硫回收富氧燃燒及提升主燃燒爐溫度方法研究

周明宇 曹文浩 王向林 沈榮華 蘭 林 湯國軍 閔 剛

1. 中國石油工程建設有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;2. 中國石油西南油氣田公司重慶天然氣凈化總廠, 重慶 401147

0 前言

大部分原油和原料天然氣中都含硫,在石油化工天然氣加工過程中由于產品脫硫工序會產生含H2S氣體(稱為酸氣),毒性很大,對人類的生存與環境危害甚大。因此,酸氣必須經過處理后才能排放。工業上通常采用克勞斯工藝方法回收酸氣中的元素硫[1-10]。

當酸氣中H2S濃度較高且潛硫量較大時,常采用常規克勞斯加還原吸收法尾氣處理工藝路線,這是一條成熟可靠的工藝路線,投資也相對合理。但該工藝路線存在以下問題。

1)常規克勞斯硫回收裝置主燃燒爐供風用普通空氣,大量N2進入系統,增加了過程氣量,稀釋了過程氣中反應物濃度,導致裝置效率降低;為保證能夠滿足生產操作的需求,必須考慮足夠大的設備、管道尺寸,增加了裝置的設備投資[11]。

2)當需要處理低H2S濃度酸氣時,主燃燒爐溫度隨之降低,只有通過酸氣分流來提高爐溫,但這影響了裝置運行效率,若H2S濃度進一步降低,將影響酸氣在主燃燒爐中燃燒的穩定性,導致裝置無法穩定運行[12]。

為此,20世紀80年代開發了以富氧空氣作為H2S氧化劑的富氧克勞斯工藝[13],提高裝置效率,擴大裝置處理能力,進一步提升了對低H2S濃度酸氣的適應性[14-15]。

由于較低的富氧程度可在較少的投入下獲得較多的收益,因此目前富氧克勞斯硫回收裝置大多在較低的富氧程度下運行[16]。為了提高石油天然氣化工過程中酸氣回收硫的回收率,在克勞斯硫回收工藝中,采用高濃度富氧或純氧技術,進一步減少過程氣量,提升轉化效率,縮小設備尺寸。為了提升富氧/純氧燃燒克勞斯工藝在實際工程應用中的穩定性和可靠性,需要進一步深入開展試驗研究。

1 富氧燃燒工藝路線研究

富氧燃燒是用比通常空氣(含氧21%)含氧濃度高的富氧空氣進行燃燒的統稱。富氧燃燒的形式大致可分為:微富氧燃燒、富氧燃燒、純氧燃燒[17]。不同形式富氧燃燒的區別主要在于富氧空氣中的氧濃度不同,而在特定的克勞斯硫回收裝置中,隨著主燃燒爐燃燒器供風中氧濃度的不同,總的供風量也不同。

根據燃燒經典理論,燃燒器燃燒室的設計主要基于“3 T”原則進行,即煙氣停留時間(Time)、反應溫度(Temperature)、絮流混合程度(Turbulance mixing)[18]。“3 T”原則提及在有限的停留時間和高溫空間中，氣體混合程度的好壞主要取決于氣體的湍流效果,并提出強化燃燒過程的途徑包括以下三項。

1)改善氣流相遇條件,即將燃氣與空氣分成細流,增大兩股氣流的接觸面,使兩股氣流有一定的速度差,并成一定的交角相遇,從而增加氣流擾動。

2)加強紊流,燃氣與空氣構成撞擊混合,強化混合過程。

3)采用旋流氣流混合過程及化學反應過程。旋流有兩個作用,一是增加了氣流的紊流,強化了混合過程;二是旋流中心的回流區使大量煙氣回流與燃氣混合物相混,加強了混合效果,提高了反應區溫度,強化了化學反應過程。

基于以上理論分析可知,即便是富氧燃燒,為了強化燃燒過程,仍然需要堅持“3 T”原則,且盡可能使氣體以旋流的方式進入燃燒器內部。但是從燃燒器結構上分析,不能同時對富氧空氣和酸氣兩種介質同時進行旋流。因此,只能選擇一種氣體介質(富氧空氣或酸氣)進行旋流。當采用富氧燃燒或純氧燃燒時,建議選擇酸氣進行旋流,見圖1。借助富氧燃燒試驗平臺開展了現場試驗,通過試驗結果證明,采用該種工藝路線可以保證酸氣火焰穩定燃燒。

圖1 富氧燃燒進氣工藝路線示意圖Fig.1 Process flow diagram of oxygen enriched combustion air intake

2 富氧濃度對提升主燃燒爐溫度的影響

本文通過富氧燃燒試驗平臺開展了現場試驗,通過系統試驗研究了不同富氧濃度對于提升主燃燒爐溫度的影響,結果見表1。通過不同富氧濃度的空氣(甚至純氧)與不同濃度H2S組合成11種工況,開展富氧燃燒試驗;觀察了每種工況火焰燃燒的穩定性,測試了每種工況的燃燒溫度。

表1 富氧燃燒試驗工況及溫度測試結果表

Tab.1 Working condition and temperature test results of oxygen enriched combustion test

工況xH2S/(%)xO2/(%)主燃燒爐實測溫度/℃1402194425021982360211 06143035950540351 0676304595873060995830801 0419301001 0561030309431128100958

在30% H2S濃度下,測試了不同富氧濃度空氣燃燒時的主燃燒爐溫度,并做成了變化趨勢的曲線,見圖2。同時通過試驗平臺設置的爐尾部中心觀察視鏡對其燃燒情況進行了觀察,見圖3。

圖2 不同富氧濃度對主燃燒爐溫度的影響(H2S濃度為30%)Fig.2 Effect of different oxygen enriched concentrations on temperature of main combustion furnace(H2S concentration is 30%)

圖3 不同富氧濃度下主燃燒爐燃燒情況(H2S濃度為30%)Fig.3 Combustion situation of main combustion furnace under different oxygen enrichment concentrations(H2S concentration is 30%)

從圖2可以看出,隨著富氧濃度的提高,主燃燒爐溫度顯著提高,證明提高富氧濃度對提升克勞斯硫回收裝置主燃燒爐溫度產生有利影響,特別在低濃度H2S酸氣工況,能夠顯著提高酸氣火焰燃燒溫度。在30% H2S濃度下,不同富氧濃度工況下主燃燒爐酸氣燃燒情況見圖3,可以看出,即便在較低H2S濃度下,采用富氧空氣進行燃燒,仍能夠有效維持燃燒穩定性。

從圖2和圖3的結果看,富氧燃燒對于處理低H2S濃度酸氣的克勞斯硫回收裝置平穩、高效運行有著積極的作用。

3 其它提升主燃燒爐溫度方法的對比

在克勞斯硫回收工藝中能夠有效提升主燃燒爐溫度的方法,除提高供風空氣中氧氣濃度之外,還有酸氣分流、酸氣預熱、空氣(或富氧空氣)預熱等方法。但后三種方法中,由于酸氣分流中部分H2S沒有經過主燃燒爐高溫克勞斯反應,會影響整個硫回收裝置的反應效率,特別是在酸氣中含NH3、重烴等有害雜質時[19-23],要慎用酸氣分流這種方法。

按酸氣H2S濃度20%,100%純氧為基準,通過軟件模擬計算了四種方法對提升主燃燒爐溫度的影響,分別為酸氣分流40%、同時預熱酸氣和富氧空氣至220 ℃、預熱酸氣至220 ℃、預熱富氧空氣至220 ℃。從圖4的對比分析中可以看出,較其它三種方法,酸氣分流對提高主燃燒爐溫度的效果更為顯著,同時預熱酸氣和富氧空氣的效果又比單獨預熱一股氣體的效果好。

圖4 不同方法對提高主燃燒爐溫度的對比Fig.4 Comparison of different methods for increasing the temperature of main combustion furnace

4 結論

本文通過借助富氧燃燒測試平臺開展現場試驗,工藝模擬軟件等進行了對應的富氧燃燒的研究,深入了解了富氧燃燒效果,系統研究了不同富氧濃度對提高主燃燒爐溫度的作用。同時,通過富氧燃燒工藝及其它提升主燃燒爐溫度方法的對比分析,推薦了提升克勞斯硫回收裝置主燃燒爐溫度的方法原則。具體得出以下結論。

1)富氧燃燒能夠顯著有效地提升酸氣燃燒溫度,對于處理低H2S濃度酸氣的克勞斯硫回收裝置平穩、高效運行有著積極作用。

2)綜合考慮本文中所述的富氧燃燒對于提升主燃燒爐溫度的效果、不同提升主燃燒爐溫度方法對比以及酸氣分流對硫回收裝置反應效率的影響,推薦在實際克勞斯硫回收裝置設計中為提升酸氣燃燒溫度,保證裝置高效平穩運行,采用提升主燃燒爐溫度方法的順序為:富氧燃燒>酸氣/富氧空氣預熱>酸氣分流。