硫黃回收裝置工藝氣鼓風機的改造與應用

韓晨陽，席歡歡，馮蕾博

[陜西延長石油（集團）有限責任公司延安煉油廠，陜西延安 727406]

0 引言

為滿足生態(tài)環(huán)境部頒布的《全國酸雨和二氧化硫污染防治規(guī)劃》（2005年5月）要求，著眼企業(yè)長遠發(fā)展并結合陜北地區(qū)原油性質，通過考察、論證，延安煉油廠于2008年5月順利建成投產(chǎn)16 t/d硫黃回收裝置，用于降低石油煉制過程中產(chǎn)生的含硫酸性氣對環(huán)境造成的污染，同時緩解酸性氣中硫元素對設備設施造成的侵蝕，以延長設備使用壽命。該裝置采用Merichem Company 的洛凱特（LO-CATⅡ）工藝，它通過使用鐵離子催化劑，在常溫下將硫化氫還原成單質硫，同時鐵離子被還原成亞鐵離子，再通過空氣中的氧氣對亞鐵離子進行氧化再生后循環(huán)使用，從而完成硫元素的回收。

LO-CATⅡ工藝過程中的主要化學反應可以分為兩個過程：

1）吸收過程。

Fe3+將H2S還原成S：

H2S + 2Fe3+→2H++ S + 2Fe2+

2）再生過程。

Fe2+氧化成Fe3+：

1/2O2+ H2O + 2Fe2+→ 2 Fe3++ 2OH-

工藝氣鼓風機作為裝置的關鍵設備在整個反應過程中以150 m3（標）/min的速率將空氣鼓入到硫吸收/氧化反應器的氧化段，使混合溶液中的鐵催化劑再生，并將反應后產(chǎn)生的廢氣輸送至焚燒爐單元，同時為硫黃吸收/氧化反應器內液相流動提供動力。

1 原工藝氣鼓風機的使用現(xiàn)狀

16 t/d硫磺回收裝置，原設計采用兩臺單級高速離心式鼓風機作為工藝氣鼓風機，為硫吸收/氧化反應器提供所需的空氣。因工藝需求，兩臺鼓風機須同時運行才能滿足生產(chǎn)。隨著運行時間的增加，原工藝氣鼓風機的檢修頻次逐漸升高，若單臺出現(xiàn)故障，將迫使硫吸收/氧化反應器通過降低處理量以維持操作，從而打破硫吸收/氧化反應器內單質硫生成的化學平衡，影響酸性氣的處理，嚴重情況下將會導致排放不合格，造成環(huán)保影響。伴隨著我國“雙碳”發(fā)展戰(zhàn)略的落地，原工藝氣鼓風機已經(jīng)逐漸不能滿足生產(chǎn)需求。為切實有效地解決以上問題，結合生產(chǎn)需求及現(xiàn)場運行情況，須對原工藝氣鼓風機存在問題進行分析并實施改造。

2 高速離心式鼓風機結構特征

單級高速離心式鼓風機主要由高低速轉子、變速箱、擴壓器、蝸殼等部件組成。工作過程：葉輪高速旋轉帶動周圍氣體隨之轉動，通過離心作用將氣體推送到擴壓器中，在葉輪周圍形成真空環(huán)境，這樣入口處的氣體便會源源不斷地進入葉輪內。葉輪的不斷轉動使氣體反復吸入排出，從而實現(xiàn)氣體輸送的目的[1]。

3 高速離心式鼓風機現(xiàn)場運行情況分析

硫黃回收裝置原工藝氣鼓風機（單級高速離心式鼓風機）在運行過程中主要存在以下不足。

3.1 能耗高

原設計的兩臺單級高速離心式鼓風機，單臺設計風量為93.2 m3（標） /min，因工藝氣需求為150 m3（標） /min，需要采取兩臺鼓風機同時運行的方案以滿足生產(chǎn)需求，能耗較高。由于兩臺鼓風機提供的實際風量大于所需風量，且為保障所需風量和正常的運行工況，防止發(fā)生喘振現(xiàn)象，還需要調節(jié)防喘振來釋放多余的風量，因此存在一定的資源浪費。

3.2 報警聯(lián)鎖系統(tǒng)復雜、受環(huán)境影響大

原單級高速離心式鼓風機采用電機帶動低速軸，通過變速箱傳動將轉速由2 976 r/min提升至27 642 r/min。由于轉速高、結構緊湊，為保證設備運行安全，每臺設備都設置了潤滑油冷后溫度、變速箱軸承溫度（4處）、電機軸承溫度（2處）、電機定子溫度（4處）等十余項報警聯(lián)鎖系統(tǒng)，兩臺鼓風機現(xiàn)場儀表數(shù)量總計36處。因硫黃裝置存在較強腐蝕性，儀表、線路因長時間處于這種環(huán)境氧化情況嚴重，對鼓風機運行過程中出現(xiàn)的8次連鎖停機原因進行分析，其中3次停機是由線路老化失效引起。

3.3 操作難度大

日常操作過程中，僅開機前就需要同時滿足以下五個條件：①入口導葉微開10°；②防喘振閥全開；③停車復位，系統(tǒng)復位；④PLC顯示無聯(lián)鎖狀態(tài)；⑤油溫油壓、DCS、現(xiàn)場PLC允許開車。開機過程如圖1所示。整個開機過程為60 min且需多人配合，在緊急情況下無法快速反應以保障環(huán)保裝置的安全平穩(wěn)運行。

圖1 開機過程

3.4 潤滑系統(tǒng)復雜，泄漏率高

原單級高速離心式鼓風機零件精密，需潤滑部位多，因此單獨設有潤滑系統(tǒng)且潤滑系統(tǒng)有較高的要求。潤滑系統(tǒng)設計采用油浴潤滑，設有輔助的潤滑油過濾系統(tǒng)、油壓控制系統(tǒng)和油溫控制系統(tǒng)。運行過程中需通過調整板式換熱器的冷卻水量和電加熱器來控制潤滑油溫度維持在35 ℃至45 ℃之間；需要控制輔助油泵的啟停來調整潤滑油壓力；對潤滑油的質量也有較高要求，需根據(jù)油濾器差壓定期對潤滑油過濾系統(tǒng)中的油濾器進行切換清理，并根據(jù)潤滑油質量檢測情況定期更換潤滑油以保證潤滑系統(tǒng)滿足設備運行要求。

在長期使用中，在交變負荷的作用下，密封件密封面產(chǎn)生疲勞，出現(xiàn)裂紋和脫剝層，并由于介質的沖蝕，磨損，以及硫黃裝置的腐蝕性導致的老化現(xiàn)象加劇，均加速了密封點出現(xiàn)失效現(xiàn)象，泄漏率也隨之升高。泄漏率高存在潤滑系統(tǒng)失效的風險，將導致設備停機，進而影響裝置安全平穩(wěn)運行。伴隨著“6S管理”的逐步深入實施，日常的維護過程中，泄漏點的潤滑油也給設備維護工作增加了負擔。

3.5 流量調節(jié)困難

原高速離心式鼓風機入口采用可調式導葉調節(jié)，在鼓風機正常工作過程中，葉輪高速旋轉產(chǎn)生巨大的吸力增加了入口導葉的調節(jié)難度，致使鼓風機風量調節(jié)不夠線性，操作難度隨之增加。

3.6 現(xiàn)場噪聲大

原高速離心式鼓風機在正常運轉過程中噪聲達到103 dB，已經(jīng)超過了國家相關標準規(guī)定的“距噪聲源1 m處的噪聲不大于接觸限值（85 dB）”。機組自運行以來噪聲已經(jīng)嚴重超標，直接危害到現(xiàn)場工作人員的職業(yè)健康。因此，在鼓風機周圍設置了大量的消音降噪屏障進行隔聲處理。隔聲設施內空間較小且較為封閉，不利于鼓風機運行過程中產(chǎn)生的熱量散發(fā)，若環(huán)境溫度較高將直接影響鼓風機穩(wěn)定性，且隨著使用時間的增加及硫黃裝置腐蝕性較強隔音設施的維護保養(yǎng)費用也逐漸升高。

3.7 檢修費用高

原高速離心式鼓風機因設計精密，單臺鼓風機檢修過程中僅施工費用就在6萬元以上，單臺檢修消耗配件費用至少為9萬元（其中包括轉子動平衡、進氣機殼及擴壓葉盤修復費用，軸瓦、油封、氣封、潤滑油更換等費用），兩臺鼓風機總計檢修費用為30萬元以上，且不包括大修時更換高低速轉子費用。

3.8 運行可靠性低

工藝氣鼓風機作為硫黃回收裝置的關鍵設備，原高速離心式鼓風機采用兩臺同時運行方案以滿足工藝需求，無備用鼓風機。若其突然發(fā)生故障將直接打破硫黃反應器內單質硫生成的化學平衡，影響到酸性氣處理，嚴重情況下將會引起排放不合格，造成環(huán)保事件。

4 重新選型及結構分析

2020年在與多家鼓風機廠家溝通論證后，根據(jù)16 t/d硫黃回收裝置現(xiàn)場布局及工藝要求，參考相關行業(yè)經(jīng)驗，對工藝氣鼓風機進行重新選型。經(jīng)過對比，最終采用多級離心式鼓風機。

按照工作原理，單級離心式鼓風機和多級離心式鼓風機都屬于速度式鼓風機的一種。即葉輪在旋轉過程中，由于旋轉產(chǎn)生的離心力作用及葉輪的擴壓流動，氣體的流速升高，隨后在擴壓器中把速動力能轉化為壓力能[2]。

由于離心式鼓風機是依靠提升氣體流動速度即氣體動能來壓縮空氣提高壓力，因此壓力的升高很大程度上依靠轉速的提高。單級離心式鼓風機只有一組葉輪，空氣的壓縮是一次壓縮完成的，而多級離心式鼓風機在一根主軸上有多組葉輪，空氣的壓縮在多組葉輪間逐步完成[3]。要獲得同樣的壓力，單級離心式鼓風機的轉速就必須要比多級離心式鼓風機的轉速高數(shù)倍，才能達到要求。通常情況下多級式鼓風機的轉速只有數(shù)千轉，而單級離心式鼓風機依靠齒輪箱獲得極高的轉速一般高達數(shù)萬轉。轉速的提高又受到平衡、潤滑及材料性能等多方面的限制，所以鼓風機的控制和維護保養(yǎng)特別重要，必須同時配套單獨的過濾系統(tǒng)、潤滑油系統(tǒng)及較為復雜的聯(lián)鎖報警系統(tǒng)[4]，同時由于高轉速帶來諸多部件如葉片等磨損較大，所以同樣工況下單級高速離心式鼓風機的故障率較多級離心式鼓風機高很多。因此經(jīng)多次對比分析，最終選定多級離心式鼓風機。2021年7月鼓風機改造項目完成施工并投入使用。

5 多級離心式鼓風機應用效果

2021年7月首臺工藝氣鼓風機改造完成并投入使用。通過對鼓風機結構進行重新選型，對報警聯(lián)鎖系統(tǒng)進行優(yōu)化，成功縮短了鼓風機開機時間，降低了檢修費用、材料費用和檢修難度，省去了潤滑系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，減少了部分非必要的消音設施和儀表線路，進而降低了機組的檢修率和日常維護強度。截至2023年3月，16 t/d硫黃回收裝置已平穩(wěn)運行20個月，在此期間多級離心式鼓風機運行情況良好。

1)改造前后鼓風機具體參數(shù)如表1所示。

表1 鼓風機改造前后參數(shù)綜合比較

2)因鼓風機結構發(fā)生變化，將原鼓風機的油浴潤滑系統(tǒng)改造為脂潤滑，通過每400 h加潤滑脂30 g來解決軸承潤滑問題，省去了原鼓風機復雜的潤滑系統(tǒng)。入口調節(jié)方式也由原來的可調式導葉式改造為入口蝶閥，維護難度、維護成本、工作強度均大幅度降低。

3）操作難度大幅度降低。改造后鼓風機切換過程簡單：啟動備用鼓風機，打開出口閥；緩慢關閉備用鼓風機的防喘振閥，逐漸打開運轉鼓風機的防喘振閥，兩個過程同時進行；全關備用鼓風機的防喘振閥，全開運轉鼓風機的防喘振閥；關閉運轉鼓風機的出口閥；停運轉鼓風機；對啟動后的備用鼓風機進行檢查。鼓風機的開機時間由原來的60 min縮短為30 min，為裝置平穩(wěn)運行提供了有力保障。

4）由于鼓風機結構發(fā)生改變，去除了高速離心式鼓風機的變速箱結構，潤滑方式由油浴潤滑改為脂潤滑，因此簡化了相應的報警聯(lián)鎖信號、減少了相應的儀表數(shù)量，報警聯(lián)鎖系統(tǒng)得到優(yōu)化，如圖2所示。

圖2 鼓風機改造前后測點清單

5）改造后鼓風機單臺運行即可滿足生產(chǎn)需求。依據(jù)原鼓風機單臺機實際運行過程中記錄的電流參數(shù)計算如下：

電流25 A，電機功率P1=1.732×6 000 V×25 A×0.8=207.8 kW

改造后鼓風機單臺機實際運行過程中記錄的電流參數(shù)計算如下：

電流31 A，電機功率P2=1.732×6 000 V×31 A×0.8=257.7 kW

改造前兩臺鼓風機運行，電機功率為2P1，改造后只需單臺運行。

因此電機功率可節(jié)約 ΔP=2P1-P2=2×207.8-257.7=157.9 kW

因此，每天可節(jié)約電量Q=157.9×24≈3 790 kW·h。

以現(xiàn)在執(zhí)行電價0.5 元/（kW·h）（我廠用電電價浮動，0.5 元為保守估算）計算，每天可節(jié)約費用3 768×0.5=1 895元。

每年節(jié)約費用為1 895×8 000/24=631 667 元=63.2 萬元。（硫黃裝置每年設計運行8 000 h）

6 結語

鼓風機的結構形式有很多，合理的選型很重要。通過對鼓風機運行情況的分析，證明多級離心式鼓風機更適用于硫黃回收裝置，相對于高速離心式鼓風機，其降低了能耗，簡化了操作步驟，降低了檢修率和維護成本，減少了人員工作強度，提升了經(jīng)濟效益，保障了環(huán)保裝置安全、平穩(wěn)、長周期運行，獲得了社會效益。