克勞斯法硫回收裝置液硫系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)！
摘要：克勞斯(Claus)法制硫是從酸性氣中回收單質(zhì)硫的重要技術(shù)之一,。在克勞斯硫回收裝置的液硫回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,，常規(guī)做法是設(shè)置四級(jí)硫封罐，從四級(jí)硫封罐出來(lái)的液硫匯集成到一根總管后進(jìn)入硫池中,，存在液硫管線(xiàn)布置復(fù)雜,、占地面積大等缺點(diǎn)。優(yōu)化設(shè)計(jì)方案提出,通過(guò)改變冷凝器出來(lái)的液硫流向,，在液硫線(xiàn)上增設(shè)U型彎,，克服硫冷凝器、反應(yīng)器之間的壓力降,，在過(guò)程氣間形成有效液封,，起到原設(shè)計(jì)中硫封罐的作用，相比常規(guī)做法可減少3個(gè)硫封罐的設(shè)置,。同時(shí)對(duì)液硫總線(xiàn)進(jìn)硫池的方式,、硫池內(nèi)蒸汽伴熱盤(pán)管等內(nèi)構(gòu)件的材質(zhì)選擇等方面存在的問(wèn)題提出了相應(yīng)優(yōu)化措施。
1,、概述
隨著含硫原油和含硫天然氣的開(kāi)發(fā)利用,，用克勞斯(Claus)法從酸性氣中回收單質(zhì)硫元素的工藝已成為加工含硫天然氣或煉廠(chǎng)氣的一種重要形式。Claus法回收單質(zhì)硫元素主要分兩個(gè)階段[1],，一個(gè)是高溫?zé)岱磻?yīng)階段,，主要在酸性氣燃燒爐內(nèi)完成，控制爐膛溫度一般不低于980 ℃[2],，爐內(nèi)H2S的轉(zhuǎn)化率為65%～70%,；另一個(gè)是催化反應(yīng)階段，控制酸性氣燃燒爐出口過(guò)程氣中H2S和SO2的摩爾比為2∶1,，在反應(yīng)器內(nèi)Claus催化劑參與下,，H2S和SO2完成氧化還原反應(yīng)，生成單質(zhì)硫,，該階段單質(zhì)硫元素收率約25%～30%,。一般認(rèn)為,，在合適的操作條件下，Claus制硫部分總硫轉(zhuǎn)化率約95%[3],。為提高催化反應(yīng)階段單質(zhì)硫元素的轉(zhuǎn)化率,，利用硫冷凝器冷卻去除過(guò)程氣中的單質(zhì)硫蒸汽，降低生成物分壓,，促進(jìn)H2S和SO2的反應(yīng)向正方向進(jìn)行,。硫蒸汽冷凝成液硫后，由液硫回收系統(tǒng)統(tǒng)一回收到硫池,，進(jìn)一步脫氣,、成型處理。圖1為Claus工藝原則流程,。
液硫回收系統(tǒng)由硫封罐,、液硫管線(xiàn)、地下硫池組成,。若硫封罐或硫池設(shè)置不合理,，容易出現(xiàn)液硫管線(xiàn)布置不集中、占地面積大,、液硫凝固堵塞,，甚至?xí)霈F(xiàn)液硫池中液硫倒竄、硫池著火等安全事故,，影響裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行,。
2、硫封罐優(yōu)化設(shè)計(jì)
2.1硫封罐的原理及作用
Claus制硫工藝中生成的液硫,，在酸性氣燃燒爐廢熱鍋爐或硫磺冷凝器中完成氣液分離,，液硫自流進(jìn)入硫封罐中。硫封罐設(shè)置有一定高度,，靠液硫自重產(chǎn)生的靜壓形成液封,，避免過(guò)程氣隨液硫經(jīng)硫池竄入大氣中，實(shí)現(xiàn)過(guò)程氣和液硫的氣液分離以及反應(yīng)系統(tǒng)和液硫儲(chǔ)存系統(tǒng)的隔離[4],。典型硫封罐結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2,。
硫封罐整體采用0.4 MPa蒸汽夾套伴熱，防止液硫凝固,，蒸汽冷凝液自硫封罐底部排出,。液硫進(jìn)入硫封罐后經(jīng)內(nèi)管靠重力自流至硫封罐底部，再?gòu)耐夤芤缌鬟M(jìn)入硫池,，內(nèi)管液位和溢流口之間的高度差H就是實(shí)際的硫封有效高度,，H形成的液柱靜壓P即是裝置所允許的最高系統(tǒng)壓力，系統(tǒng)壓力大于P時(shí)，硫封被突破,，過(guò)程氣串入液硫池引發(fā)安全事故,。部分裝置硫封液柱靜壓值P通常設(shè)為1.25～1.30[5]倍風(fēng)機(jī)出口最高壓力，即使風(fēng)機(jī)故障導(dǎo)致Claus制硫裝置系統(tǒng)壓力達(dá)到設(shè)計(jì)最高值,，也不會(huì)出現(xiàn)過(guò)程氣突破硫封罐有效液封現(xiàn)象,。
2.2硫封罐設(shè)置優(yōu)化
2.2.1 硫封罐常規(guī)布置
常規(guī)二級(jí)Claus制硫工藝中,，一般在酸性氣燃燒爐廢熱鍋爐,，一、二,、三級(jí)硫冷凝器后各設(shè)一個(gè)硫封罐,，液硫捕集器與三級(jí)硫冷凝器共用一個(gè)硫鞋罐(圖1)。部分裝置在冷凝器后分設(shè)4個(gè)水泥井,，四級(jí)硫封罐各自安裝在井內(nèi),，水泥井口與硫封罐用法蘭連接固定；部分裝置專(zhuān)設(shè)一個(gè)硫封坑,，把4個(gè)硫封罐集中布置在硫封坑內(nèi),，硫封坑用鋼板覆蓋(圖3)；還有的裝置把硫冷凝器布置在二層平臺(tái),，一,、二、三冷凝器后的3個(gè)硫封罐懸空安裝,。這3種布置方案,，采用硫封坑集中布置時(shí)，在硫封坑內(nèi)形成一密閉空間,，很容易導(dǎo)致H2S在坑底部沉積,，存在較大安全隱患，也存在占地面積大,，液硫管線(xiàn)及相應(yīng)的蒸汽伴熱管線(xiàn)不好布管,，不建議使用此種方案。其他兩種布置方案,，均存在液硫管線(xiàn)及蒸汽伴熱管線(xiàn)不好布置,，硫封罐檢修作業(yè)不方便等問(wèn)題。
2.2.2 硫封罐優(yōu)化設(shè)計(jì)
如前所述,，液硫罐最大有效硫封高度H形成的液柱靜壓 P=ρgH是反應(yīng)系統(tǒng)所允許的最大工作壓力,，此種流程液硫走向：冷凝器→硫封罐→硫池，冷凝器端是最大工作壓力,，硫池端是常壓,，4個(gè)硫封罐液封高度相同。
硫封罐布置中，可以把前三級(jí)硫封罐取消,，液體流向：酸性氣燃燒爐廢熱鍋爐出口→一級(jí)冷凝器出口→二級(jí)冷凝器出口→三級(jí)冷凝器出口→總硫封罐→硫池(圖4),。由于硫冷凝器、反應(yīng)器之間存在壓力降,，在酸性氣燃燒爐廢熱鍋爐,、一、二級(jí)硫冷凝器出來(lái)的液硫管線(xiàn)上,，各設(shè)一個(gè)U型彎,，U型彎高度H1產(chǎn)生的靜壓值只需克服相鄰設(shè)備間的最大壓力降，即可滿(mǎn)足各級(jí)硫冷凝器之間的過(guò)程氣不互串的要求(圖4中紅線(xiàn)所示),，前3級(jí)硫冷凝器產(chǎn)生的液硫匯集到一起進(jìn)入總硫封罐,，液硫由總硫封罐流入到硫池中。
設(shè)置總硫封罐的有效液封高度H不變,，避免系統(tǒng)壓力升高時(shí)過(guò)程氣突破硫封,，起到氣液隔離效果。如:液硫自一級(jí)冷凝器出來(lái)至二級(jí)冷凝器出口之間,，設(shè)有一級(jí)反應(yīng)器加熱器,、一級(jí)反應(yīng)器和二級(jí)硫冷凝器，每臺(tái)設(shè)備的壓力降按5 kPa計(jì),，則總壓力降為15 kPa,，液硫密度取1 780 kg/m3，由P=ρgH1可計(jì)算出U型彎的理論高度H1=0.86 m,，考慮到異常工況可能導(dǎo)致設(shè)備壓力降升高,，把總壓力降放大1.5倍，則U型彎高度可取1.3 m,。為避免U型彎底部由于固體雜質(zhì)積存出現(xiàn)液硫管線(xiàn)堵塞[6],，可增設(shè)排污閥門(mén)。
3,、硫池的優(yōu)化設(shè)計(jì)
液硫池為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),，內(nèi)襯為特種耐酸磚。硫池內(nèi)部用墻隔離,，分為脫氣池和成品池兩部分,。硫冷凝器過(guò)來(lái)的液硫中含H2S(質(zhì)量分?jǐn)?shù)300～400 μg/g)，采用合適的脫氣措施,，使液硫中H2S在脫氣池脫除,，脫氣后液硫由泵導(dǎo)入到成品池，實(shí)現(xiàn)下一步的成型或液體裝車(chē)出廠(chǎng),。
3.1液硫進(jìn)硫池方式存在的問(wèn)題及改進(jìn)
存在的問(wèn)題：從硫封罐過(guò)來(lái)的總液硫管線(xiàn)進(jìn)硫池的配管設(shè)計(jì)中,，部分裝置把總液硫管線(xiàn)置于地溝內(nèi)，從硫池側(cè)面進(jìn)入，如圖5中a線(xiàn)所示,。由于液硫管線(xiàn)采用蒸汽夾套伴熱,，管線(xiàn)存在溫度變化，熱脹冷縮導(dǎo)致進(jìn)入硫池時(shí)的管線(xiàn)與硫池壁接觸面密封不嚴(yán),，存在間隙,，一旦硫池內(nèi)液硫液位高過(guò)進(jìn)口位置，會(huì)出現(xiàn)液硫倒竄進(jìn)入地溝,，形成安全隱患,。如某煉油企業(yè)40 kt/a硫回收裝置，四級(jí)硫封罐集中布置在硫封坑內(nèi),，總液硫管線(xiàn)通過(guò)地溝從硫池側(cè)面進(jìn)池,，出現(xiàn)液硫從地溝回竄到硫池坑的情況,，從硫封坑內(nèi)一次清理出廢硫磺約10 t,，后來(lái)只能用細(xì)沙把地溝填實(shí)，但不能從根本上避免液硫從硫池倒竄,。
優(yōu)化措施：適當(dāng)提高硫封罐液硫出口高度,，在滿(mǎn)足液硫管線(xiàn)自流傾角要求前提下，液硫管線(xiàn)從硫池的頂部進(jìn)入,，如圖5中b紅線(xiàn)所示,，避免液硫總線(xiàn)走地溝從硫池的側(cè)面進(jìn)池。
3.2液硫伴熱盤(pán)管材質(zhì)選用
存在的問(wèn)題：液硫池內(nèi)部設(shè)有蒸汽伴熱盤(pán)管,，主要用于液硫的加熱保溫,，使液硫溫度保持在138～148 ℃。蒸汽伴熱盤(pán)管材質(zhì)多采用20號(hào)鋼,，但這種材質(zhì)極易與硫反應(yīng)生成FeS,。目前多數(shù)裝置液硫脫氣采用非凈化風(fēng)鼓泡脫氣方式，使硫池的氣相空間中保持有一定濃度的氧氣,，即使采用其他液硫脫氣方式,，由于液硫池密封不嚴(yán)，液硫脫氣產(chǎn)生的含硫廢氣通過(guò)蒸汽噴射器抽至尾氣焚燒爐或酸性氣爐處理,，使液硫池處于微負(fù)壓狀態(tài),，仍會(huì)導(dǎo)致空氣進(jìn)入硫池內(nèi)，這樣極易出現(xiàn)FeS自燃,，發(fā)生硫池著火事故,。
優(yōu)化措施：硫池蒸汽伴熱盤(pán)管的進(jìn)汽、出水管線(xiàn),、液硫泵泵體,、液位計(jì)、熱電偶套管、支撐角鋼等所有暴露在硫池氣相空間的管件,，全部采用更耐硫腐蝕的不銹鋼材質(zhì),，如316L等，盡可能減少FeS生成,；為節(jié)省投資費(fèi)用,，平鋪在硫池底部的蒸汽盤(pán)管由于長(zhǎng)期淹沒(méi)在液硫以下，與氣相中的氧氣隔離,，極少出現(xiàn)FeS自燃,，此部分蒸汽盤(pán)管可采用20號(hào)鋼材質(zhì);但在裝置檢修，硫池中的液硫需排空作業(yè)時(shí),，需要加強(qiáng)蒸汽盤(pán)管FeS自燃監(jiān)控,；在正常生產(chǎn)時(shí)應(yīng)注意避免硫池液位過(guò)低，防止底部蒸汽盤(pán)管暴露到含氧氣相空間,。
4,、結(jié)論
(1)Claus制硫工藝中的液硫回收系統(tǒng)有四級(jí)并聯(lián)式硫封罐，優(yōu)化設(shè)計(jì)后,，改液硫并聯(lián)為串聯(lián),，并在液硫線(xiàn)上增加U型彎，克服設(shè)備間的壓力降,，避免過(guò)程氣互串,。用U型彎代替原設(shè)計(jì)的硫封罐，可減少3個(gè)硫封罐的設(shè)置,，節(jié)省設(shè)備費(fèi),、施工費(fèi)等各種費(fèi)用約40余萬(wàn)元。由于靜設(shè)備減少,，液硫管線(xiàn)更易配置,，減少了占地面積，也節(jié)約了3個(gè)硫封罐的伴熱蒸汽消耗,。
(2)液硫管線(xiàn)進(jìn)硫池應(yīng)首選從上部進(jìn)入,，避免由于液硫管線(xiàn)從硫池的側(cè)面進(jìn)入時(shí)液硫管線(xiàn)與硫池壁密封不嚴(yán)，當(dāng)硫池液位高時(shí),，液硫從密封點(diǎn)的環(huán)隙向外泄漏的風(fēng)險(xiǎn),。
(3)硫池內(nèi)構(gòu)件采用20號(hào)鋼材質(zhì)時(shí)，有生成FeS的可能性,，與氧氣反應(yīng)會(huì)出現(xiàn)硫池著火事故,。暴露在氣相空間的管件宜采用如316L等不銹鋼材質(zhì)，減少FeS生成,；平鋪在硫池底部的盤(pán)管,，液硫與氣相空間隔離,，不與氣相中的氧氣接觸，發(fā)生FeS自燃的幾率較低,，可以采用20號(hào)鋼材質(zhì),，但在裝置停工檢修硫池抽空時(shí)，需加強(qiáng)FeS自燃監(jiān)控,。
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