天然氣凈化廠硫磺回收裝置平穩運行的影響因素解析

唐忠渝 瞿楊 劉建(西南油氣田分公司天然氣凈化總廠，重慶 400021)

0 引言

天然氣是人們在日常生活中經常使用的一種能源，對人們的正常生活起著重要的保障作用，是由原料天然氣經處理后所形成的。當人們開采出天然氣能源后，原料中會含有較多影響天然氣使用的因素，如CO2、H2O等，如果沒有正確處理這些物質還會影響天然氣的運輸安全、存儲安全。酸性氣體的處理需要使用硫磺回收裝置，這樣才可以保證產生的尾氣處于合格的狀態，使空氣不會被尾氣所污染。硫磺回收裝置不僅可以減少空氣污染，還能轉化其中的有害成分，提高資源的利用效率，深入落實可持續發展政策。

1 硫磺回收裝置的回收工藝原理

天然氣凈化總廠硫磺回收裝置有常規克勞斯硫磺回收裝置、超級克勞斯硫磺回收裝置、CBA克勞斯硫磺回收裝置、CPS克勞斯硫磺回收裝置等。由于接受硫磺回收裝置處理的酸性氣體擁有低硫以及高碳的特點，因此在對其進行處理和回收時會使用氧化法，可以起到較好的回收效果[1]。超級克勞斯硫磺回收裝置常規克勞斯工藝要求調節空氣/酸氣比使尾氣中H2S/SO2的比例正好為2:1，即克勞斯反應中最佳的H2S/SO2比率；超級克勞斯工藝要求通過調節空氣/酸氣比來控制第3級克勞斯反應器出口H2S濃度，熱轉化段以非克勞斯比率運行(即H2S/SO2高于2/1)。超級克勞斯硫磺回收工藝熱轉化段通過調節空氣流量使進料中的H2S部分燃燒及碳氫化合物完全氧化，同時使第3級克勞斯反應器出口H2S為0.7%(v)左右。在線分析儀在第3級克勞斯反應器出口分析過程氣中H2S含量，并反饋控制進主燃燒爐的空氣流量；在1～3級克勞斯催化反應段，過程氣中殘留的H2S和SO2在催化劑作用下進一步轉化生成硫，即克勞斯反應；第三級克勞斯反應器的過程氣與過量空氣混合后，進入R-1404，在R-1404中采用選擇性氧化催化劑，過量空氣的存在使H2S的轉化率很高，同時超級克勞斯選擇性氧化催化劑不會促進硫蒸氣與工藝氣中的水汽發生克勞斯逆反應，因此可以獲得硫的高轉化率。硫磺回收裝置回收工藝流程圖如圖1所示。

2 天然氣凈化廠硫磺回收裝置平穩運行的影響因素

2.1 配風比的影響

圖1 硫磺回收裝置回收工藝流程圖

配風比是硫磺回收裝置在運行過程中極其重視的一個因素，是有著嚴格的要求的，當硫化氫氣體和空氣進行混合之后，會使用催化劑對兩者的混合物進行催化，使硫化氫出現選擇性氧化的反應，最后生成單質S和H2O。通過對氧化反應進行分析，可以發現氧氣是硫化氫氧化反應中的必備條件之一，同時需要將氧氣和硫化氫的比值控制在1:2[2]。如果氧氣和硫化氫的比值小于0.5，則會影響催化劑的活性度，融入讓催化劑由于中毒而出現失去活性的問題，給硫的收集效率造成影響。但是也不能讓氧氣和硫化氫的比值過高，這樣會給硫化氫的選擇性造成影響，導致尾氣中的二氧化硫出現增多的狀況。將配風比控制在一級反應器出口O2含量：0.2%～0.35%(mol)，二級反應器出口O2含量：0.4%～0.5%(mol)，能夠得到較高的回收率。

2.2 酸氣流量是否處于穩定狀態

當硫磺回收裝置在運行的過程中，需要對硫化氫以及氧氣的比例進行正確的控制，讓其處于最佳的配比狀態，才能夠提升反應的效果，為反應過程中提供較好的條件。但是如果酸氣的流量處于不穩定的狀態，硫化氫持續波動，空氣無法跟隨酸性氣體進行及時的調整，會導致反應條件處于滯后的狀態，給硫化氫轉化為硫的過程帶來了影響，減少了硫的轉化量以及硫化氫的選擇性。因此，要想保證硫磺回收裝置可以處于最佳的工作效果，就需要控制酸氣的流量波動幅度，減輕由于流量波動給硫磺回收裝置帶來的運行影響[3]。

原料天然氣的凈化過程是從單井站開始，經過單井站之后原料天然氣會進入到集氣站內，之后再進入到回收裝置內接受處理。基于原料天然氣的凈化過程，可以發現原料的總量會給酸氣的流量帶來影響，單井站的設置位置、天然氣來源地層、天然氣品質等也都屬于影響酸氣流量的因素。因此有關部門需要對原料天然氣的產量、單井站的布局進行規劃和調整，避免給酸氣的流量造成影響。

天然氣凈化裝置采用 MDEA 濕法脫硫，酸氣主要由 MDEA富液再生解析出來。MDEA 溶液循環量的提升可以有效的減少在原料天然氣中所存在的酸性成分，進而增加MDEA 溶液中包含的酸性組分含量，當其再生之后可以產生的酸氣量也會增大；隨著這一凈化裝置運行時間的不斷延長，MDEA 溶液會產生各種類型的降解物或者氧化物，同時加上原料天然氣中所帶有的其他雜物，同時會引起 MDEA 溶液出現的現象，造成酸氣量的變化[4]。為了保證凈化裝置可以持續平穩運行，降低酸氣量出現波動的幾率，提高原料天然氣的凈化效果需要對分離裝置和過濾裝置進行定期的排污處理。檢查MDEA 溶液過濾裝置的內部濾芯，如發現異常應進行清洗，必要時更換濾芯。

2.3 酸氣的品質

酸氣主要是由二氧化碳組成的，因此也在一定程度影響了硫化氫的轉化效率，而硫化氫所占的比例越高，相應的酸氣品質也會有所提升。硫化氫在遇到MDEA溶液之后，會在短時間內發生反應，但是MEDA溶液和二氧化碳所產生的反應效率則較慢。為了提升二氧化碳的反應效率，盡量減少二氧化碳的存在，需要在脫硫塔之中增加MEDA溶液進入脫硫塔的層數，并且在設置的過程中需要將保證凈化產品達到相關標準作為基礎條件。酸氣中也含有較多的水分，根據克勞斯的實際反應理論進行分析，水是該裝置反應之后所產生的物質，這些水分不利于硫化氫的轉化，應當減少水分來提升酸氣的品質。在一般的情況下，在酸性氣進料中包含約有水分2%～5%之間是能被接受的。如果水含量過多，則會降低硫磺的轉化效率，同時增加安全事故發生幾率。水進入回收裝置內部后會在短時間內呈現氣化的狀態，增加回收系統中的壓力，如果壓力過高會導致爆炸事故。要想減少水分需要控制好酸氣的溫度，盡量控制在20～40℃之間，有關人員要定期處理酸氣分離器，將其中的液體排出去，防止液體過多影響酸氣品質以及硫磺回收裝置的工作效率[5]。水還會腐蝕回收裝置中的相應設備以及管道，如果水含量較高，在一定時間內沒有氣化的水會破壞保溫襯，影響生產的效率。酸氣中的烴類物質的含量高于3%也會給酸氣的質量造成影響，容易生產出硫化羰以及二硫化碳。

2.4 酸氣預熱溫度的影響

在一級反應器中使用鈦基催化劑進行催化，需要將其控制在180～250℃之間，在這樣的環境下即使氧氣的含量過多，也會抑制二氧化硫的生成，避免排出的尾氣中出現過多的二氧化硫，給外界的空氣帶來影響。二級反應器所使用的是鐵基催化劑進行催化，在這種環境下硫的轉化效率有所提升，但是相對于一級反應而言選擇性卻受到了影響，反應溫度要控制在150～200℃之間。通過控制反應的溫度能夠在提升硫轉化率的同時不影響選擇性，進而提升硫磺回收裝置的運行效果[6]。合理的溫度控制能夠提高硫化氫的轉化率，減少在尾氣中硫化氫以及二氧化硫的含量。

2.5 其他因素

反應器溫度和催化劑的活性度也會影響到硫磺回收裝置的運行，當反應器的反應器溫度高于440℃時，催化劑會熱老化失活，溫度低于118.7℃左右會硫沉積，導致催化劑失活，另外配風過少，會造成催化劑積炭失活等。

3 結語

隨著我國對環境保護政策的不斷重視，我國對于改善環境污染、提高空氣質量實施了較大的管控措施。天然氣凈化廠作為工業領域的重要企業類型之一，需要合理的控制硫磺回收裝置的運行，避免生產活動過程中給空氣造成污染。配風比、酸氣流量是否穩定、酸氣的實際品質以及頂熱溫度都是可能給硫磺回收裝置帶來影響主要因素，相關人員需要重視這些因素，采取積極的干預措施，使用新型的工藝技術，減少這些因素的影響程度。通過對這些因素實施控制，可以保證硫磺回收裝置的穩定運行，減少天然氣凈化廠所排放的廢氣量。