丁 路 楊其展 劉興茂 郭志強 魏元軍 譚疆暉

中國石油塔里木油田分公司, 新疆 庫爾勒 841000

0 前言

LO-CAT硫黃回收工藝與Klaus硫黃回收工藝不同。LO-CAT工藝通過硫黃回收氧化塔內(nèi)Fe3+將化合態(tài)的硫轉(zhuǎn)化為單質(zhì)硫,再通過氧氣將還原產(chǎn)物Fe2+氧化為Fe3+,最后通過濾液沖洗回收裝置產(chǎn)出硫黃并實現(xiàn)對催化劑溶液循環(huán)利用，具有能耗低、反應溫度低、安全性高等優(yōu)點。

1 LO-CAT硫黃回收工藝介紹

某油氣處理站LO-CAT硫黃回收工藝原理圖見圖1。

圖1 硫黃回收工藝原理圖

脫硫工藝總的化學反應：

(1)

吸收區(qū)內(nèi)的化學反應——吸收反應:

H2S在配比液中被吸收、電離

(2)

硫氫根被鐵離子氧化生成硫單質(zhì)

(3)

吸收部分總反應式

(4)

三個氧化區(qū)內(nèi)的化學反應——再生反應:

O2在配比溶液中被吸(1∶0.049,20 ℃)

(5)

亞鐵離子的再生

(6)

再生部分總反應方程式

(7)

從塔板上曝氣管鼓入的空氣可以再生催化劑溶液;同時由于除吸收區(qū)外的三個氧化區(qū)均鼓入空氣,因此可使吸收區(qū)域和氧化區(qū)域的溶液產(chǎn)生密度差,給溶液循環(huán)提供驅(qū)動力,即行成扇區(qū)自循環(huán)結(jié)構(gòu)。因此液體在吸收區(qū)域向上流動,在反應區(qū)域向下流動,在氧化區(qū)域內(nèi)向上流動,在脫氣區(qū)域內(nèi)向下流動。最終產(chǎn)生的硫黃通過隔板的間隙沉入錐底,通過濾液沖洗回收裝置產(chǎn)出[1-9]。

某油氣處理站硫黃回收裝置采用LO-CAT工藝。酸氣設計處理量為808.3 m3/h,硫黃設計產(chǎn)量為9.5 t/d,實際酸氣處理量平均150 m3/h,遠低于設計負荷。

2 硫黃回收系統(tǒng)存在問題

某油氣處理站在實際運行過程中,總硫量少,實際產(chǎn)量不到1 t/d,不足設計產(chǎn)量的10%,但是相對于較少的硫黃產(chǎn)量,藥劑的消耗明顯偏高,造成運行成本居高不下,參數(shù)對比見表1。按照現(xiàn)有150 m3/h的酸氣處理量進行理論計算,年消耗藥劑價值約200萬元,但實際年消耗藥劑價值約600萬元,每年有400萬元藥劑被嚴重浪費[10-14]。

表1 硫黃回收系統(tǒng)主要設計參數(shù)與實際運行參數(shù)對比

項目原設計參數(shù)實際運行參數(shù)硫黃產(chǎn)量/(t·d-1)9.50.8酸氣處理量/(m3·h-1)200～970130～150鐵離子劑流量/(L·h-1)0.750.4螯合劑流量/(L·h-1)31.61445%KOH流量/(L·h-1)10.627鼓風流量/(m3·h-1)4 6004 800pH8.0～9.08.8～8.9ORP電位/mV330～500-200～-100尾氣H2S體積分數(shù)φ/10-6<10<10

由于溶液循環(huán)動力不足,塔盤內(nèi)沉積大量硫黃,每年檢修需要耗費巨大人力清理(10人清理20 d)。由于硫黃堆積在曝氣管上,導致曝氣管出氣壓力升高,造成憋壓撕裂,見圖2;同時吸收區(qū)堆積的硫黃堵塞分布酸氣的鴨嘴,導致鴨嘴受壓損壞,見圖3。由于上述原因需每年對曝氣管和鴨嘴更換一次(200個鴨嘴、105 m曝氣管),維護成本較高。

圖2 被撕裂的曝氣管

圖3 吸收區(qū)堆積的硫黃

3 藥劑消耗大原因分析

為了使塔內(nèi)循環(huán)順利進行,需要維持較大的空氣流量(目前空氣量為4 800 m3/h)。

矛盾之處在于若降低空氣流量,整個循環(huán)過程又難以正常進行。即現(xiàn)有的酸氣設計量與依靠密度差的扇區(qū)自循環(huán)結(jié)構(gòu)導致鼓風量和藥劑消耗量必須維持在較高的水平。

而相對于扇區(qū)自循環(huán)系統(tǒng),內(nèi)外筒自循環(huán)系統(tǒng)依靠內(nèi)外筒形成表觀密度差,外筒溶液向上流動,內(nèi)筒溶液向下流動,系統(tǒng)內(nèi)形成自動循環(huán),適用于較小的酸氣量。

4 改造方案

結(jié)合廠家意見,把現(xiàn)有吸收氧化塔的反應區(qū)改造成內(nèi)外筒結(jié)構(gòu),原吸收區(qū)停止使用,其他區(qū)域結(jié)構(gòu)不變。改造后酸氣處理能力可以達到250 m3/h,每天產(chǎn)硫膏2.5 t。具體改造措施如下[24]:

1)改造反應區(qū)內(nèi)筒和擋板、堰板,在塔內(nèi)新建一個內(nèi)筒,尺寸為DN 2 000×4 100,在內(nèi)筒新布置酸氣管線和鴨嘴,并將藥劑加入口轉(zhuǎn)移到新改造的內(nèi)筒。

2)割除反應區(qū)部分底板行成外筒,在外筒新建空氣吹掃管線和曝氣管用于溶液再生。

3)原吸收區(qū)的酸氣管線停止使用,原氧化區(qū)的曝氣管繼續(xù)使用;空氣流量由原來的4 800 m3/h降低至1 500 m3/h。

4)在原吸收區(qū)底板割出4個20 cm×20 cm的方形孔,以解決硫黃沉積(看實驗效果后大規(guī)模開孔)。

改造后的內(nèi)外筒循環(huán)系統(tǒng)見圖4～5。

5 改造效果

改造后的硫黃裝置于2016年11月22日投產(chǎn),1個月平穩(wěn)運行之后,各項參數(shù)平穩(wěn);硫黃的實際產(chǎn)量0.7 t/d與根據(jù)酸氣量核算出的理論產(chǎn)量0.8 t/d接近;硫黃的藥劑消耗量也大幅降低,說明改造后的內(nèi)外筒自循環(huán)系統(tǒng)是成功的改造前后藥劑對比見表2。

圖4 內(nèi)外筒自循環(huán)示意圖

圖5 新建內(nèi)筒

表2 改造前后硫黃主要參數(shù)對比

項目改造前改造后螯合劑流量/(L·h-1)145氫氧化鉀流量/(L·h-1)2718鐵離子流量/(L·h-1)5.65.6ORP電位/mV-300～-200-300～-200pH8.0～9.58.0～9.5尾氣H2S體積分數(shù)φ/10-6<10<10鼓風流量/(m3·h-1)4 8001 800

經(jīng)過第一次改造,藥劑消耗量顯著降低。但在2017年對硫黃吸收氧化塔打開檢查時發(fā)現(xiàn)塔板上依舊沉積了大量硫黃,但在原吸收區(qū)底板開孔處幾乎無硫黃沉積。為此,經(jīng)過研究在原來的氧化區(qū)底板開孔,以避免硫黃沉積,見圖6～7。

圖6 塔板割底板

圖7 2018年打開吸收氧化塔基本無硫黃沉積

2018年再次打開硫黃吸收氧化塔發(fā)現(xiàn)塔板幾乎無硫黃沉積,說明改造成功。

6 結(jié)論

經(jīng)過對硫黃吸收塔兩種自循環(huán)方式的研究與改造,降低了硫黃藥劑消耗,每年可創(chuàng)造效益104萬元;同時對塔盤開孔避免硫黃沉積,減少了人力清理工作量且提升了安全。經(jīng)過這兩步改造,硫黃裝置趨于經(jīng)濟高效運行,節(jié)能降耗效果明顯。