高含硫凈化裝置克勞斯爐點火系統(tǒng)常見故障及處理方法

摘 要：本文針對高含硫氣田凈化裝置中克勞斯反應工藝特點，系統(tǒng)分析了克勞斯爐點火系統(tǒng)常見故障，并提出來故障解決方案。

關鍵詞：硫化氫； 克勞斯爐； 點火系統(tǒng)

1 前言

某凈化廠采用克勞斯兩級轉化法回收硫磺、斯科特法處理尾氣，進入脫硫單元脫除硫化氫、有機硫和二氧化碳等酸性氣體，再經(jīng)脫水處理后外輸合格的商品氣；將脫硫單元的再生酸性氣送入硫磺回收單元進行回收，硫磺回收單元的過程氣經(jīng)尾氣單元處理后達標排放。

來自天然氣脫硫單元的酸性氣首先進入酸氣分液罐分液，以避免可能攜帶的液體進入反應爐燃燒器，風機同時為克勞斯反應爐燃燒器及加氫進料燃燒器提供燃燒所需的空氣，進入克勞斯反應爐燃燒器的空氣量應剛好可以滿足原料氣中的烴類的完全氧化，以及在尾氣中H2S/SO2比率為4：1所要求的H2S的燃燒。克勞斯反應溫度約為1070℃，主要反應為：

H2S + 3/2 O2 → SO2 + H2O

2 H2S + SO2 → 3/X Sx + 2 H2O

燃燒產生的高溫過程氣進入與反應爐直接相連的余熱鍋爐，在鍋爐中通過產生飽和蒸汽來回收余熱并將過程氣冷卻。冷卻后的過程氣進入第一級硫冷凝器，被進一步冷卻并凝出液硫，同時發(fā)生飽和蒸汽，冷凝出的液硫重力自流至一級硫封罐，然后流入液硫池。

自第一級硫冷凝器出來的過程氣進入第一級反應進料加熱器，由高壓蒸汽加熱后進入一級轉化器，在反應器內過程氣與催化劑接觸，繼續(xù)發(fā)生反應直至達到平衡，反應中生成的硫在過程氣進入第二級硫冷凝器后冷凝出來，流經(jīng)二級硫封罐進入液硫池。過程氣在第二級催化反應部分經(jīng)過的流程與第一級催化反應部分相同，在第二級反應進料加熱器中被加熱后進入二級轉化器，在通過第二級催化反應部分的末級硫冷凝器后，硫回收率為95%，尾氣進入尾氣處理單元。

點火系統(tǒng)由點火控制器、點火槍、點火電極、高壓點火線圈、推動氣缸、瓷絕緣子、保護套管等部分組成。裝置運行期間，多次發(fā)生裝置開工，點火系統(tǒng)故障問題，嚴重影響裝置開機。據(jù)有統(tǒng)計的10次停機復工事件，平均消耗時間3.2H。本文就開機過程中的常見故障進行分析，并提出解決方案。

2 故障描述及分析

（1）克勞斯爐點火系統(tǒng)內瓷絕緣子故障問題

裝置停工期間，拆解點火系統(tǒng)，點火系統(tǒng)內的點火電極共有瓷絕緣子10個，對瓷絕緣子進行絕緣測試，發(fā)現(xiàn)有兩枚阻值在0.1兆歐以下，瓷絕緣子出現(xiàn)破損、銹蝕、臟污等問題使瓷絕緣子絕緣電阻迅速降低，當點火系統(tǒng)進行打火時，點火能量從已損壞的絕緣子處泄放，導致點火失敗，影響裝置開工。

（2）克勞斯爐點火系統(tǒng)水汽凝結問題

裝置停工后，減溫蒸汽將作用于爐膛內，是克勞斯爐爐膛逐漸降溫，爐膛內水汽不斷增加，點火系統(tǒng)裝置長期處于相對潮濕的爐膛內將導致其內部出現(xiàn)凝結水，凝結水會造成點火系統(tǒng)電極短路，影響正常點火。

（3）點火系統(tǒng)內部積硫問題

停運后，長明燈熄滅，爐膛內的硫磺過程氣體匯集于點火槍內，高溫過程氣降溫后凝結成硫磺固體，點火槍內產生積硫現(xiàn)象，影響點火槍導電性，無法正常點火。

點火系統(tǒng)點火難的問題，均由短路、積硫、灰堵等問題造成，此類現(xiàn)象普遍存在于凈化裝置中。

3 解決方案制定及實施

通過對克勞斯爐點火系統(tǒng)檢維修情況進行分析，在點火系統(tǒng)點火槍部位增加氣相吹掃線的方式，使其成為一定壓力的密封氣，可有效防止水汽、單質硫等進入點火系統(tǒng)，避免點火槍腐蝕、短路、積硫、灰堵等問題的產生，以此降低點火系統(tǒng)故障率。

根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗及克勞斯爐內通入氣體組分情況分析，使用惰性氣體——氮氣作為點火系統(tǒng)密封氣，并對氮氣質量提出要求。

（1）氮氣氣源的要求

①氮氣的純度要求達到防爆要求（純度達到≥ 99%）；

②氮氣須經(jīng)除濕、除塵處理；要求氮氣無水分、無雜質粉塵。如含水量高可能造成點火槍內水汽凝結，使點火電極銹蝕或短路。

③氮氣露點達到 -20℃；氮氣雜質要求：氮氣需要經(jīng)過 1 微米過濾器精度；

④氮氣溫度：常溫（特殊情況需要加熱或冷卻）；

⑤氮氣中不含有油氣，如含有油氣將影響電器元件正常工作；

（2）氮氣壓力、流量的要求

①氮氣密封壓力應大于爐膛壓力（12KPa）；

②氮氣通入量不宜過大，影響克勞斯爐燃燒效率。

經(jīng)計算：

氮氣密封壓力：P=ρ*v2/2 P=0.10MPa ρ=1.25Kg/m3

因此0.1MPa=100000Pa=1.25 v2/2，經(jīng)計算，氮氣流速v=105.5 m/s

管道流量計算：

限流孔直徑（d）：3.2mm

L=A*v=πd2*v /4 =3.14*0.0032*0.0032*105.5*3600/4=3.05 m3/h

因此推導出L=3.05m3/h

氮氣密封通入量占燃燒空氣中氮氣的總量

燃燒空氣流量：3900 m3/h（正常生產期間的平均流量）

燃燒空氣中氮氣含量為總量的78%，因此燃燒空氣中氮氣總量為3900*0.78=3042 m3/h

通入氮氣占比：R=R1/R2=3.05/3042=0.10%

氮氣密封通入量占比為總燃燒空氣的0.10%，因此，增加氮氣密封不會影響正常工藝操作。氮氣壓力設定為100KPa，高于克勞斯爐爐膛壓力12KPa，可以起到保護作用。

克勞斯爐點火系統(tǒng)點火槍由一雙作用氣動閥驅動，內部無彈簧結構，由兩端氣缸控制閥門動作，控制燃燒器點火槍推入或退出爐膛，氣路控制元件由一兩位五通電磁閥控制。

兩位五通電磁閥失電時，先導閥關閉，1、2連通，氣缸進氣，氣動閥往近爐膛端動作（退槍動作）；兩位五通電磁閥帶電時，先導閥開啟，1、4連通，氣缸進氣，氣動閥往遠爐膛端端動作（點火槍推入動作）。現(xiàn)場雙作用氣動閥通過電磁閥帶電、失點，控制滑閥動作，切斷、導通不同氣路，氣缸內無彈簧，氣缸動作由兩端進氣分別實現(xiàn)。

根據(jù)現(xiàn)場工藝要求，點火槍在克勞斯爐點火成功及停工后，需要退出爐膛。增加氮氣密封系統(tǒng)，同時使氮氣密封系統(tǒng)可自動投用。，該方案無需引入電源控制，使用純氣路進行控制實施方案：

點火槍動作與克勞斯爐點火系統(tǒng)氮氣密封投用直接相關，當點火槍退出爐膛及克勞斯爐停工后，需投用氮氣密封系統(tǒng)。在點火槍推動氣缸控制點火槍退出爐膛的儀表風管路處加裝三通閥，由兩位五通電磁閥結構原理可知，當點火槍退槍時，兩位五通電磁閥1、2接口連通，該氣道內一直通氣，將該路氣源引做氣路放大器的控制氣源，氣路放大器安裝于氮氣管路處，即可通過控制氣源控制氣路放大器動作。所引入的控制氣源只在氣路放大器膜片上部作用，不消耗氣量，且此段儀表風管路較短，壓降可不考慮，不會影響加氫爐燃燒器點火槍氣缸正常動作。同時，在燃燒空氣管線處加裝三通閥，使氮氣通過燃燒空氣管線，引入點火槍保護套管內，作為密封氣。

最終，氮氣密封系統(tǒng)隨工藝需要，自動投入和退出，能夠起到對克勞斯爐點火系統(tǒng)的保護作用。

4 應用效果

改造后，檢查克勞斯爐點火系統(tǒng)使用情況。克勞斯爐燃燒器點火槍改造前套管、點火電極頭部焦黑，由積硫后，槍內燃燒造成，改造后點火電極及套管工況良好。

點火電極上的10個瓷絕緣子，外觀良好，絕緣測試后，絕緣電阻均在10兆歐左右，絕緣良好；點火電極無銹蝕現(xiàn)象點火槍內無凝結水凝結現(xiàn)象。

現(xiàn)場應用，點火成功率大幅提升，點火系統(tǒng)設備狀況良好，平均點火耗時降低至1H以下。

綜合判斷，改造效果良好，氮氣密封起到了積極有益的作用。

5 結論與認識

本課題通過對克勞斯爐點火系統(tǒng)增加氮氣密封，較好的解決了燃燒器點火槍銹蝕、臟堵、積水等問題，彌補了原有設計的不足，對于高含硫天然氣凈化生產工藝的穩(wěn)定做出了積極的改善，可以廣泛應用于凈化裝置現(xiàn)場克勞斯爐、加氫爐爐以及尾爐等燃燒反應設備。

參考文獻：

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[2]劉芳， 邢亞琴， 李明軍. 硫磺回收裝置液硫脫氣工藝及其改進措施[J]. 硫磷設計與粉體工程， 2013， 5：5？7

作者簡介：

辛振，男，中石化中原油田天然氣處理廠助理工程師，主要從事化工儀表技術科研攻關、技術改造等方面工作。