非常規(guī)分流硫磺回收克勞斯?fàn)t燃燒控制

吉喆，葉世貴，譚秋媛，趙捷，羅歡

(1. 中石化廣元天然氣凈化有限公司，四川 廣元 628400；2. 岳陽長煉機(jī)電工程技術(shù)有限公司 廣元分公司，四川 廣元628400；3. 上海洗霸科技股份有限公司 西南分公司，四川 廣元 628400)

高含硫天然氣凈化廠隨著開采時(shí)間、開井?dāng)?shù)量、開采量的變化，其再生酸氣的流量及組成波動(dòng)較大。而硫磺的生產(chǎn)全靠硫化氫化學(xué)反應(yīng)生成，為了確保高的硫轉(zhuǎn)化率，必須對參與反應(yīng)的另一種物料(空氣)按化學(xué)計(jì)量供給，因此裝置的設(shè)計(jì)及使用必須采用先進(jìn)合理的控制方案[1]。

1 工藝流程及原理

1.1 工藝流程介紹

某高含硫凈化廠天然氣進(jìn)料中φ(H2S)為5.55%，φ(CO2)為6.57%，采用復(fù)合脫硫溶劑再生出酸氣中φ(H2S)為41%～48%[2]。非常規(guī)分流硫磺回收工藝流程如圖1所示，正常工況下經(jīng)分液后的再生酸氣通過分流調(diào)節(jié)，一部分進(jìn)入克勞斯?fàn)t一區(qū)與空氣部分燃燒并維持一區(qū)溫度1 060 ℃，其余酸氣進(jìn)入克勞斯?fàn)t二區(qū)與一區(qū)高溫過程氣混合并繼續(xù)進(jìn)行高溫制硫反應(yīng)。克勞斯?fàn)t出口高溫過程氣取熱后，經(jīng)三級(jí)硫冷器加兩級(jí)催化轉(zhuǎn)化反應(yīng)器加一級(jí)液硫捕集器后進(jìn)入尾氣處理單元。其中，克勞斯?fàn)t爐膛的硫轉(zhuǎn)化率為65%～68%，硫磺單元單程總硫回收率可達(dá)96%，裝置總硫回收率在99.95%以上。燃料氣及蒸汽僅在開停工工況下使用。

圖1 非常規(guī)分流硫磺回收工藝流程示意

1.2 原理介紹

硫磺回收根據(jù)酸氣H2S含量的不同使用直流法或分流法。在滿足克勞斯反應(yīng)爐火焰穩(wěn)定要求及耐火材料耐溫要求條件下，直流法要求φ(H2S)下限為55%，常規(guī)分流法要求φ(H2S)下限為30%，酸氣入爐比例為33.3%[3]。當(dāng)φ(H2S)為30%～55%時(shí)，為保證爐膛一區(qū)不超溫需采用非常規(guī)分流，即酸氣進(jìn)入克勞斯?fàn)t一區(qū)比例應(yīng)大于33.3%。硫磺單元工藝分為前段克勞斯?fàn)t熱反應(yīng)制硫及后段催化反應(yīng)制硫，主要將酸氣中的H2S盡可能轉(zhuǎn)化為硫單質(zhì)。

1)依據(jù)酸氣中的組成及廢熱鍋爐出口氣體組成情況，克勞斯?fàn)t內(nèi)主要發(fā)生式(1)～式(5)化學(xué)反應(yīng)。

高溫制硫主反應(yīng)：

(1)

(2)

烴的燃燒反應(yīng)：

(3)

有機(jī)硫生成副反應(yīng)：

(4)

(5)

2)從廢熱鍋爐出來的過程氣，經(jīng)硫冷器冷卻分離單質(zhì)硫，然后再進(jìn)入加熱器預(yù)熱到230 ℃左右進(jìn)入催化反應(yīng)器，過程氣中的含硫組分在催化劑的作用下主要發(fā)生式(6)～式(8)對應(yīng)的反應(yīng)。

低溫催化制硫反應(yīng)：

(6)

有機(jī)硫水解反應(yīng)：

(7)

(8)

2 克勞斯?fàn)t燃燒控制方案

克勞斯?fàn)t燃燒器的進(jìn)料分為酸氣及燃料氣。在正常生產(chǎn)中一般為酸氣進(jìn)料，酸氣中所含H2S將部分燃燒，燃燒空氣由克勞斯風(fēng)機(jī)供給，非常規(guī)分流硫磺回收燃燒控制方案如圖2所示。至克勞斯?fàn)t二區(qū)酸氣流量等于反應(yīng)爐總酸氣流量qV總(FI-410測量值)減去至燃燒器一區(qū)酸氣流量qV一區(qū)(FIC-405測量值)，該運(yùn)算通過減法器FU-406實(shí)現(xiàn)。酸氣所需空氣耗量qV酸—空氣通過比率器HU-410轉(zhuǎn)化總酸氣流量得出。

在開工過程中，需要燃料氣燃燒產(chǎn)生高溫惰性氣體對克勞斯?fàn)t進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化升溫；在停工過程中，需要燃料氣燃燒產(chǎn)生高溫惰性氣體對硫磺單元吹硫、鈍化及標(biāo)準(zhǔn)化降溫。燃料氣所需空氣量qV燃料—空氣通過比率器HU-402轉(zhuǎn)化燃料氣流量得出。為避免克勞斯?fàn)t超溫，在停工過程中一般還需要往爐內(nèi)通入減溫蒸汽。減溫蒸汽需求量qV蒸汽(FIC-401測量值)通過比率器HU-401轉(zhuǎn)化燃料氣流量信號(hào)得出。

2.1 一區(qū)分流比參數(shù)確定

進(jìn)克勞斯?fàn)t酸氣中φ(H2S)在30%～55%時(shí)，為保證克勞斯?fàn)t爐膛溫度在1 060 ℃，需要控制酸氣進(jìn)克勞斯?fàn)t一區(qū)的比例。對于該范圍內(nèi)酸氣一區(qū)分流比(HC-406)的確定，可以采用文獻(xiàn)[4]介紹的方法通過手工計(jì)算得到，也可以使用HYSYS軟件模擬計(jì)算得到，不同酸氣濃度條件下的一區(qū)分流比見表1所列。在實(shí)際生產(chǎn)中，在未知酸氣φ(H2S)的情況下，也可以通過調(diào)整一、二區(qū)酸氣流量，將爐膛溫度穩(wěn)定控制在1 060 ℃，從而確定當(dāng)前一區(qū)分流比。

表1 不同酸氣濃度條件下的一區(qū)分流比

圖2 非常規(guī)分流硫磺回收燃燒控制方案示意

2.2 酸氣配風(fēng)系數(shù)確定

酸氣配風(fēng)系數(shù)(即HC-410的值)通過計(jì)算酸氣中33.3%的H2S及全部的烴類完全燃燒所需消耗干空氣量獲得。假設(shè)酸氣體積V酸氣，其中φ(H2S)為45%，φ(CH4)為0.3%。根據(jù)反應(yīng)式(1)和式(3)可以得到該酸氣需要消耗0.231V酸氣的氧氣，干空氣中φ(O2)為20.9%，對應(yīng)消耗干空氣的體積為1.1V酸氣，此處的1.1即為理想情況下酸氣配風(fēng)系數(shù)。實(shí)際上，由于酸氣中H2S會(huì)部分分解，同時(shí)烴類不可能完全燃燒，實(shí)際酸氣配風(fēng)系數(shù)略小于理想狀況值。

2.3 燃料氣配風(fēng)系數(shù)確定

燃料氣配風(fēng)系數(shù)(即HC-402的值)通過計(jì)算燃料氣完全燃燒所需消耗干空氣量獲得。一般情況下，燃料氣組成相對穩(wěn)定，假設(shè)燃料氣體積V燃料，其中全部為甲烷。根據(jù)反應(yīng)式(3)可以得到該燃料氣需要消耗2V燃料的氧氣，干空氣中φ(O2)為20.9%，則需要消耗干空氣的體積為9.57V燃料，此處的9.57即為理想情況下燃料氣配風(fēng)系數(shù)。為避免混合不均勻造成的不完全燃燒，同時(shí)考慮空氣濕度的影響，實(shí)際燃料氣配風(fēng)系數(shù)略大于理想狀況值，一般設(shè)置為9.7～10.0。

2.4 減溫蒸汽系數(shù)確定

減溫蒸汽一般在停工吹硫階段使用，減溫蒸汽系數(shù)(即HC-401的值)一般通過模擬計(jì)算得出。停工吹硫階段，克勞斯?fàn)t轉(zhuǎn)為燃料氣模式后，燃料氣當(dāng)量燃燒產(chǎn)生高溫惰性氣體，將一、二級(jí)反應(yīng)器催化劑上的單質(zhì)硫吹出。使用HYSYS軟件模擬計(jì)算，V燃料需消耗蒸汽量為(4～6)V燃料，此處的4～6即為減溫蒸汽系數(shù)。停工鈍化階段，在保持燃料氣消耗及爐膛溫度不變的條件下，隨著空氣用量的增加，減溫蒸汽使用量逐漸降低為零。

3 控制方法

3.1 酸氣分流控制

一定期間內(nèi)，天然氣中H2S及CO2含量相對固定，經(jīng)脫硫再生出來的酸氣組成也相對固定。取樣分析獲得酸氣中H2S含量數(shù)據(jù)后，可以根據(jù)表1設(shè)置酸氣一區(qū)分流比HC-406的初始值。為了獲得精準(zhǔn)的壓力控制需求，正常生產(chǎn)中會(huì)將酸氣壓力及一、二區(qū)酸氣流量控制進(jìn)行串級(jí)控制。該控制中設(shè)酸氣壓力為自控變量，一區(qū)酸氣控制閥FV-405及二區(qū)酸氣控制閥FV-406的開度為應(yīng)變量。當(dāng)酸氣壓力超過設(shè)定值時(shí)，控制器按照分流比對應(yīng)增大FV-405及FV-406的開度；當(dāng)酸氣壓力低于設(shè)定值時(shí)，控制器按照分流比對應(yīng)減小FV-405及FV-406的開度，控制酸氣壓力保持在指定范圍。當(dāng)脫硫再生酸氣組成變化時(shí)，可以根據(jù)克勞斯?fàn)t一區(qū)溫度變化情況，手動(dòng)調(diào)整酸氣一區(qū)分流比，從而達(dá)到爐溫穩(wěn)定控制的要求。

3.2 酸氣配風(fēng)控制

微風(fēng)控制閥FV-404與主風(fēng)控制閥FV-403為并聯(lián)操作，微風(fēng)流量由FT-404測量。硫磺單元液硫捕集器出口的過程氣在線分析儀AT-301測定過程氣中的φ(H2S)與φ(SO2)，用φ(H2S)-2φ(SO2)的結(jié)果調(diào)控微風(fēng)控制閥FV-404開度，維持硫磺單元液硫捕集器出口過程氣中φ(H2S)與φ(SO2)的比例為2∶1。如果AIC-301輸出的給定值使微風(fēng)控制閥開度大于70%，微風(fēng)控制閥閥位指示高報(bào)警，說明微風(fēng)控制閥已經(jīng)接近流量調(diào)節(jié)上限。操作人員修改增加主風(fēng)分配系數(shù)，使主風(fēng)控制閥增加開度，從而使微風(fēng)控制閥在合適調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。如果AIC-301輸出的給定值使微風(fēng)控制閥開度小于30%，微風(fēng)控制閥閥位指示低報(bào)警，說明微風(fēng)控制閥已經(jīng)接近流量調(diào)節(jié)下限。操作人員修改降低主風(fēng)分配系數(shù)，使主風(fēng)控制閥開度減小，從而使微風(fēng)控制閥在合適調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。

3.3 減溫蒸汽控制

停工階段酸氣切換為燃料氣鈍化模式后，燃料氣流量作為自控變量，計(jì)算器HU-401根據(jù)燃料氣實(shí)際流量計(jì)算得到理論所需蒸汽量，通過與實(shí)際蒸汽測量值FIC-401的比較來調(diào)整減溫蒸汽控制閥FV-401的閥位，使克勞斯?fàn)t不超過工藝溫度控制上限1.3×103℃的要求。當(dāng)減溫蒸汽系數(shù)設(shè)定過小使溫度超溫時(shí)，操作工手動(dòng)修改增加減溫蒸汽系數(shù)。同理當(dāng)溫度過低時(shí)，操作工手動(dòng)修改減小減溫蒸汽系數(shù)，使克勞斯?fàn)t溫度始終維持在正常工作范圍。

4 結(jié)束語

硫磺燃燒控制對硫回收的影響很大，不僅涉及硫回收率，也涉及環(huán)保工程[5]。通過對克勞斯硫磺回收燃燒機(jī)理的理解，并實(shí)施有效的燃燒控制方案，對非常規(guī)分流硫磺回收工藝具有重要意義。結(jié)合自控原理，討論不同進(jìn)料工況下克勞斯?fàn)t配風(fēng)及降溫控制方法，減少人員誤操作及外部干涉，增加了硫回收率的同時(shí)降低了后部尾氣排放的環(huán)保壓力，投用該控制方案后取得了良好的控制效果。