硫磺回收裝置流程模擬及節(jié)能優(yōu)化研究

梁生榮，井曉燕，吳付洋，張學(xué)明，王振華，范 崢

（1.西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，陜西西安 710065；2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第一采氣廠，陜西榆林 718500）

近年來(lái)，隨著國(guó)家環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，各大企業(yè)都在竭力推行節(jié)能減排等相關(guān)政策以更好地適應(yīng)行業(yè)發(fā)展的新動(dòng)向。對(duì)于天然氣凈化廠來(lái)說(shuō)，全面開(kāi)展能量有效回收利用工作，從而達(dá)到節(jié)能降耗、提質(zhì)增效的目的是非常必要和迫切的[1-3]。由于硫磺回收裝置作為天然氣凈化廠中為數(shù)不多的產(chǎn)能裝置，具有較大的節(jié)能潛力，因此受到了人們?cè)絹?lái)越多的重視和關(guān)注[4]。

本文針對(duì)鄂爾多斯某天然氣凈化廠硫磺回收工藝流程進(jìn)行了節(jié)能優(yōu)化研究，借助原料組分分析以及運(yùn)行參數(shù)采集等手段，通過(guò)Aspen HYSYS 7.2對(duì)該裝置進(jìn)行了全流程模擬，得到了各個(gè)重要節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息并驗(yàn)證了該模型的準(zhǔn)確性，同時(shí)，基于所建模型進(jìn)一步提出了具體節(jié)能優(yōu)化方案并系統(tǒng)分析了它們的實(shí)際節(jié)能效果，最終篩選出適宜于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況的理想節(jié)能優(yōu)化方案，從而為日后硫磺回收裝置節(jié)能措施的實(shí)施提供了科學(xué)、可靠的數(shù)據(jù)來(lái)源及理論依據(jù)。

1 硫磺回收工藝簡(jiǎn)介

鄂爾多斯某天然氣凈化廠硫磺回收裝置采用直接選擇氧化脫硫工藝，該工藝采用二級(jí)反應(yīng)，第一級(jí)反應(yīng)器為等溫反應(yīng)器，第二級(jí)反應(yīng)器為絕熱反應(yīng)器。

酸氣進(jìn)入酸氣分離器將原料中可能含有的液體去除后，進(jìn)入酸氣增壓機(jī)增壓。酸氣經(jīng)過(guò)配入適量的空氣形成反應(yīng)原料氣進(jìn)入原料氣預(yù)熱器，由系統(tǒng)自產(chǎn)中壓蒸汽加熱，后進(jìn)入等溫反應(yīng)器。等溫反應(yīng)器中利用水的汽化移熱產(chǎn)生中壓蒸汽，中壓蒸汽通過(guò)中壓蒸汽空冷器冷凝后返回汽包。等溫反應(yīng)器出口過(guò)程氣經(jīng)中間氣換熱器降溫，再經(jīng)硫冷凝冷卻器Ⅰ管程冷卻后分離出液硫，氣相進(jìn)入一級(jí)硫分離器分離出夾帶的液硫霧滴后返回中間氣換熱器殼程，液硫進(jìn)入液硫池。

硫冷凝冷卻器Ι管程和II管程共用一個(gè)殼體，殼程通過(guò)水蒸發(fā)移熱產(chǎn)生低壓蒸汽。低壓蒸汽經(jīng)低壓蒸汽空冷器冷凝后返回硫冷凝冷卻器循環(huán)取熱。經(jīng)中間氣換熱器加熱的過(guò)程氣進(jìn)入絕熱反應(yīng)器進(jìn)行深度氧化。絕熱反應(yīng)器出口尾氣進(jìn)入硫冷凝冷卻器II管程冷卻，后進(jìn)入硫分離器分離出少量液硫霧滴，再經(jīng)尾氣冷卻器冷卻后分離出少部分凝析出的液硫，最后進(jìn)入尾氣凈化罐吸附尾氣中含有的少量不凝硫單質(zhì)，凈化后的尾氣送至二氧化碳回收裝置或至焚燒爐焚燒后排放，液硫進(jìn)入液硫池。

2 硫磺回收流程模擬

2.1 模擬流程的熱力學(xué)選擇

由于熱力學(xué)性質(zhì)直接影響著模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，故選擇合適的熱力學(xué)性質(zhì)計(jì)算方法成為決定流程模擬、分析、優(yōu)化以及設(shè)備設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵[5-7]。對(duì)于硫磺回收裝置來(lái)說(shuō)，它的原料為酸性氣，來(lái)自于天然氣凈化裝置脫硫工段胺液再生塔塔頂，其組成含量（見(jiàn)表1）。

表1 酸性氣組成含量一覽表

由表1可知，由于該酸性氣CO2含量較高、H2S含量較低且碳硫比高達(dá)12.48，屬于典型的非理想體系，故本文最終選擇PRSV狀態(tài)方程對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確描述。PRSV狀態(tài)方程是Peng-Robinson狀態(tài)方程的修正形式，可適用于中度非理想體系[8]，其方程為：

式中：p-壓力；V-摩爾體積；T-溫度；R-氣體常數(shù)；Tc-臨界溫度；pc-臨界壓力；Tr-對(duì)比溫度；ω-偏心因子；k1-純物質(zhì)參數(shù)。

2.2 模擬流程的搭建

利用Aspen HYSYS 7.2建立硫磺回收裝置模擬流程，采用Conversion Reactor模塊模擬等溫反應(yīng)器、絕熱反應(yīng)器，采用Separator模塊模擬酸氣分離器、硫分離器，采用Heat Exchanger模塊模擬中間氣換熱器、硫冷凝冷卻器，采用Air Cooler模塊模擬空冷器，而調(diào)節(jié)、平衡、循環(huán)、設(shè)置等邏輯操作則通過(guò)Recycle、Adjust和Set模塊完成[9-12]。

天然氣凈化廠硫磺回收裝置的模擬流程圖（見(jiàn)圖1）。

F-2501：酸氣分離器；P-2501：酸氣增壓機(jī)；E-2501：原料氣預(yù)熱器；R-2501：等溫反應(yīng)器；E-2503：中壓蒸汽空冷器；V-103：汽包；E-2502：中間氣換熱器；E-2504：硫冷凝冷卻器；F-2502：一級(jí)硫分離器；E-2505：低壓蒸汽空冷器；R-2502：絕熱反應(yīng)器；F-2503：硫分離器；E-2506：尾氣冷卻器；D-2503：尾氣凈化罐。

2.3 模擬流程的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述模擬流程的可靠性，在酸氣處理量為5 075 m3/h，進(jìn)氣溫度為40℃，進(jìn)氣壓力為35 kPa，H2S含量為7.01%（M/M）的現(xiàn)有氣質(zhì)條件下，利用Aspen HYSYS 7.2對(duì)硫磺回收裝置的實(shí)際工況進(jìn)行了詳細(xì)模擬，其關(guān)鍵設(shè)備模擬值與實(shí)際運(yùn)行值比較（見(jiàn)表2）。

由表2可知，根據(jù)硫磺回收裝置模擬流程所得到計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工況高度一致，這說(shuō)明，以PRSV狀態(tài)方程作為系統(tǒng)的熱力學(xué)性質(zhì)計(jì)算方法是準(zhǔn)確可靠的，其能較好地對(duì)硫磺回收這一中度非理想體系進(jìn)行準(zhǔn)確的描述，同時(shí)，該模擬流程能夠較好地反映出該天然氣凈化廠硫磺回收裝置的實(shí)際運(yùn)行情況，可以作為后續(xù)節(jié)能優(yōu)化的基礎(chǔ)模型。

該硫磺回收裝置的主要物流模擬結(jié)果（見(jiàn)表3）。

3 節(jié)能優(yōu)化措施

3.1 蒸汽熱量直接利用

由上述模擬結(jié)果可知，此硫磺回收裝置在現(xiàn)有工況條件下共產(chǎn)生了2.1 MPa中壓蒸汽0.637 t/h，中壓蒸汽一部分用于加熱原料氣，其余進(jìn)入中壓蒸汽空冷器冷凝后進(jìn)入汽包循環(huán)使用，同時(shí)，該裝置還產(chǎn)生了0.5 MPa低壓蒸汽0.915 t/h后，低壓蒸汽經(jīng)低壓蒸汽空冷器冷凝后，返回硫冷凝冷卻器循環(huán)取熱。

為了合理利用硫磺回收裝置自產(chǎn)的中、低壓蒸汽，建議停用在役的中壓蒸汽空冷器和低壓蒸汽空冷器，并將富余中、低壓蒸汽分別用于凈化廠內(nèi)的其他需熱裝置，換熱完成后再返回汽包循環(huán)利用。

圖1 天然氣凈化廠硫磺回收裝置模擬流程圖

表2 硫磺回收工段關(guān)鍵設(shè)備模擬值與實(shí)際運(yùn)行值比較

表3 硫磺回收工段主要物流模擬結(jié)果

表3 硫磺回收工段主要物流模擬結(jié)果（續(xù)表）

表4 TEG富液二級(jí)預(yù)熱器設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表

由于2.1 MPa中壓蒸汽的溫度約為215.0℃，而天然氣凈化裝置脫水工段TEG緩沖罐的出口溫度僅為127℃左右，故該中壓蒸汽可用于TEG富液的二級(jí)預(yù)熱，以期有效提高TEG重沸器富液進(jìn)口溫度，從而大幅降低TEG富液再生的燃料氣消耗。為了進(jìn)一步明確中壓蒸汽熱量的利用效果，本文利用HTRI Xchanger Suite 4.0對(duì)上述TEG富液二級(jí)預(yù)熱器進(jìn)行了設(shè)備選型，具體計(jì)算結(jié)果（見(jiàn)表4、圖2）。

圖2 TEG富液二級(jí)預(yù)熱器設(shè)計(jì)結(jié)果示意圖

由表4和圖2可知，當(dāng)利用硫磺回收裝置自產(chǎn)的中壓蒸汽對(duì)TEG富液進(jìn)行二級(jí)預(yù)熱時(shí)，TEG富液出口溫度可達(dá)176.5℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于優(yōu)化前的127.0℃，其熱負(fù)荷約為337.6 kW，總換熱面積約為56.88 m2，此時(shí)該換熱器的實(shí)際總傳熱系數(shù)為154.93 W/（m2·K），富余度為56.0%，完全能夠滿足系統(tǒng)換熱要求。

同時(shí)，對(duì)于甲醇回收裝置來(lái)說(shuō)，它的再生塔塔底溫度約為106.1℃，而0.5 MPa低壓蒸汽的溫度高達(dá)151.9℃，其有效平均溫差為45.8℃，故建議將硫磺回收裝置產(chǎn)生的低壓蒸汽用于甲醇回收過(guò)程中塔底水的重沸加熱。為了探討低壓蒸汽熱量直接利用方案的可行性，本文亦利用HTRI Xchanger Suite 4.0對(duì)優(yōu)化后的再生塔塔底重沸器進(jìn)行了設(shè)備選型，具體計(jì)算結(jié)果（見(jiàn)表5、圖3）。

圖3 再生塔塔底重沸器設(shè)計(jì)結(jié)果示意圖

由表5和圖3可知，當(dāng)使用硫磺回收裝置自產(chǎn)的低壓蒸汽對(duì)甲醇回收塔塔底進(jìn)行供熱時(shí)，再生塔塔底重沸器的熱負(fù)荷約為529.8 kW，總換熱面積約為28.58 m2，傳熱系數(shù)682.73 W/（m2·K）高于最小值404.67 W/（m2·K），富余度為68.7%，完全滿足系統(tǒng)指定的換熱要求。

表5 再生塔塔底重沸器設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表

3.2 蒸汽熱量轉(zhuǎn)換電能利用

當(dāng)天然氣凈化裝置或甲醇回收裝置距離硫磺回收裝置較遠(yuǎn)，導(dǎo)致蒸汽遠(yuǎn)程輸送損失偏大時(shí)，可以考慮采用蒸汽熱量轉(zhuǎn)換電能利用方案以提高蒸汽熱量回收利用的效率。凝汽式蒸汽透平作為一種用蒸汽做功的旋轉(zhuǎn)式原動(dòng)機(jī)，能夠使蒸汽從透平噴嘴流出后推動(dòng)動(dòng)葉片膨脹做功，引起轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)向外供電。該方案不僅可以對(duì)硫磺回收裝置自產(chǎn)的中、低壓蒸汽熱量進(jìn)行回收利用，同時(shí)還能夠?qū)⑥D(zhuǎn)換的電能用于廠內(nèi)其他多種用電設(shè)備。

由上述模擬結(jié)果可知，硫磺回收裝置所產(chǎn)2.1 MPa中壓蒸汽富余熱量為1.214×103MJ/h，所產(chǎn)0.5 MPa低壓蒸汽富余熱量為2.388×103MJ/h，當(dāng)選擇NK63/80/32和NK32/36/16型凝汽式蒸汽透平對(duì)它們進(jìn)行熱量回收時(shí)，若熱電轉(zhuǎn)換效率按0.65計(jì)，則以上中、低壓蒸汽可轉(zhuǎn)換電能總量達(dá)630.35 kW·h/h，折合標(biāo)準(zhǔn)煤能耗約為233.23 kgCE/h。

表6 蒸汽熱量直接利用方案節(jié)能效果表

表7 蒸汽熱量轉(zhuǎn)換電能利用方案節(jié)能效果表

3.3 兩種蒸汽熱量利用方案對(duì)比

對(duì)上述兩種蒸汽熱量利用方案進(jìn)行能耗分析，其節(jié)能效果分別（見(jiàn)表6、表7）。

由表6和表7可知，蒸汽熱量直接利用方案可節(jié)約能耗167.35 kgCE/h，而蒸汽熱量轉(zhuǎn)換電能利用方案可節(jié)約能耗236.95 kgCE/h，蒸汽熱量轉(zhuǎn)換電能利用方案較蒸汽熱量直接利用方案的節(jié)能效果更為顯著，因此，建議采用蒸汽熱量轉(zhuǎn)換電能利用方案對(duì)硫磺回收裝置產(chǎn)生的中、低壓蒸汽熱量進(jìn)行回收和利用。

4 結(jié)論

（1）利用Aspen HYSYS 7.2并選擇PRSV狀態(tài)方程對(duì)鄂爾多斯某天然氣凈化廠硫磺回收裝置進(jìn)行了全流程模擬，結(jié)果表明此物性模型能夠較為準(zhǔn)確地反映出該裝置的實(shí)際運(yùn)行情況，可作為后續(xù)節(jié)能優(yōu)化的基礎(chǔ)模型。

（2）對(duì)于硫磺回收裝置副產(chǎn)的中、低壓蒸汽來(lái)說(shuō)，0.637 t/h 2.1 MPa中壓蒸汽可用于二級(jí)預(yù)熱TEG富液以進(jìn)一步提高TEG重沸器富液進(jìn)口溫度，從而有效降低TEG富液再生的燃料氣消耗；而0.915 t/h 0.5 MPa低壓蒸汽則可用于甲醇回收過(guò)程中塔底水的重沸加熱，亦可有效減少甲醇回收裝置的單位能耗。

（3）與蒸汽熱量直接利用方案相比，節(jié)約能耗167.35 kgCE/h，蒸汽熱量轉(zhuǎn)換電能利用方案通過(guò)凝汽式蒸汽透平對(duì)硫磺回收裝置產(chǎn)生的中、低壓蒸汽熱量進(jìn)行回收、利用，研究結(jié)果表明，蒸汽熱量轉(zhuǎn)換電能利用方案可節(jié)約能耗236.95 kgCE/h，后者較前者的節(jié)能效果更為顯著，故建議后續(xù)采用蒸汽熱量轉(zhuǎn)換電能利用方案對(duì)硫磺回收裝置進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化改造。