天然氣凈化廠LO-CAT 裝置參數(shù)優(yōu)化及調(diào)整

何黨聯(lián)，崔 虎 ，白文華，迪華寧

（1.西安石油大學(xué)，陜西西安 710065；2.中國石油長慶油田分公司第一采氣廠，寧夏銀川 750006）

天然氣凈化廠LO-CAT 裝置是美國MERICHEM公司的氣體產(chǎn)品技術(shù)公司（GTP）開發(fā)的一種專利技術(shù)，LO-CAT 硫化氫氧化是一套液態(tài)氧化工藝，在鐵離子催化劑的協(xié)助下，將硫化氫轉(zhuǎn)化為硫元素，從而達(dá)到除去氣體中硫化氫的目的。

CNPC 的LO-CAT 裝置是一套自循環(huán)系統(tǒng)，設(shè)計處理CNPC 胺裝置的酸性氣。在到達(dá)LO-CAT 裝置前，將酸性氣壓縮至大約69 kPa。LO-CAT 裝置的最大設(shè)計流量為3 400 m3/h，硫化氫含量為2.24 vol%，硫磺產(chǎn)量為2.61 MTPD。CNPC 的LO-CAT 裝置的設(shè)計操作下限為1 630 m3/h 酸性氣，含0.84 %硫化氫（470 kg）。CNPC 的LO-CAT 裝置的排放氣包含≤10 g/m3的硫化氫。

1 工藝流程

1.1 常規(guī)LO-CAT 工藝

常規(guī)LO-CAT 流程簡圖（見圖1）。吸收和氧化（再生）分別在兩個容器內(nèi)完成。在吸收塔中，酸氣中的H2S 被氧化為單質(zhì)硫，氧化劑Fe3+被還原為Fe2+；在氧化塔中，來自鼓風(fēng)機(jī)的空氣與溶液接觸再生，F(xiàn)e2+被氧化為Fe3+，氧化再生后的溶液進(jìn)入緩沖罐中，用循環(huán)泵打入吸收塔中完成溶液循環(huán)。含硫溶液經(jīng)過濾器得到硫餅。由于各種化學(xué)藥劑被硫濾餅不斷少量帶走，加之化學(xué)藥劑自身降解，為保持其在系統(tǒng)中濃度和pH 值，流程中設(shè)置數(shù)臺加藥泵。

圖1 LO-CAT 工藝的常規(guī)工藝流程

常規(guī)LO-CAT 工藝可用于壓力下直接處理含硫天然氣，但由于溶液中Fe3+/Fe2+濃度為（500～1 500）×10-6，硫濃度遠(yuǎn)低于胺法，故循環(huán)量大，電耗高，當(dāng)處理含硫氣的壓力超過3 MPa 時是不經(jīng)濟(jì)的。

1.2 自循環(huán)LO-CAT 工藝

與常規(guī)LO-CAT 工藝相比，吸收和氧化（再生）在一個容器內(nèi)完成，反應(yīng)器分5 個大腔室，酸氣和空氣不相混溶，分兩路進(jìn)入反應(yīng)器。酸氣進(jìn)入主反應(yīng)器的3 個吸收室底部，空氣由鼓風(fēng)機(jī)通入主反應(yīng)器的2 個氧化室底部。由于吸收室與氧化室溶解氣體量不同造成了不同的溶液密度，溶液靠密度差在反應(yīng)器內(nèi)部的擋板和堰板間自行循環(huán)運動，正因為如此，該系統(tǒng)稱為自循環(huán)LO-CAT 系統(tǒng)。

由于溶液在吸收/氧化器內(nèi)能夠自循環(huán)，省去了高能耗的循環(huán)泵，使電耗大大降低。同時，可進(jìn)一步稀釋溶液，F(xiàn)e3+/Fe2+濃度可降為500×10-6，以滿足反應(yīng)動力學(xué)的需求，降低化學(xué)品消耗。

自循環(huán)工藝系在常壓下操作，凈化氣體與再生余氣混合后排至大氣，特別適用于低壓含硫氣的處理，常用來與醇胺法凈化裝置組合，代替Claus 硫回收和尾氣處理裝置。第三凈化廠引進(jìn)的酸氣處理工藝即為自循環(huán)LO-CAT 工藝，用于酸氣處理。

1.3 LO-CAT 工藝的溶劑組成

上述兩種流程的工業(yè)生產(chǎn)裝置，均需向系統(tǒng)添加6 種化學(xué)品，才能使生產(chǎn)長周期平穩(wěn)運行。幾種化學(xué)品其作用分述如下：

（1）鐵催化劑溶液（ARI-340）：黑紅色液體，作用是把H2S 氧化為單質(zhì)硫。溶液中濃度需控制在500×10-6左右，需連續(xù)添加。

市政府于2010年年底出臺《關(guān)于加快推進(jìn)郊區(qū)集約化供水的實施意見》，將郊區(qū)集約化供水列入市政府實事項目和重大工程重點推進(jìn)。截至2013年11月底，上海市陸域部分的集約化供水工作已完成，共關(guān)閉郊區(qū)中小型水廠150座,取消內(nèi)河取水口94個，注銷深井取水許可證161個，達(dá)到了集中保護(hù)水源、優(yōu)化水廠布局、壓縮地下水開采量、提高供水水質(zhì)和管理服務(wù)水平、改善郊區(qū)發(fā)展環(huán)境等預(yù)期效應(yīng)，受到廣大郊區(qū)市民的歡迎。

（2）螯合劑（ARI-350）：亮黃色液體，作用是使鐵離子在溶液中穩(wěn)定存在，提高鐵離子在溶液中的溶解度，系統(tǒng)需根據(jù)鐵離子濃度連續(xù)添加。

（3）細(xì)菌抑制劑（ARI-400）：淺棕色液體，由于LO-CAT 工藝是在常溫常壓下操作，隨空氣或水帶入的細(xì)菌在溶液中會滋生繁殖，甚至影響到溶液的物理化學(xué)性質(zhì)，因此可間斷、少量向系統(tǒng)加入以抑制菌類生長。

（4）表面活性劑（ARI-600）：亮色液體，由于硫顆粒表面有時附著有氣泡和碳?xì)浠衔铮瑸榱舜龠M(jìn)硫的沉降，需要加入表面活性劑，作用是降低表面張力，全面潤濕硫磺顆粒，使硫磺顆粒易于聚集和沉降，需連續(xù)添加。

（5）45 %KOH 溶液：作用是維持溶液的pH 值保持在8～9，以利于反應(yīng)的順利進(jìn)行，需連續(xù)添加。

（6）消泡劑（NalcoEC-9076A）：系統(tǒng)工藝來氣含有有害雜志或ARI-600 添加過多以及溶液降解等均可能導(dǎo)致溶液發(fā)泡，此時需添加消泡劑。

2 LO-CAT 裝置運行評價

2.1 裝置的主要操作參數(shù)及試運行效果分析

2.1.1 裝置工藝參數(shù)方面 第三凈化廠2012 年8～12月LO-CAT 硫回收裝置運行平穩(wěn)，其相關(guān)工藝參數(shù)（見表1）。

由表1 可以看出在試運行期間主要工藝參數(shù)運行均在設(shè)計值范圍內(nèi)，溶液循環(huán)量高于設(shè)計值，主要原因8～9 月設(shè)備試運行，溶液循環(huán)泵進(jìn)出口閥門全開，溶液循環(huán)量在177 m3/h 左右，10～12 月溶液循環(huán)量以接近設(shè)計值調(diào)整，因此實際運行平均值高于設(shè)計值。

2.1.2 尾氣H2S 含量分析

圖2 尾氣H2S 含量分析

表1 LO-CAT 硫回收裝置2012 年8～12 月主要工藝參數(shù)統(tǒng)計表（平均值）

2.1.3 硫漿液含量及固體硫磺濃度分析 本裝置要求硫磺餅含量大于65 %，硫漿液含量大于5 wt%時啟運真空帶式過濾機(jī)組生產(chǎn)硫磺，現(xiàn)場通過調(diào)節(jié)進(jìn)料閥開度及帶濾機(jī)轉(zhuǎn)速控制硫磺餅含水量在20 %以內(nèi)，滿足工藝設(shè)計要求。

圖3 硫漿液含量及固體硫磺濃度分析

2.2 結(jié)論

LO-CAT 硫回收工藝在第三凈化廠硫磺回收裝置試運行過程中效果較好，尾氣H2S 含量設(shè)計小于10 g/m3，實際效果為小于5 g/m3，完全滿足國家環(huán)保要求，低污染排放；酸氣中硫轉(zhuǎn)化率達(dá)99.99 %，產(chǎn)品硫磺設(shè)計含水量為35 %，實際小于20 %，硫磺產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到GB2449-92《工業(yè)硫磺及其試驗方法》中規(guī)定的優(yōu)等品的標(biāo)準(zhǔn)；各項化驗參數(shù)均達(dá)到設(shè)計要求；且該工藝流程簡單，員工操作方便，裝置運行平穩(wěn)。

3 LO-CAT 裝置運行存在的問題及參數(shù)優(yōu)化及調(diào)整

第三凈化廠LO-CAT 裝置自2012 年8 月正式投運后，截止2013 年底，在裝置的運行期間，出現(xiàn)了產(chǎn)品硫磺含水率高、產(chǎn)品硫磺顏色發(fā)黑、反應(yīng)器錐體及硫漿泵易堵塞、硫漿液中硫磺懸浮，不易沉降等異常現(xiàn)象。

根據(jù)硫磺回收裝置存在的問題，結(jié)合目前裝置運行的參數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)產(chǎn)品硫磺含水率高等異常現(xiàn)象的原因是由于加藥參數(shù)未及時調(diào)整導(dǎo)致的。裝置在初步運行時，加藥參數(shù)按照LO-CAT 裝置設(shè)計加藥量進(jìn)行添加，通過一段時間的加藥發(fā)現(xiàn)裝置運行時，硫漿液易發(fā)泡，尾氣水封罐內(nèi)高報頻繁報警，硫磺成粉末狀。根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，未進(jìn)入冬季之前，第三凈化廠酸氣量為1 800 m3/h～2 000 m3/h，硫化氫含量為15 000 mg/m3～20 000 mg/m3，而加藥量按照設(shè)計值加藥時，部分藥品添加量大導(dǎo)致了裝置運行不穩(wěn)定，如溶液pH 較高或表面活性劑（ARI-600）添加過量會導(dǎo)致吸收/氧化反應(yīng)器內(nèi)溶液發(fā)泡。

表2 第三凈化廠硫磺回收裝置藥品添加速率對照表

結(jié)合目前裝置存在的問題，根據(jù)MERICHEM 公司給予的操作手冊，第三凈化廠制定出結(jié)合本廠實際的藥品添加量（見表2）。

根據(jù)表2 可以看出，硫磺回收裝置在不同的酸氣量和不同的酸氣中H2S 含量的情況下，藥品的添加速率也就不同，根據(jù)表2，可以初步得出藥品添加速率。但是，由于裝置酸氣中的H2S 含量是在不斷變化的（見表3）。

表3 硫磺回收酸氣相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表

由于酸氣中的H2S 含量不斷發(fā)生變化，初步的加藥只能滿足基本的條件，而具體的調(diào)整要根據(jù)裝置現(xiàn)場運行時的情況進(jìn)行調(diào)整。

3.1 尾氣H2S 超標(biāo)

若酸氣量及H2S 含量在設(shè)計范圍內(nèi)，尾氣H2S 含量超過設(shè)計值（大于10 g/m3），應(yīng)將KOH、ARI-340（鐵離子催化劑）、ARI-350（螯合劑）的添加量按照目前的添加量上浮10 %，保證反應(yīng)器內(nèi)催化劑充足、氧化還原反應(yīng)完全，溶液不會發(fā)泡。

3.2 產(chǎn)品硫磺含水量高

產(chǎn)品硫磺含水量高主要原因在于真空帶式過濾機(jī)是否正常運轉(zhuǎn)，次要原因在于藥品添加，應(yīng)將ARI-350（螯合劑）的添加量按照目前的添加量下降20 %，將ARI-600（表面活性劑）的添加量按照目前添加量上浮10 %，即保證產(chǎn)品硫磺含水量達(dá)到設(shè)計值，還要確認(rèn)溶液不會發(fā)泡。

3.3 硫磺漂浮于吸收/氧化室反應(yīng)液上

硫磺漂浮于吸收/氧化室反應(yīng)液上會導(dǎo)致吸收/氧化室內(nèi)硫磺沉積，從而使得吸收/氧化室椎體堵塞，硫磺回收裝置無法運行。要判斷吸收/氧化室內(nèi)的硫磺是否懸浮，需要從吸收/氧化室人孔旁取樣進(jìn)行分析，觀察硫漿液形態(tài)，若硫磺懸浮、沉降困難，應(yīng)將將ARI-600（表面活性劑）的添加量按照目前添加量上浮30 %，保證反應(yīng)器中生成的硫磺及時沉降。

3.4 產(chǎn)品硫磺顏色不正常

正常產(chǎn)品硫磺顏色是亮黃色，氧化還原電勢過低會生出過量的硫化亞鐵，原因是由于空氣量不足，導(dǎo)致溶液氧化效果不好，其次是由于藥品添加不足。若產(chǎn)品硫磺顏色發(fā)黑，則需要增加反映鼓風(fēng)機(jī)的流量，其次將ARI-340（鐵離子催化劑）、ARI-350（螯合劑）的添加量按照目前的添加量上浮50 %，待顏色正常后，將加藥量恢復(fù)到正常。

4 結(jié)論

LO-CAT 裝置具有操作彈性好、脫硫效率高、自動化程度高、催化劑安全性高，最主要的是處理后尾氣含硫量低，能滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保要求，適用于靖邊氣田凈化廠酸氣處理的需求。針對LO-CAT 裝置存在的問題，現(xiàn)場經(jīng)過對裝置參數(shù)的優(yōu)化及調(diào)整，不僅使得裝置正常運行，而且在降低成本方面做出了貢獻(xiàn)。

［1］ 美國Merichem 公司LO-CAT 硫磺回收裝置開車操作手冊.

［2］ 全明，陳昕.LO-CAT 硫回收工藝及其評價［J］.石油化工環(huán)境保護(hù)，2000，（1）：29-33.