LO-CAT法硫磺回收藥劑添加優化研究

李 軍， 羅孝偉， 李 靖， 劉衛江

(延長石油勘探公司采氣二廠，陜西 靖邊 718500)

使用LO-CAT法硫磺回收時，要定期向系統中加入氫氧化鉀、螯合劑、鐵離子、表面活性劑、消泡劑、生物抑制劑及緩蝕阻垢劑等。每種藥劑的添加量不僅關系到實際應用中的生產成本，更是會直接影響溶液整體的質量和生產硫磺的質量。本文針對該凈化廠硫磺回收運行過程中的問題，優化現場藥劑添加比例，最終解決了硫磺灰分比例大、硫磺濕度大、有機物質多、pH過高等問題。

1 工藝簡介

1.1 化學原理

LO-CAT法[1]改進了克勞斯反應，成為了一種恒溫、低成本的方法。其總的化學原理是將酸性氣體中的硫化氫與空氣的中的氧氣在催化作用下反應生產硫磺和水，反應方程式見式(1)。

(1)

其基本化學反應可以劃分為吸收和再生兩個部分。

吸收部分見式(2)。

(2)

再生部分見式(3)。

(3)

式(2)、式(3)進行疊加，便得到式(1)改進的克勞斯反應方程式。

1.2 工藝流程

從脫酸單元酸氣分離器出來的酸氣到硫磺回收單元的酸氣分離器中進行再次分離，分離出其中的雜質和游離水。隨后，進入到吸收氧化塔吸收區中，與鼓風機輸送控制溫度的空氣進行反應，生產硫單質。生成的硫磺經過硫磺漿泵輸送至轉鼓式過濾機進行過濾。過濾后的溶液通過濾液回流泵打回至吸收氧化塔內。

2 硫磺回收裝置運行分析

2.1 裝置運行現狀

該凈化廠裝置于2019年7月正式投入生產使用。設計酸性氣處理量為2 500 m3/h，其中，硫化氫體積分數為2.34%，硫磺產量2.0 t/a，裝置的操作彈性范圍為10%～120%。從吸收氧化塔排放至大氣的氣體，硫化氫質量濃度≤5 mg/m3。統計硫磺回收單元2020年酸氣處理量(見圖1)，可以看出，實際處理能力到達設計處理能力的99.3%，在設計范圍內。但是酸性氣體中硫化氫的百分比超過設計值的8%，硫回收率可以達到99.99%。

圖1 酸氣處理量

2.2 硫磺成品質量分析

該凈化廠2020年全年生產硫磺1 131 t，含水率為42%，高于設計值35%，且藥劑中的硫磺成絮狀物沉淀不密實，在生產硫磺過程中帶出來的藥劑較多，需要向溶液中添加大量的脫鹽水和藥劑(見圖2)。硫磺成品中灰分占比大，有機物質較多(見表1)。

圖2 絮狀不沉淀硫磺溶液

表1 藥劑調整前硫磺成品分析

3 藥劑添加優化管理措施

3.1 藥劑介紹

3.1.1 VM-610鐵離子溶液

主要成分為EDTA鐵胺、磷酸三鈉和水。其主要作用是通過補充鐵離子濃縮溶液，防止在生產硫磺過程由于副產物的生成和硫磺成品的夾帶，導致系統中鐵離子缺乏[2]。

3.1.2 VM-620螯合劑溶液

主要成分為次氮基三乙酸、鈉鹽、氫氧化鈉和水。其主要作用是保證鐵離子在堿性環境中不會生產氫氧化鐵、硫化亞鐵沉淀，不僅防止了大量鐵離子的降解，也減小了裝置內副產物的生成[3]。

3.1.3 VM-660表面活性劑

主要成分為壬基苯酚C1.5乙氧基化物、異丙基酒精和水。其主要作用是將硫磺顆粒進行改性潤濕，有利于硫磺的沉積和緩解系統堵塞。

3.1.4 45%氫氧化鉀

主要成分為氫氧化鉀和水。其主要作用是為系統提供堿性環境，一般將系統pH控制在8.5～9.0。

3.2 藥劑優化

3.2.1 氫氧化鉀優化

氫氧化鉀計量泵運行參數在16.5 L/h，由于添加的氫氧化鉀量過多，導致溶液pH值穩居在9.2以上，系統灰分含量在17.3%，副產物生成較多。將氫氧化鉀計量泵調整至11.4 L/h后，系統pH值基本上穩定在8.6～8.8，副產物降低至2.34%(見表2)。

表2 藥劑調整后硫磺分析

3.2.2 表面活性劑、消泡劑優化

先前表面活性劑添加量為5.6 L/h，導致硫磺含水量大且呈絮狀不密實沉淀，導致藥劑流失厲害、溶液外流影響環境衛生、發泡嚴重。不僅導致系統的不穩定，還加大了消泡劑的使用，使整個系統處于表面活性劑和消泡劑一起增長的惡性循環狀態。

根據系統的分析，將表面活性劑量調節為2.3 L/h，增大鼓風量、提高容器反應溫度、轉鼓運行時提高吹掃風量，經過7 d后系統硫磺沉降得到改善，系統有機物含量降低至0.03%。

3.2.3 鐵離子、螯合劑優化

最初的鐵離子加注量為2.3 L/h，螯合劑加注量為0.9 L/h，導致系統鐵離子流失嚴重。經過配伍試驗，發現是由于鐵離子和螯合劑配比不正確，經過現場試驗發現鐵離子與螯合劑的比例在1∶1到1∶3之間，可以使鐵離子的降解得到有效緩解[4]。

于是將鐵離子加注量調整至0.8 L/h，螯合劑加注量調整至0.95 L/h,經過觀察，系統溶液總鐵質量分數控制500×10-6左右，鐵離子降解得到有效控制。

4 結論

1) 在溶液pH低時應適當將氫氧化鈉的加注量調大，在滿負荷運行情況下最佳的量應在11.4 L/h；若系統pH過高，應分析是氫氧化鈉和螯合劑的原因，并結合鐵離子的配伍試驗進行調整[5]。

2) 表面活性劑是整個系統穩定與否很關鍵的因素，表面活性劑過大時會導致系統有機物會過多，使硫磺攜帶溶液過多，導致藥劑損失[6]。表面活性劑過少不利于系統中硫磺的沉積和潤濕，可能造成系統堵塞。所以應該盡量將表面活性劑的量控制在2.3 L/h左右。

3) 螯合劑和鐵離子的調整應該是一個整體的，不應將這兩種藥劑單獨進行調整。調整后應該做配伍試驗保證系統鐵離子降解在正常范圍之內。鐵離子和螯合劑的最佳配比為1∶1至1∶3。

4) 藥劑標定要定期進行，在日常操作過程中常常忽略因為酸氣量變化要變化加藥量，導致系統運行不正常。應當安排班組人員每班對藥劑進行標定并記錄。