硫磺回收裝置低負荷運行節能參數調整

李欣 羅絲露 沈曉燕 郭亮（西南油氣田分公司川西北氣礦）

1 背景

威遠震旦系燈影組氣藏是我國發現的儲層最古老的大型整裝含硫氣田，位于四川盆地西南部，是威遠-龍女寺隆起帶上的巨型穹窿背斜[1]，相對于其它氣藏具有高氮(9%)，高C02+H2S（5%）和高氦（0.18%），高氬（0.05%）的特征，由于開發年限已超50 年，自2013—2017 年，威遠氣田氣量、氣質逐年遞減，造成榮縣天然氣凈化廠原料氣氣量、氣質逐年遞減，硫磺回收裝置長時期處于低負荷運行狀態，裝置多次出現堵塞、泄漏等現象，原料氣氣量長期低于5 500 m3/h、酸氣濃度低于25%，2013—2017 年原料氣日處理量、H2S 含量對比圖見圖1[2]。

圖1 2013—2017年原料氣日處理量、H2S含量對比圖

2017 年1—8 月，榮縣天然氣凈化廠原料氣、酸氣氣量氣質及負荷比例見表1。

表1 2017年榮縣天然氣凈化廠原料氣、酸氣氣量氣質及負荷比例

榮縣天然氣凈化廠設計原料氣日處理量為25×104m3/h，實際原料氣日處理量在6×104～8×104m3波動，硫磺回收裝置設計酸氣每小時處理量為527 m3/h， 實際酸氣每小時處理量在（90～160）m3/h左右波動[3]。原料氣氣量、氣質下降造成進入硫磺回收裝置的酸氣氣量、氣質下降，硫磺回收裝置長期處于低負荷運行狀態，造成裝置運行安全風險增大，主燃燒爐、余熱鍋爐、反應器等設備溫度均偏低，硫磺回收率下降。凈化廠根據實際情況優化裝置運行參數，通過調整空酸配比、酸氣配比、調節高溫參合閥的開度、降低冷卻器液位、添加燃料氣的方式，以提高系統溫度，從而提高硫磺回收率，以實現節能降耗的目的。

2 參數調整

榮縣天然氣凈化廠硫磺回收裝置采用分流法二級轉化常規克勞斯工藝，處理來自脫硫裝置的酸氣，回收硫磺。回收裝置規模與50×104m3/d 的脫硫裝置匹配，設計硫磺產量4.11 t/d，最大產量5.38 t/d，設計硫回收率為90%，裝置年運行時間為330 天。該裝置主要產品為液態硫磺，理論產量為4.11 t/d，裝置尾氣通過85 m高的煙囪排放。

2.1 主燃燒爐溫度控制

主燃燒爐工藝流程是約1/3 體積的酸氣進入燃燒爐，配以適量空氣燃燒發生完全氧化反應，使其中的H2S 轉變為SO2，使過程氣中的H2S 與SO2的比值保持2∶1，發生反應：

H2S+3/2 O2＞1200KSO2+2 H2O+518.9 kJ/mol

低負荷運行情況下主燃燒爐溫度由于酸氣量少，爐溫偏低，為維持爐溫必須多進酸氣以提高爐溫，導致硫收率降低，因此可通過添加燃料氣代替酸氣燃燒，同時控制主燃燒爐酸氣、空氣與燃料氣進量與比例來控制爐溫，以提高硫收率，從而達到節能降耗目的。

調整旁路酸氣與進主燃爐酸氣的配比和空酸比來控制爐溫，控制主燃燒爐溫度在800～1 100 ℃。通過硫磺回收裝置我廠實際酸氣流量及氣質，酸氣流量恒定在120 m3/h，保持爐溫在950 ℃下穩定運行，利用Aspen Plus 工藝流程模擬軟件簡易對主燃燒爐內的各種原料燃燒反應進行了模擬[4-7]。

根據軟件模擬，所得理論狀態下不同氣質酸氣燃燒所需燃料氣量見表2。

表2 理論狀態下不同氣質酸氣燃燒所需燃料氣量

根據理論計算值，將主燃燒爐基本參數進行實踐調控，根據實際每日酸氣含量及酸氣氣質，通過實踐摸索出不同情況下燃料氣，空氣，所需含量，現選取5—8 月計算實例，主燃燒爐不同氣量、氣質的酸氣燃燒所需空氣及燃料氣量見表3。

表3 主燃燒爐不同氣量、氣質的酸氣燃燒所需空氣及燃料氣量

通過摸索，為維持爐溫在800～1 100 ℃范圍內，在酸氣氣量為120 m3/h 左右的條件下，主酸與旁路酸氣比值控制范圍為2.0～3.5，空酸比控制范圍為0.7～1.2，全開高溫摻和閥，添加燃料氣且燃料氣與空氣的配比范圍為1∶10，將空氣進氣量控制在30～50 m3/h（工況：T=273.15 k，P=0.02 MPa），燃料氣進氣量控制在3～5 m3/h（工況：T=273.15 k，P=0.02 MPa）。

2.2 余熱鍋爐溫度控制

余熱鍋爐的特點是管程溫度高，殼程壓力高[8]。因此通過調整酸氣比與空酸比，同時通過調節余熱鍋爐蝶閥開度，降低了過程氣與余熱鍋爐的換熱面積，提高了余熱鍋爐低溫過程氣出口溫度，保證了低溫過程氣溫度大于或等于200 ℃。根據實際操作在蝶閥不同開度下，蝶閥不同開度下余熱鍋爐低溫過程氣出口溫度見表4。

表4 蝶閥不同開度下余熱鍋爐低溫過程氣出口溫度

通過對比，優化后余熱鍋爐低溫過程氣出口溫度提高了5～15 ℃，余熱鍋爐低溫過程氣出口溫度在200 ℃以上。

2.3 反應器溫度控制

反應器中主要發生反應是SO2與剩余的H2S 按摩爾比例1∶2 發生反應生成硫，此反應為吸熱反應，會吸收大量的熱量[9]，因此通過調整高溫參合閥的開度，保障一級反應器進口溫度在190～290 ℃，一級反應器床層中部溫度在240～330 ℃；二級反應器床層中部溫度在120～160 ℃，二級反應器出口溫度大于或等于130 ℃，根據實際操作高溫參和閥不同開度下反應器溫度見表5。

表5 高溫參和閥不同開度下反應器溫度

通過對比：優化后一級反應器進口溫度提高了10～20 ℃，一級反應器中部溫度提高了20～30 ℃，二級反應器中部溫度提高了2～5 ℃。

2.4 冷凝冷卻器溫度控制

冷凝冷卻器的特點是一級冷凝冷卻器直接與反應爐連接一級過程氣入口最高操作溫度，所有過程氣壓力接近常壓[10]。為提高整體系統溫度，通過降低一級、二級冷凝冷卻器液位（液位≤12%），減少了冷凝冷卻器內過程氣與軟化水之間的換熱，優化前后一級、二級冷凝冷卻器的出口溫度、液位對比見表6。

表6 優化前后一級、二級冷凝冷卻器出口溫度、液位對比

通過對比：優化后一級冷卻器出口溫度提高了3～5 ℃，二級冷凝冷卻器出口溫度提高了2～4 ℃。

3 效果對比

3.1 提高系統溫度

在未多余消耗公用工程的蒸汽情況下，實現了整體硫磺回收裝置低負荷的正常運行，同時提高了硫磺產量，榮縣天然氣凈化廠于2017年5月實施整改，故以1—4 月和5—8 月各設備溫度進行對比，各設備每月平均溫度見圖2。

圖2 硫磺回收裝置1—8月各設備溫度對比

通過對比：2017年5—8月各設備每月平均溫度較1—4月有所上升，其中主燃燒爐升溫較為明顯。

3.2 提高硫磺回收率

2017年1—8月硫磺回收率對比見表7。

表7 2017年硫磺回收率對比

通過對比，2017 年5—8 月硫磺回收率提高至70%左右，明顯高于1—4月，硫磺回收率平均提高了10%左右。在酸氣氣量量、酸氣中硫化氫含量相近的條件下，6 月、7 月硫磺產量高于1 月、2 月，酸氣利用率提升了10%，2016 年硫磺產量為246 t，按硫磺單價月1 500 元/t 計算，每年可節約3.69萬元。

3.3 保障硫磺質量

根據每月固體硫磺檢驗報告單，將2017 年1—8月硫磺產品質量參數見表8。

表8 2017年1—8月硫磺產品質量參數

通過對比，在2017 年6—8 月每月酸氣量僅為7×104～8×104m3，相較于1 月、2 月、4 月酸氣量為8×104～9×104m3的情況下，硫磺產品質量仍能維持在99.98%以上，而酸氣中H2S 利用率提升了10%，在保障了1—8月硫磺質量等級仍保證為優等品率的同時，也降低了尾氣SO2的排放量，參數控制確實達到了提質增效，節能環保的效果。

4 結論

1）與傳統25%～30%的低負荷運行經驗相比，該裝置此次低負荷生產實踐證明，在保證裝置正常平穩生產的前提下，且硫磺質量能達到并超過國家標準GB/T-2449.1-2014，達到更低的操作下限（17%～25%）是可以實現的。

2）混摻高焓值組分可以大幅度提高原料的焓值，確保裝置在低負荷情況下啟動運行，而且調節方便，操作性高，是一個相對高效的方法。

3）榮縣天然氣凈化廠優化硫磺回收裝置低負荷運行參數具有可操作性、實踐性，不僅保證了凈化廠裝置的安穩運行，同時實現了節能降耗的目的，也為類似裝置工程設計時提供一定參考和借鑒。

4）在低負荷工況下，采取特定措施，優化設備操作，可使這些設備在操作彈性下限條件正常工作，年節約資金達3.69萬元。