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        電加熱器再熱技術(shù)在硫磺回收裝置上的應(yīng)用①

        2014-09-10 06:47:56王小強趙柳鑒高健文田夢雯
        石油與天然氣化工 2014年3期
        關(guān)鍵詞:硫磺加熱器元件

        王小強 邱 斌 趙柳鑒 高健文 陳 亮 田夢雯 黃 暄

        (1. 中國石油西南油氣田公司重慶天然氣凈化總廠 2. 中國石油西南油氣田公司物資公司)

        隨著全球環(huán)保要求的日趨嚴格,進一步提高硫磺回收裝置硫磺回收率,減少尾氣中SO2排放量受到普遍重視[1]。在Claus硫磺回收工藝中,需要對過程氣采取直接或間接的加熱方式以達到催化反應(yīng)器所需的進口溫度[3]。過程氣加熱方式的選擇是否合適將直接影響硫磺回收裝置的長周期穩(wěn)定運行。如何根據(jù)硫磺回收裝置的特點,合理選擇和利用過程氣加熱方式是工程設(shè)計人員和生產(chǎn)技術(shù)人員需要重視的問題。目前,電加熱器再熱技術(shù)在氣田采氣管線伴熱、甲醇氫回收裝置、石化、煉化硫磺回收裝置中均有利用,技術(shù)相對成熟,但在西南地區(qū)的天然氣凈化裝置中尚缺乏應(yīng)用先例。

        重慶天然氣凈化總廠綦江分廠設(shè)計規(guī)模為天然氣處理量20×104m3/d(101.325 kPa,20 ℃),原料氣設(shè)計壓力2.27 MPa(G),H2S摩爾分數(shù)約為0.71%(10~12 g/m3),CO2摩爾分數(shù)0.05%;處理后凈化氣中H2S質(zhì)量濃度≤20 mg/m3,總硫質(zhì)量濃度≤200 mg/m3,CO2摩爾分數(shù)≤3%,水露點≤-5 ℃(2.2 MPa(G)下)。硫磺回收裝置酸氣處理量約60 m3/h,酸氣中H2S摩爾分數(shù)91.14%,硫磺回收率為90%~93%。投產(chǎn)后,實際酸氣量為35 m3/h,隨著上游產(chǎn)量的逐步降低,目前酸氣量僅20~25 m3/h。由于綦江分廠硫磺回收裝置系統(tǒng)熱損失較大,氣-氣換熱器在裝置投產(chǎn)之初多次發(fā)生硫堵,二級催化反應(yīng)器進口過程氣溫度達不到設(shè)計要求,致使二級催化反應(yīng)器無法投運,硫磺回收率較低,尾氣中SO2含量較高。為了進一步提高硫磺回收率,降低尾氣中SO2排放量,減少環(huán)境污染,需根據(jù)裝置現(xiàn)狀,重新選擇二級催化反應(yīng)器進口過程氣再熱方式。

        1 過程氣再熱方式比較及選擇

        過程氣再熱方式主要有高溫摻和法、在線加熱爐加熱法、蒸汽加熱法、氣-氣換熱法等,上述方法在國內(nèi)硫磺回收裝置中均有工業(yè)應(yīng)用,且技術(shù)較為成熟[5]。各種預(yù)熱方式也可混合使用,如一級催化反應(yīng)器進口過程氣采用高溫熱摻和法加熱,二級反應(yīng)器進口過程氣采用蒸汽加熱法或氣-氣換熱法等。電加熱器通常作為其他加熱方式的輔助設(shè)施。

        目前,國內(nèi)硫磺回收裝置過程氣加熱以高溫熱摻和、裝置自產(chǎn)中壓蒸汽換熱、氣-氣換熱和在線加熱爐的方式居多,各種再熱方式對比見表1[3]。

        在確定二級催化反應(yīng)器進口過程氣加熱方式前,針對綦江分廠現(xiàn)狀進行了分析和論證:

        (1) 高溫氣摻和宜使用雙管程余熱鍋爐的第一管程出口氣,其溫度為400~650 ℃,摻和閥條件不苛刻,易于實現(xiàn)自動控制。雖然與使用燃燒爐出口氣摻和相比摻和量大一些,但可靠性高。該方案因摻和氣中H2S及SO2濃度較高且含有較多硫蒸氣,不利于轉(zhuǎn)化,僅可用于一級催化反應(yīng)器前的再熱。

        表1 幾種過程氣再熱方式對比

        (2) 由于裝置區(qū)占地面積較小,空間布局緊湊,故無足夠的占地面積。此外,硫磺回收裝置風機無足夠的余量。若增加風機,勢必會造成投資及運行成本的增加。因此,不宜采用在線加熱爐加熱法。

        (3) 鍋爐設(shè)計負荷較小,最大蒸汽量為1 t/h,無多余蒸汽對過程氣進行加熱。同時,蒸汽系統(tǒng)壓力僅0.3 MPa,無法將過程氣加熱至二級催化反應(yīng)器進口過程氣溫度。若提高蒸汽壓力,則涉及蒸汽換熱的設(shè)備將超出工作壓力設(shè)計值運行,存在不安全因素。因此,不宜采用蒸汽加熱法。

        (4) 硫磺回收裝置酸氣實際負荷僅為設(shè)計負荷的50%,熱量不足,且系統(tǒng)熱損失較大,余熱鍋爐出口至一級反應(yīng)器入口段過程氣管線長度僅18 m,溫降達70 ℃。由于過程氣溫度較低,原設(shè)計的氣-氣換熱法在開產(chǎn)之初,多次發(fā)生硫堵,導(dǎo)致硫磺回收裝置無法投產(chǎn)運行。因此,不宜采用氣-氣換熱法。

        基于上述原因,最終確定選擇電加熱作為過程氣的再熱方式。

        2 電加熱器工作原理和結(jié)構(gòu)

        電加熱器的熱量由置于加熱器內(nèi)的電加熱元件產(chǎn)生,通過強制對流的方式對介質(zhì)進行加熱,加熱時采用流體熱力學原理,過程氣作為熱載體的加熱介質(zhì)從容器口進入,將電加熱器工作時產(chǎn)生的熱量傳遞出去,從而達到工藝加熱的要求[4]。

        當介質(zhì)溫度接近設(shè)定值時,電加熱器控制系統(tǒng)依據(jù)輸出口溫度傳感器信號,進行PID運算,自動調(diào)節(jié)電加熱器輸出功率,使輸出口的介質(zhì)溫度達到所需要求。當發(fā)熱元件超溫時,發(fā)熱元件的過熱保護裝置立即自動切斷加熱電源,避免發(fā)熱元件燒壞,延長電加熱器的使用壽命。電加熱器結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

        由圖1可見,加熱器設(shè)計了折流板,延遲了過程氣在加熱器中的滯留時間,從而可保證過程氣被加熱至工藝所需的溫度。圖中僅示意性地畫出兩只加熱元件,實為12支。加熱器殼體直徑380 mm,長度2 548 mm。

        該加熱元件由316L不銹鋼制成,管內(nèi)電阻絲通常為鎳鉻絲,有時采用更耐高溫的鉑鎳鉻絲,在電阻絲周圍填充石英砂,使電阻絲對管壁絕緣。電阻絲構(gòu)成的加熱元件,電壓380 V,溫度最高可達350 ℃,每個元件功率2.1 kW,其結(jié)構(gòu)尺寸見圖2。

        3 應(yīng)用情況

        2010年12月,重慶天然氣凈化總廠綦江分廠開始使用電加熱器進行過程氣再熱,截至2013年,已使用兩年多時間,裝置總體運行平穩(wěn),解決了硫磺回收裝置因過程氣溫度較低使得二級催化反應(yīng)器無法投運從而影響硫回收率的問題。

        3.1 增設(shè)電加熱器前后硫磺回收裝置運行情況

        2010年11月前,影響硫磺回收率的主要因素是酸氣量僅35 m3/h左右,為設(shè)計負荷的58%,系統(tǒng)熱量不足,熱損失較大,二級反應(yīng)器入口溫度偏低,因此,只投用了一級反應(yīng)器及二級硫磺冷凝冷卻器,硫磺回收率僅84.2%,工藝流程見圖3。

        2010年11月大修期間,對硫磺回收裝置進行了技改,在二級反應(yīng)器入口增設(shè)電加熱器,確保二級反應(yīng)器入口過程氣溫度達到生產(chǎn)條件,使二級反應(yīng)器及三級硫磺冷凝冷卻器能投入運行。技改后硫磺回收率提高至約90%,工藝流程圖見圖4。

        自2010年12月7日電加熱器投運至2013年3月30日,電加熱器共運行18 601 h,運行平穩(wěn)。硫磺回收裝置酸氣中H2S摩爾分數(shù)高達90%,在運行過程中,未發(fā)現(xiàn)腐蝕穿孔現(xiàn)象。生產(chǎn)運行期間,二級反應(yīng)器入口溫度及床層溫度較為平穩(wěn),如表2所示。

        表2 二級反應(yīng)器入口溫度及床層溫度

        由表2可以看出,二級反應(yīng)器投入運行后,二級反應(yīng)器床層溫度較穩(wěn)定,未出現(xiàn)大幅度波動現(xiàn)象。在生產(chǎn)運行過程中,二級反應(yīng)器及二、三級硫磺冷凝冷卻器均未出現(xiàn)硫堵現(xiàn)象。

        3.2 應(yīng)用中出現(xiàn)的問題

        電加熱器在應(yīng)用過程中出現(xiàn)的主要問題見表3[2]。

        表3 故障情況統(tǒng)計分析

        3.3 使用注意事項

        (1) 接頭的防水措施需進一步提高,防爆接線腔部位應(yīng)采用遮雨設(shè)施,做好防腐、保溫施工。

        (2) 應(yīng)視輸入、輸出功率選擇適當?shù)碾娂訜崞麟娫摧斎?、輸出?dǎo)線,以免因?qū)Ь€過熱影響設(shè)備的正常運行。同時,應(yīng)注意接線是否緊固,避免出現(xiàn)因接頭松動而導(dǎo)致的供電異常,致使電加熱器內(nèi)部溫度升高,發(fā)生超溫報警現(xiàn)象。

        (3) 設(shè)備啟運時必須確保過程氣流動,若在電加熱器處于封閉狀態(tài)時啟動,會因升溫迅速燒毀內(nèi)部元件。因此,在電加熱器開始工作前,應(yīng)先使加熱介質(zhì)處于流動狀態(tài)后再啟動電加熱器。

        (4) 管束與管板連接部位的密封性能需進一步優(yōu)化。

        (5) 為保證加熱調(diào)溫的平穩(wěn),應(yīng)選用高精度控制面板。

        (6) 對于酸氣濃度較高的硫磺回收裝置,應(yīng)充分考慮設(shè)備及加熱元件的耐腐蝕性能。

        4 結(jié) 語

        電加熱器采用閉路循環(huán)供熱,其熱損失小,具有能源供應(yīng)方便,結(jié)構(gòu)緊湊,溫度自動控制,操作簡便,無污染等優(yōu)點。該技術(shù)應(yīng)用于綦江分廠硫磺回收裝置過程氣再熱已有兩年多時間,投運后可確保硫磺回收裝置二級反應(yīng)器溫度達到設(shè)計要求,裝置運行平穩(wěn),硫磺回收率達到設(shè)計值,減少了尾氣中的SO2排放,帶來了較好的環(huán)保效益。該項技術(shù)在天然氣凈化廠硫磺回收裝置過程氣再熱方面的成功應(yīng)用,可為類似小型硫磺回收裝置提供參考。

        參考文獻

        [1] 金洲.降低硫磺回收裝置煙氣中SO2排放問題探討[J].石油與天然氣化工,2012,41(5):473-478.

        [2] 秦連彬,李庚昌,張濤,等. 電加熱技術(shù)在氣田的節(jié)能效果分析[J]. 油田節(jié)能,2005,16(1):13-15.

        [3] 殷樹青. 硫磺回收裝置過程氣加熱方式比較[J]. 硫酸工業(yè),2012(2):45-48.

        [4] 左寶信. 甲醇氫回收裝置電加熱器的改造[J]. 電工技術(shù),1993(1):19-20.

        [5] 王開岳. 天然氣凈化工藝——脫硫脫碳、脫水、硫磺回收及尾氣處理[M].北京:石油工業(yè)出版社,2005.

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