富氧制硫在脫硫裝置的應(yīng)用

富氧制硫技術(shù)在脫硫裝置的應(yīng)用摘要：本文通過分析某脫硫裝置處理量受限的原因，提出引進(jìn)富氧制硫技術(shù)，在不停工的情況下對2600t/年常規(guī)克勞斯法硫回收裝置進(jìn)行改造。項目投入運(yùn)行后，數(shù)據(jù)顯示，富氧制硫工藝取得了成功應(yīng)用，在裝置不進(jìn)行大修改造的前提下，裝置處理能力提高了20%，硫回收率和產(chǎn)品質(zhì)量保持良好，相關(guān)經(jīng)驗和做法可為同行借鑒。關(guān)鍵詞：富氧；硫回收；擴(kuò)能1生產(chǎn)現(xiàn)狀某廠脫硫裝置的設(shè)計產(chǎn)硫能力為2600t/年，因上游裝置原料硫含量增加，該裝置實際處理能力為4000t/年，遠(yuǎn)超過設(shè)計值。制硫爐前壓力在接近工藝控制指標(biāo)的上限55kPa時，酸性氣體處理量已達(dá)極限（390m3/h左右）。在現(xiàn)有裝置上已無法進(jìn)一步提高裝置處理能力，嚴(yán)重制約了上游處理量，影響了工廠效益。2裝置簡介及富氧制硫應(yīng)用背景2.1裝置簡介本脫硫裝置硫回收單元采取克勞斯+RAR工藝，具體流程如圖1所示。從溶劑再生單元來的酸性氣通過克勞斯部分熱反應(yīng)爐和一二級反應(yīng)器轉(zhuǎn)化為單質(zhì)液硫，液硫通過硫封后進(jìn)入地下液硫罐。部分制硫尾氣送至尾氣加氫部分進(jìn)一步處理，將其中的二氧化硫、硫蒸汽等重新變成硫化氫，然后經(jīng)尾氣吸收塔使用貧溶劑凈化后排至焚燒爐，實現(xiàn)焚燒爐煙氣二氧化硫達(dá)標(biāo)排放，尾氣吸收塔底部富溶劑送至溶劑再生單元。通過供風(fēng)風(fēng)機(jī)向熱反應(yīng)爐通入空氣作為氧化劑。制硫尾氣急冷塔過程氣酸性氣制硫尾氣急冷塔過程氣酸性氣貧溶劑貧溶劑空氣空氣硫化氫硫化氫富溶劑富溶劑硫磺硫冷器硫冷器硫冷器加氫反應(yīng)器二反一反熱反應(yīng)爐急冷塔吸收塔塔硫磺硫冷器硫冷器硫冷器加氫反應(yīng)器二反一反熱反應(yīng)爐急冷塔吸收塔塔風(fēng)機(jī)風(fēng)機(jī)硫封液硫罐煙囪焚燒爐硫封液硫罐煙囪焚燒爐圖1硫磺單元流程簡圖熱反應(yīng)爐中主要反應(yīng)如下：2H2S（g）+O2

（g）→2S（g）+2H2O（g）+615KJ/mol（1）H2S（g）→H2（g）+0.5S2（g）-84KJ/mol（2）2.2采用富氧制硫技術(shù)背景熱反應(yīng)爐最高壓力受制于裝置硫封設(shè)置的安全高度，爐前壓力升高影響了裝置的處理量。根據(jù)流體力學(xué)計算，阻力計算公式：P熱反應(yīng)爐-P(焚燒爐)≈ζ*ρu2/2P焚燒爐≈P(大氣)≈0我們從反應(yīng)式（1）和流程圖1可以看出，裝置主要以空氣中氧氣作為H2S的氧化劑，但空氣中大量的氮?dú)馐沟肏2S氧化過程的效率較低?？諝庵醒鹾繛?1%，其余絕大部分為惰性氣體。而惰性氣體整個過程中不參與反應(yīng)，同時會帶來一些不利的影響，如占據(jù)系統(tǒng)體積，造成系統(tǒng)壓力大，限制裝置處理能力。工廠提出了在不停工的情況下采用富氧制硫工藝，以降低進(jìn)爐空氣量和制硫尾氣量，降低P熱反應(yīng)爐的壓力，提高處理能力。富氧制硫工藝采用富氧空氣代替常規(guī)空氣后，催化轉(zhuǎn)化段過程氣量減少,在相同爐前壓力下裝置處理能力會得到提高。3富氧制硫工藝簡介3.1富氧制硫工藝使用背景工業(yè)硫磺裝置，一般使用克勞斯法進(jìn)行硫磺回收，以空氣作為H2S的氧化劑，但空氣中大量的氮?dú)馐沟肏2S氧化過程的效率較低，以富氧或純氧作為氧化劑可提高系統(tǒng)效率，挖掘裝置潛力。國外發(fā)展了以富氧以及純氧作為氧化劑的克勞斯工藝（COPE），并于1985年在美國實現(xiàn)了工業(yè)化[1]。可見將常規(guī)克勞斯工藝改造成富氧克勞斯工藝能夠大大提高裝置的處理能力。將常規(guī)克勞斯工藝裝置改用30%的富氧空氣可以提高處理能力20%以上，且投資少、見效快、操作彈性大。因此當(dāng)工廠的酸性氣體處理負(fù)荷增加時，將常規(guī)克勞斯工藝改造為富氧克勞斯工藝是一條經(jīng)濟(jì)快捷的擴(kuò)能途徑。3.2富氧克勞斯工藝原理富氧克勞斯工藝是一種改良的克勞斯工藝，其主要原理和常規(guī)克勞斯工藝相同，主要的改進(jìn)為主燃燒爐供風(fēng)由空氣改為富氧空氣或者純氧。富氧克勞斯工藝采用富氧空氣代替空氣后，催化轉(zhuǎn)化段過程氣量顯著減小,在處理能力大大提高的同時還降低了能耗以及下游尾氣處理裝置的負(fù)荷[2]。4富氧制硫工藝投入使用4.1低富氧（O2<28%）工藝的確定富氧克勞斯技術(shù)可以采用不同氧含量的富氧空氣，如低濃度富氧(O2<28%)、中等濃度富氧(28%≤O2<45%)和高濃度富氧(O2≥45%)。圖2爐溫隨氧氣濃度變化趨勢圖[3]圖2給出了不同濃度的酸氣在不同富氧程度下的絕熱爐溫，隨H2S濃度及富氧程度上升而爐溫上升。從上圖可以看出酸氣濃度在90%時采用28%的富氧工藝，爐膛溫度可維持在1300℃以下操作[3]。我廠根據(jù)裝置現(xiàn)有情況如酸氣濃度為90%、爐溫要求不大于1300℃、裝置處理能力和初次選用風(fēng)險等方面綜合考慮，低富氧技術(shù)為最佳選擇。4.2富氧工藝方案實施對裝置PIC-9002進(jìn)行不停工改造，將氧氣接入風(fēng)機(jī)入口，通過風(fēng)機(jī)向克勞斯?fàn)t提供富氧空氣具體流程圖如下:PIC-9002空氣氣空氣氣XV-9001F-901空氣氣空氣氣XV-9001F-901氧氣F-902FV-0901/1FT-0901/1V-906K-901BK-901A氧氣F-902FV-0901/1FT-0901/1V-906K-901BK-901A圖3氧氣接入流程圖使用富氧空氣代替空氣，處理同樣的酸氣使用的供風(fēng)量得到減少。根據(jù)反應(yīng)式H2S+0.502→H20+0.5S2，當(dāng)燃燒風(fēng)氧含量為21%時，風(fēng)氣比理論值為2.38，當(dāng)氧含升至28%時，風(fēng)氣比理論值為1.786。(此處計算，酸性氣按純硫化氫計算)風(fēng)機(jī)入口進(jìn)氧計算法：(（1380-進(jìn)氧量)*0.21+進(jìn)氧量）/1380=0.28進(jìn)氧量≈122m3/h制硫爐供風(fēng)風(fēng)機(jī)屬于羅茨風(fēng)機(jī)，壓力通過出口緩沖罐PV-9002調(diào)節(jié)，風(fēng)機(jī)出入口風(fēng)量是固定的。風(fēng)機(jī)最大供風(fēng)能力為1380m3/h。由于風(fēng)機(jī)內(nèi)外泄漏、入口過濾網(wǎng)節(jié)流效應(yīng)等原因，風(fēng)機(jī)供風(fēng)效率是下降的，實際供風(fēng)量低于理論值。按照進(jìn)爐燃燒風(fēng)氧含量28%、空氣氧含量21%計算，實際進(jìn)氧量將低于理論值122m3/h，約估算在90m3/h左右。此種富氧使用方式進(jìn)爐前已經(jīng)混合均勻，不會存在局部氧氣量過高現(xiàn)象，調(diào)節(jié)也較為方便，直接可以通過調(diào)節(jié)氧氣進(jìn)料量調(diào)節(jié)富氧濃度。同時設(shè)置PIC-9002壓力過低時氧氣進(jìn)料控制閥門自動關(guān)閉邏輯，以防止風(fēng)機(jī)故障或者停運(yùn)時，氧氣在現(xiàn)場積聚。4.3富氧制硫工藝投入使用2013年5月富氧制硫開始投用，在酸氣處理量穩(wěn)定的情況下，爐前壓力得到明顯降低，具體如下圖：圖4制硫爐前壓力變化趨勢圖說明富氧制硫工藝投用后，過程氣量也隨之降低，系統(tǒng)壓降得到降低，爐前壓力相應(yīng)降低。在酸氣處理量穩(wěn)定的情況下，制硫爐溫度得有所上升，具體如下圖：從上圖可以看出熱反應(yīng)爐爐溫有一定程度的上升（1080℃↗1180℃），但是始終控制在安全范圍內(nèi)（工藝卡片≤1300℃）。采用富氧燃燒，富氧克勞斯工藝燃燒爐內(nèi)溫度明顯高于常規(guī)克勞斯。但燃燒爐內(nèi)溫度升高后，燃燒爐內(nèi)H2S的裂解直接轉(zhuǎn)化成硫的反應(yīng)急劇增加，燃燒爐氧氣用量將減少而明顯低于化學(xué)計量系數(shù)。另外，H2S的裂解是吸熱反應(yīng)，可以轉(zhuǎn)移部分熱量，能夠起到降溫的作用。所以改造后爐膛溫度實際并沒有超過1200℃，完全在可控范圍之內(nèi)。4.4投用后硫磺回收單元主要操作數(shù)據(jù)變化表1富氧制硫投用前后系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)變化表項目投用前投用后進(jìn)爐空氣氧含量%（V）2128酸氣處理量m3/h390390酸氣中硫化氫濃度%9089.8制硫前壓力kPa5335急冷塔過程氣流量m3/h11301000熱反應(yīng)爐溫度℃10801180熱反應(yīng)爐外壁最高溫度℃180200一反應(yīng)溫升℃6075二反應(yīng)溫升℃36加氫反應(yīng)器溫升℃3545尾氣加氫反應(yīng)器耗氫量m3/h3525尾氣吸收塔溶劑循環(huán)量t/h108貧溶劑溫度℃3838急冷塔急冷水用量t/h54硫磺質(zhì)量優(yōu)級品優(yōu)級品焚燒爐煙氣中SO2含量mg/m310080富氧制硫投用前后酸氣處理量和酸氣濃度較為穩(wěn)定，配風(fēng)嚴(yán)格按照硫化氫與二氧化硫比值分析儀為2:1控制?？紤]到使用富氧制硫熱反應(yīng)爐爐膛溫度會升高，我們加強(qiáng)對爐外壁進(jìn)行測溫，發(fā)現(xiàn)爐外壁溫度較之前略有上升，但在安全范圍內(nèi)。4.5數(shù)據(jù)分析富氧制硫投用后由于過程氣量降低，在處理相同酸氣量的情況下，制硫爐前壓力壓力得到降低。本裝置采用低濃度富氧工藝，改造后爐膛溫度有所上升，但完全在可控范圍內(nèi)。使用富氧制硫后，惰性氣體在過程氣中所占比例下降，過程氣量有所下降。一床溫升、二床溫升、尾氣加氫反應(yīng)器溫升、熱反應(yīng)爐外壁溫度有所提高，但均在可控范圍內(nèi)。使用富氧制硫后，在處理相同酸氣量的情況下，熱反應(yīng)爐爐膛溫度升高，加上氧氣濃度增加，使化學(xué)平衡向正方向移動，克勞斯系統(tǒng)硫化氫轉(zhuǎn)化率會有所提高，尾氣部分負(fù)荷會有所降低。同時熱反應(yīng)爐爐內(nèi)H2S高溫裂解量有所增加，尾氣加氫部分需氫量下降。富氧制硫使用后過程氣量降低、裝置硫回收率得到增加。溶劑循環(huán)量、急冷塔水量降低，裝置能耗能得到降低。硫磺質(zhì)量繼續(xù)保持在優(yōu)級品等級。4.6裝置提量富氧制硫工藝運(yùn)行平穩(wěn)后，裝置開始提高處理量，在制硫爐前壓力至53kPa時，酸氣處理能力可以提高至470m3/h，較之前390m3/h增加20%。各運(yùn)行參數(shù)見下表：表2裝置提量后系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)表項目數(shù)據(jù)備注氧含量%（V）28%處理硫化氫m3/h470-酸氣中硫化氫濃度%89反應(yīng)爐溫度℃1230工藝卡片≤1300熱反應(yīng)爐外壁最高溫度℃210制硫爐前壓力kPa53工藝卡片≤55一反應(yīng)溫升℃80床層溫度320,工藝卡片≤350二反應(yīng)溫升℃10床層溫度240,工藝卡片≤350加氫反應(yīng)器溫升℃50床層溫度310,工藝卡片≤350急冷塔過程氣流量m3/h1100加氫反應(yīng)器氫氣m3/h30尾氣吸收塔溶劑循環(huán)量t/h10貧溶劑溫度℃38急冷塔急冷水用量t/h4.5硫磺質(zhì)量優(yōu)級品煙氣中SO2含量mg/m390工藝卡片≤850 從上表可以看出裝置處理能力提高了20%，爐膛溫度有所上升，仍在可控范圍內(nèi)。一床溫升、二床溫升、尾氣加氫反應(yīng)器溫升、熱反應(yīng)爐外壁溫度有所提高，仍在可控范圍內(nèi)。尾氣加氫部分耗氫量比使用富氧之前酸氣處理量390m3/h時用量還少。在溶劑循環(huán)量、貧溶劑溫度、急冷塔水量使用量和使用富氧之前酸氣處理量390m3/h時用量相當(dāng)?shù)那闆r下，焚燒爐煙氣二氧化硫含量仍能保持較好水平。硫磺質(zhì)量繼續(xù)保持在優(yōu)級品等級。本次改造在不停工的情況下完成了裝置的提量工作，同時裝置的工藝指標(biāo)、環(huán)保指標(biāo)、產(chǎn)品質(zhì)量、設(shè)備性能、能耗等均保持較好狀態(tài)，富氧制硫技術(shù)運(yùn)用取得初步成功，預(yù)期效果達(dá)到。5產(chǎn)生效益 使用富氧制硫技術(shù)，脫硫裝置處理能力提高，上游加工能力也得到提高，對工廠產(chǎn)生了較高的經(jīng)濟(jì)效益。使用富氧制硫期間，工廠多產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)高效益工3084.4128萬元，用氧增加生產(chǎn)成本27.9473萬元，項目投資總計13.283萬元。創(chuàng)效益：3084.4128-27.9473-13.283=3043.1825萬元另硫回收率得到增加，相當(dāng)于處理同樣酸氣下，二氧化硫排放量得到了一定程度減少。使用富氧制硫前硫回收單元硫回收率為99.8%，使用后為99.95%。本裝置實際硫磺產(chǎn)量為4000t/年，使用富氧制硫每年減少SO2量12t，為環(huán)境保護(hù)做出貢獻(xiàn)。6結(jié)論6.1富氧制硫工藝技術(shù)投用后，酸性氣處理量增幅達(dá)20%以上，提了高裝置處理能力。各項運(yùn)行參數(shù)保持較好，釋放出上游裝置處理量，富氧制硫工藝效果得到體現(xiàn)6.2富氧制硫工藝技術(shù)投用后，惰性氣體在過程氣中所占比例下降，使得熱量出現(xiàn)積聚。熱反應(yīng)爐溫度、一床溫升、二床溫升、尾氣加氫反應(yīng)器溫升、熱反應(yīng)爐外壁溫度有所提高，只要控制好富氧含量，可實現(xiàn)以上溫度的平穩(wěn)控制6.3富氧制硫使用后過程氣量得到降低，溶劑循環(huán)量、急冷塔水量、裝置用氫量等降低，裝置能耗降低。經(jīng)過跟蹤，硫磺質(zhì)量繼續(xù)保持在優(yōu)級品等級。同時硫磺單元硫回收率得到了提高，產(chǎn)生了社會效益6.4本次富氧制硫工藝改造是在不停工情況下完成的，投資小，見效快，操作維護(hù)成本低，裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)和經(jīng)驗為硫磺裝置改造提供了借鑒。表明在硫回收裝