改造硫黃回收塔降低藥劑消耗方法研究

丁 路 楊其展 劉興茂 郭志強 魏元軍 譚疆暉

中國石油塔里木油田分公司, 新疆 庫爾勒 841000

0 前言

LO-CAT硫黃回收工藝與Klaus硫黃回收工藝不同。LO-CAT工藝通過硫黃回收氧化塔內Fe3+將化合態的硫轉化為單質硫,再通過氧氣將還原產物Fe2+氧化為Fe3+,最后通過濾液沖洗回收裝置產出硫黃并實現對催化劑溶液循環利用，具有能耗低、反應溫度低、安全性高等優點。

1 LO-CAT硫黃回收工藝介紹

某油氣處理站LO-CAT硫黃回收工藝原理圖見圖1。

圖1 硫黃回收工藝原理圖

脫硫工藝總的化學反應：

(1)

吸收區內的化學反應——吸收反應:

H2S在配比液中被吸收、電離

(2)

硫氫根被鐵離子氧化生成硫單質

(3)

吸收部分總反應式

(4)

三個氧化區內的化學反應——再生反應:

O2在配比溶液中被吸(1∶0.049,20 ℃)

(5)

亞鐵離子的再生

(6)

再生部分總反應方程式

(7)

從塔板上曝氣管鼓入的空氣可以再生催化劑溶液;同時由于除吸收區外的三個氧化區均鼓入空氣,因此可使吸收區域和氧化區域的溶液產生密度差,給溶液循環提供驅動力,即行成扇區自循環結構。因此液體在吸收區域向上流動,在反應區域向下流動,在氧化區域內向上流動,在脫氣區域內向下流動。最終產生的硫黃通過隔板的間隙沉入錐底,通過濾液沖洗回收裝置產出[1-9]。

某油氣處理站硫黃回收裝置采用LO-CAT工藝。酸氣設計處理量為808.3 m3/h,硫黃設計產量為9.5 t/d,實際酸氣處理量平均150 m3/h,遠低于設計負荷。

2 硫黃回收系統存在問題

某油氣處理站在實際運行過程中,總硫量少,實際產量不到1 t/d,不足設計產量的10%,但是相對于較少的硫黃產量,藥劑的消耗明顯偏高,造成運行成本居高不下,參數對比見表1。按照現有150 m3/h的酸氣處理量進行理論計算,年消耗藥劑價值約200萬元,但實際年消耗藥劑價值約600萬元,每年有400萬元藥劑被嚴重浪費[10-14]。

表1 硫黃回收系統主要設計參數與實際運行參數對比

項目原設計參數實際運行參數硫黃產量/(t·d-1)9.50.8酸氣處理量/(m3·h-1)200～970130～150鐵離子劑流量/(L·h-1)0.750.4螯合劑流量/(L·h-1)31.61445%KOH流量/(L·h-1)10.627鼓風流量/(m3·h-1)4 6004 800pH8.0～9.08.8～8.9ORP電位/mV330～500-200～-100尾氣H2S體積分數φ/10-6<10<10

由于溶液循環動力不足,塔盤內沉積大量硫黃,每年檢修需要耗費巨大人力清理(10人清理20 d)。由于硫黃堆積在曝氣管上,導致曝氣管出氣壓力升高,造成憋壓撕裂,見圖2;同時吸收區堆積的硫黃堵塞分布酸氣的鴨嘴,導致鴨嘴受壓損壞,見圖3。由于上述原因需每年對曝氣管和鴨嘴更換一次(200個鴨嘴、105 m曝氣管),維護成本較高。

圖2 被撕裂的曝氣管

圖3 吸收區堆積的硫黃

3 藥劑消耗大原因分析

為了使塔內循環順利進行,需要維持較大的空氣流量(目前空氣量為4 800 m3/h)。

矛盾之處在于若降低空氣流量,整個循環過程又難以正常進行。即現有的酸氣設計量與依靠密度差的扇區自循環結構導致鼓風量和藥劑消耗量必須維持在較高的水平。

而相對于扇區自循環系統,內外筒自循環系統依靠內外筒形成表觀密度差,外筒溶液向上流動,內筒溶液向下流動,系統內形成自動循環,適用于較小的酸氣量。

4 改造方案

結合廠家意見,把現有吸收氧化塔的反應區改造成內外筒結構,原吸收區停止使用,其他區域結構不變。改造后酸氣處理能力可以達到250 m3/h,每天產硫膏2.5 t。具體改造措施如下[24]:

1)改造反應區內筒和擋板、堰板,在塔內新建一個內筒,尺寸為DN 2 000×4 100,在內筒新布置酸氣管線和鴨嘴,并將藥劑加入口轉移到新改造的內筒。

2)割除反應區部分底板行成外筒,在外筒新建空氣吹掃管線和曝氣管用于溶液再生。

3)原吸收區的酸氣管線停止使用,原氧化區的曝氣管繼續使用;空氣流量由原來的4 800 m3/h降低至1 500 m3/h。

4)在原吸收區底板割出4個20 cm×20 cm的方形孔,以解決硫黃沉積(看實驗效果后大規模開孔)。

改造后的內外筒循環系統見圖4～5。

5 改造效果

改造后的硫黃裝置于2016年11月22日投產,1個月平穩運行之后,各項參數平穩;硫黃的實際產量0.7 t/d與根據酸氣量核算出的理論產量0.8 t/d接近;硫黃的藥劑消耗量也大幅降低,說明改造后的內外筒自循環系統是成功的改造前后藥劑對比見表2。

圖4 內外筒自循環示意圖

圖5 新建內筒

表2 改造前后硫黃主要參數對比

項目改造前改造后螯合劑流量/(L·h-1)145氫氧化鉀流量/(L·h-1)2718鐵離子流量/(L·h-1)5.65.6ORP電位/mV-300～-200-300～-200pH8.0～9.58.0～9.5尾氣H2S體積分數φ/10-6<10<10鼓風流量/(m3·h-1)4 8001 800

經過第一次改造,藥劑消耗量顯著降低。但在2017年對硫黃吸收氧化塔打開檢查時發現塔板上依舊沉積了大量硫黃,但在原吸收區底板開孔處幾乎無硫黃沉積。為此,經過研究在原來的氧化區底板開孔,以避免硫黃沉積,見圖6～7。

圖6 塔板割底板

圖7 2018年打開吸收氧化塔基本無硫黃沉積

2018年再次打開硫黃吸收氧化塔發現塔板幾乎無硫黃沉積,說明改造成功。

6 結論

經過對硫黃吸收塔兩種自循環方式的研究與改造,降低了硫黃藥劑消耗,每年可創造效益104萬元;同時對塔盤開孔避免硫黃沉積,減少了人力清理工作量且提升了安全。經過這兩步改造,硫黃裝置趨于經濟高效運行,節能降耗效果明顯。