液硫脫氣廢氣入克勞斯爐在硫磺回收裝置的應用

楊程 李偉華

(1. 中石化廣元天然氣凈化有限公司，四川 廣元 628017；2. 中原油田普光分公司，四川 達州 635002)

0 引言

某硫磺回收裝置以上游胺液再生塔的酸性氣為原料設計生產硫磺20萬t/a，該裝置的工藝路線由常規兩級克勞斯和配套SCOT尾氣處理組合而成，總硫回收率達99.8%。各級硫冷凝器的液硫一般含有100×10-6～300×10-6H2S，為了保證下游硫磺成型單元的安全，液硫必須進行處理使H2S含量降低至10×10-6。該裝置采用的是最為常見的Shell空氣鼓泡工藝[1]，空氣自克勞斯風機引至液硫池脫氣區。為保證液硫池微負壓操作，液硫池產生的含硫廢氣采用蒸汽抽射器送至尾氣焚燒爐的工藝(簡稱“常規工藝”，下同)進行焚燒，使煙氣中的SO2排放量增加100～200mg/Nm3[2]。

為了控制SO2的排放量，國家對污染物排放提出了更高的要求，發布GB 31570—2015《石油煉制工業污染物排放標準》，其中酸性氣回收裝置要求煙氣中SO2濃度小于400mg/m3，環境敏感地區排放限值為100mg/m3。硫磺回收裝置煙氣貢獻主要來自尾氣吸收塔凈化尾氣和液硫脫氣廢氣，為了減排，很多研究者都在探索液硫脫氣廢氣的新的解決方案[2-7]。目前大致有三種解決方案：液硫廢氣入克勞斯爐[2-4]、液硫廢氣入克勞斯反應器[2]和某專利液硫廢氣入加氫反應器[5-7]。液硫廢氣入克勞斯反應器會導致總硫回收率下降，加氫單元負荷高，尾氣仍具有超標風險；專利要求加氫催化劑具有一定的耐氧性，再者，作為液硫池汽提氣的凈化尾氣要求凈化度高，總之該方案成本最高。而液硫廢氣入克勞斯爐的工藝(簡稱“新工藝”)除了可能會降低克勞斯爐溫，能夠良好解決煙氣排放含量高的問題，成為某裝置的首要選擇。

1 新工藝改造說明

2019年7月，某裝置檢修期間對液硫廢氣入克勞斯爐進行了技改，工藝簡圖如圖1所示。新增1臺空氣加熱器，將燃燒空氣加熱至135～140℃，防止含硫廢氣堵塞克勞斯空氣管線；新增2臺中壓蒸汽抽射器取代低壓蒸汽抽射器，新建1條液硫池廢氣入克勞斯爐爐頭空氣管線的夾套管線，利用中壓蒸汽將液硫池廢氣送至克勞斯爐，其余管線利舊。

圖1 液硫脫氣廢氣入克勞斯爐改造

安全儀表系統涉及中壓蒸汽切斷閥、廢氣至尾爐切斷閥和廢氣至克勞斯爐切斷閥。具體動作如下：當液硫池著火和尾爐停車時，聯鎖關閉中壓蒸汽和廢氣入克勞斯爐切斷閥；克勞斯爐聯鎖跳車，關閉廢氣入克勞斯爐切斷閥，打開去尾爐切斷閥。

2 測試結果

測試之前預先投用空氣加熱器，11月2日液硫池廢氣由去尾爐流程轉至克勞斯爐流程。新工藝投用前后克勞斯爐酸性氣負荷穩定在31000～32300Nm3/h，同時為了探索新工藝對煙氣SO2排放影響，尾氣吸收塔的貧胺液和再生塔所消耗的低壓蒸汽流量分別固定為240t/h和48t/h。

2.1 液硫H2S含量與空氣鼓泡量的關系

為了分析液硫H2S含量與空氣鼓泡量的關系，自11月1日每日對液硫池產品區的液硫進行兩次H2S含量分析，取平均值做最終結果。液硫H2S含量和空氣鼓泡量如圖2所示。由此可知，液硫的品質隨著空氣鼓泡量的增大而得到顯著提高。10月31日液硫H2S含量74×10-6，煙氣SO2含量在300～400mg/Nm3波動，所以受限于環保壓力，液硫鼓泡空氣閥保持小開度流量，最終液硫品質不合格。11月3日至4日期間空氣鼓泡量為500kg/h，液硫H2S含量為11.4×10-6，等同于合格液硫。繼續提高空氣鼓泡量為700kg/h，液硫H2S含量穩定于10×10-6。

圖2 不同時間空氣股泡量和液硫H2S含量分析

2.2 煙氣與新工藝和常規工藝的關系

自10月23日15:00至11月11日24:00(t=0～465h))酸性氣負荷始終控制在31000～32300Nm3/h，當t=237h，液硫池廢氣由常規工藝切換至新工藝處理。圖3中的(a)～(c)分別是t=33～81h、t=177～225h和t=321～369h的酸性氣流量曲線。按照常規工藝，液硫鼓泡不投用或者保持小開度，將胺液再生蒸汽提高至54t/h來減少凈化尾氣對于煙氣SO2排放的貢獻值，液硫廢氣由蒸汽抽射器送往尾爐焚燒，煙氣SO2排放量在313～364mg/Nm3。此煙氣值是在犧牲硫磺品質的基礎上實現的，不合格液硫只能輸往下游。前已述及，在投用空氣的鼓泡前提下，煙氣SO2排放量可以增加100～200mg/Nm3。新工藝投用后，在系統總胺液再生蒸汽為48t/h和液硫700kg/h大流量空氣鼓泡的前提下，不僅煙氣SO2含量始終在150～235mg/Nm3，總硫回收率得到進一步的提高。

2.3 新工藝對下游的影響

新工藝的空氣鼓泡量在700kg/h，作為抽射器動力的中壓蒸汽流量為1.26t/h，由于克勞斯爐內燃燒的各介質的體積流量是以273K和100kPa為基準，推算得出鼓泡空氣和動力蒸汽的流量為3700Nm3/h，而液硫池產生的廢氣為1443Nm3/h(廢氣以體 積 分 數 計：N2：76.60%、O2：20.37%、H2S：0.65%、S：0.03%、H2O：2.09%)，因而蒸汽抽射器出口廢氣流量為5143Nm3/h，占總過程氣76800Nm3/h的6.7%，因此基本不影響克勞斯爐操作。新工藝增設的空氣加熱器將空氣由原來的97℃升高至135℃，克勞斯爐溫不會明顯降低。在實際的測試中，新工藝條件下的爐溫比常規工藝降低10℃左右，這是符合預期的。且液硫脫氣廢氣可基本上視為空氣，參與H2S的熱轉化，在此過程中克勞斯爐的配風原理仍是1/3的H2S完全轉化為SO2，因此新工藝對加氫單元無任何不利影響。

2.4 新工藝和常規工藝對比

新工藝投用前后，相關參數對比如表1所示。新工藝可以節約0.4MPa低壓飽和蒸汽4.6t/h，不僅生產出合格的液硫，而且煙氣SO2排放量降低131～214mg/Nm3，煙氣排放速率由原來的27.6kg/h降低為16.8kg/h。全廠12列裝置技改后，預計全廠每年可以減排777.7t SO2(干煙氣流量在87500Nm3/h左右)，節能和減排效果顯著。

圖3 不同時間段酸性氣負荷及相對應煙氣SO2排放含量

表1 新工藝和常規工藝對相關參數的對比

3 結語

某硫磺回收裝置對液硫脫氣廢氣入克勞斯爐進行了改造并進行了一系列測試，測試表明煙氣含量由313～364mg/Nm3下降至150～235mg/Nm3，消除了工藝波動時煙氣超過400mg/Nm3的可能，煙氣排放速率由原來的27.6kg/h降低為16.8kg/h，進一步提高了總硫回收率。新工藝具有可操作性強、節能以及減排效果顯著的特點，值得在硫磺回收行業內進行推廣。