍有很多節(jié)能潛力可以挖掘。例如,目前只對(duì)一套溶劑再生裝置進(jìn)行了高效脫硫溶劑的更換,另一套溶劑再生裝置仍在使用普通型脫硫溶劑,存在一定的節(jié)能降耗潛力。此外,裝置凈化水綜合利用率雖有提高,但仍有近17%的凈化水被作為污水直接排放,沒有得到有效利用。下一步將在硫磺回收聯(lián)合裝置節(jié)能降耗方面繼續(xù)深入研究,制定科學(xué)有效的措施,進(jìn)一步優(yōu)化裝置運(yùn)行水平,在裝置節(jié)能降耗方面取得更多的突破,創(chuàng)造更大的效益。