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(yuǎn)震旦系燈影組氣藏是我國(guó)發(fā)現(xiàn)的儲(chǔ)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(yuǎn)-龍女寺隆起帶上的巨型穹窿背斜[1]，相對(duì)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(kāi)發(fā)年限已超50 年，自2013—2017 年，威遠(yuǎn)氣田氣量、氣質(zhì)逐年遞減，造成榮縣天然氣凈化廠原料氣氣量、氣質(zhì)逐年遞減，硫磺回收裝置長(zhǎng)時(shí)期處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，裝置多次出現(xiàn)堵塞、泄漏等現(xiàn)象，原料氣氣量長(zhǎng)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(duì)比圖見(jiàn)圖1[2]。

圖1 2013—2017年原料氣日處理量、H2S含量對(duì)比圖

2017 年1—8 月，榮縣天然氣凈化廠原料氣、酸氣氣量氣質(zhì)及負(fù)荷比例見(jiàn)表1。

表1 2017年榮縣天然氣凈化廠原料氣、酸氣氣量氣質(zhì)及負(fù)荷比例

榮縣天然氣凈化廠設(shè)計(jì)原料氣日處理量為25×104m3/h，實(shí)際原料氣日處理量在6×104～8×104m3波動(dòng)，硫磺回收裝置設(shè)計(jì)酸氣每小時(shí)處理量為527 m3/h， 實(shí)際酸氣每小時(shí)處理量在（90～160）m3/h左右波動(dòng)[3]。原料氣氣量、氣質(zhì)下降造成進(jìn)入硫磺回收裝置的酸氣氣量、氣質(zhì)下降，硫磺回收裝置長(zhǎng)期處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，造成裝置運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)增大，主燃燒爐、余熱鍋爐、反應(yīng)器等設(shè)備溫度均偏低，硫磺回收率下降。凈化廠根據(jù)實(shí)際情況優(yōu)化裝置運(yùn)行參數(shù)，通過(guò)調(diào)整空酸配比、酸氣配比、調(diào)節(jié)高溫參合閥的開(kāi)度、降低冷卻器液位、添加燃料氣的方式，以提高系統(tǒng)溫度，從而提高硫磺回收率，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。

2 參數(shù)調(diào)整

榮縣天然氣凈化廠硫磺回收裝置采用分流法二級(jí)轉(zhuǎn)化常規(guī)克勞斯工藝，處理來(lái)自脫硫裝置的酸氣，回收硫磺?；厥昭b置規(guī)模與50×104m3/d 的脫硫裝置匹配，設(shè)計(jì)硫磺產(chǎn)量4.11 t/d，最大產(chǎn)量5.38 t/d，設(shè)計(jì)硫回收率為90%，裝置年運(yùn)行時(shí)間為330 天。該裝置主要產(chǎn)品為液態(tài)硫磺，理論產(chǎn)量為4.11 t/d，裝置尾氣通過(guò)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(jìn)入燃燒爐，配以適量空氣燃燒發(fā)生完全氧化反應(yīng)，使其中的H2S 轉(zhuǎn)變?yōu)镾O2，使過(guò)程氣中的H2S 與SO2的比值保持2∶1，發(fā)生反應(yīng)：

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

低負(fù)荷運(yùn)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(jìn)酸氣以提高爐溫，導(dǎo)致硫收率降低，因此可通過(guò)添加燃料氣代替酸氣燃燒，同時(shí)控制主燃燒爐酸氣、空氣與燃料氣進(jìn)量與比例來(lái)控制爐溫，以提高硫收率，從而達(dá)到節(jié)能降耗目的。

調(diào)整旁路酸氣與進(jìn)主燃爐酸氣的配比和空酸比來(lái)控制爐溫，控制主燃燒爐溫度在800～1 100 ℃。通過(guò)硫磺回收裝置我廠實(shí)際酸氣流量及氣質(zhì)，酸氣流量恒定在120 m3/h，保持爐溫在950 ℃下穩(wěn)定運(yùn)行，利用Aspen Plus 工藝流程模擬軟件簡(jiǎn)易對(duì)主燃燒爐內(nèi)的各種原料燃燒反應(yīng)進(jìn)行了模擬[4-7]。

根據(jù)軟件模擬，所得理論狀態(tài)下不同氣質(zhì)酸氣燃燒所需燃料氣量見(jiàn)表2。

表2 理論狀態(tài)下不同氣質(zhì)酸氣燃燒所需燃料氣量

根據(jù)理論計(jì)算值，將主燃燒爐基本參數(shù)進(jìn)行實(shí)踐調(diào)控，根據(jù)實(shí)際每日酸氣含量及酸氣氣質(zhì)，通過(guò)實(shí)踐摸索出不同情況下燃料氣，空氣，所需含量，現(xiàn)選取5—8 月計(jì)算實(shí)例，主燃燒爐不同氣量、氣質(zhì)的酸氣燃燒所需空氣及燃料氣量見(jiàn)表3。

表3 主燃燒爐不同氣量、氣質(zhì)的酸氣燃燒所需空氣及燃料氣量

通過(guò)摸索，為維持爐溫在800～1 100 ℃范圍內(nèi)，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(kāi)高溫?fù)胶烷y，添加燃料氣且燃料氣與空氣的配比范圍為1∶10，將空氣進(jìn)氣量控制在30～50 m3/h（工況：T=273.15 k，P=0.02 MPa），燃料氣進(jìn)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(diǎn)是管程溫度高，殼程壓力高[8]。因此通過(guò)調(diào)整酸氣比與空酸比，同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)余熱鍋爐蝶閥開(kāi)度，降低了過(guò)程氣與余熱鍋爐的換熱面積，提高了余熱鍋爐低溫過(guò)程氣出口溫度，保證了低溫過(guò)程氣溫度大于或等于200 ℃。根據(jù)實(shí)際操作在蝶閥不同開(kāi)度下，蝶閥不同開(kāi)度下余熱鍋爐低溫過(guò)程氣出口溫度見(jiàn)表4。

表4 蝶閥不同開(kāi)度下余熱鍋爐低溫過(guò)程氣出口溫度

通過(guò)對(duì)比，優(yōu)化后余熱鍋爐低溫過(guò)程氣出口溫度提高了5～15 ℃，余熱鍋爐低溫過(guò)程氣出口溫度在200 ℃以上。

2.3 反應(yīng)器溫度控制

反應(yīng)器中主要發(fā)生反應(yīng)是SO2與剩余的H2S 按摩爾比例1∶2 發(fā)生反應(yīng)生成硫，此反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，會(huì)吸收大量的熱量[9]，因此通過(guò)調(diào)整高溫參合閥的開(kāi)度，保障一級(jí)反應(yīng)器進(jìn)口溫度在190～290 ℃，一級(jí)反應(yīng)器床層中部溫度在240～330 ℃；二級(jí)反應(yīng)器床層中部溫度在120～160 ℃，二級(jí)反應(yīng)器出口溫度大于或等于130 ℃，根據(jù)實(shí)際操作高溫參和閥不同開(kāi)度下反應(yīng)器溫度見(jiàn)表5。

表5 高溫參和閥不同開(kāi)度下反應(yīng)器溫度

通過(guò)對(duì)比：優(yōu)化后一級(jí)反應(yīng)器進(jìn)口溫度提高了10～20 ℃，一級(jí)反應(yīng)器中部溫度提高了20～30 ℃，二級(jí)反應(yīng)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(diǎn)是一級(jí)冷凝冷卻器直接與反應(yīng)爐連接一級(jí)過(guò)程氣入口最高操作溫度，所有過(guò)程氣壓力接近常壓[10]。為提高整體系統(tǒng)溫度，通過(guò)降低一級(jí)、二級(jí)冷凝冷卻器液位（液位≤12%），減少了冷凝冷卻器內(nèi)過(guò)程氣與軟化水之間的換熱，優(yōu)化前后一級(jí)、二級(jí)冷凝冷卻器的出口溫度、液位對(duì)比見(jiàn)表6。

表6 優(yōu)化前后一級(jí)、二級(jí)冷凝冷卻器出口溫度、液位對(duì)比

通過(guò)對(duì)比：優(yōu)化后一級(jí)冷卻器出口溫度提高了3～5 ℃，二級(jí)冷凝冷卻器出口溫度提高了2～4 ℃。

3 效果對(duì)比

3.1 提高系統(tǒng)溫度

在未多余消耗公用工程的蒸汽情況下，實(shí)現(xiàn)了整體硫磺回收裝置低負(fù)荷的正常運(yùn)行，同時(shí)提高了硫磺產(chǎn)量，榮縣天然氣凈化廠于2017年5月實(shí)施整改，故以1—4 月和5—8 月各設(shè)備溫度進(jìn)行對(duì)比，各設(shè)備每月平均溫度見(jiàn)圖2。

圖2 硫磺回收裝置1—8月各設(shè)備溫度對(duì)比

通過(guò)對(duì)比：2017年5—8月各設(shè)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(duì)比見(jiàn)表7。

表7 2017年硫磺回收率對(duì)比

通過(guò)對(duì)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(chǎn)量高于1 月、2 月，酸氣利用率提升了10%，2016 年硫磺產(chǎn)量為246 t，按硫磺單價(jià)月1 500 元/t 計(jì)算，每年可節(jié)約3.69萬(wàn)元。

3.3 保障硫磺質(zhì)量

根據(jù)每月固體硫磺檢驗(yàn)報(bào)告單，將2017 年1—8月硫磺產(chǎn)品質(zhì)量參數(shù)見(jiàn)表8。

表8 2017年1—8月硫磺產(chǎn)品質(zhì)量參數(shù)

通過(guò)對(duì)比，在2017 年6—8 月每月酸氣量?jī)H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(chǎn)品質(zhì)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(zhì)量等級(jí)仍保證為優(yōu)等品率的同時(shí)，也降低了尾氣SO2的排放量，參數(shù)控制確實(shí)達(dá)到了提質(zhì)增效，節(jié)能環(huán)保的效果。

4 結(jié)論

1）與傳統(tǒng)25%～30%的低負(fù)荷運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)相比，該裝置此次低負(fù)荷生產(chǎn)實(shí)踐證明，在保證裝置正常平穩(wěn)生產(chǎn)的前提下，且硫磺質(zhì)量能達(dá)到并超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T-2449.1-2014，達(dá)到更低的操作下限（17%～25%）是可以實(shí)現(xiàn)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(fù)荷情況下啟動(dòng)運(yùn)行，而且調(diào)節(jié)方便，操作性高，是一個(gè)相對(duì)高效的方法。

3）榮縣天然氣凈化廠優(yōu)化硫磺回收裝置低負(fù)荷運(yùn)行參數(shù)具有可操作性、實(shí)踐性，不僅保證了凈化廠裝置的安穩(wěn)運(yùn)行，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗的目的，也為類似裝置工程設(shè)計(jì)時(shí)提供一定參考和借鑒。

4）在低負(fù)荷工況下，采取特定措施，優(yōu)化設(shè)備操作，可使這些設(shè)備在操作彈性下限條件正常工作，年節(jié)約資金達(dá)3.69萬(wàn)元。