硫磺回收装置中克劳斯反应燃烧的控制方案

硫磺回收装置中克劳斯反应燃烧的控制方案

张宇腾

关键词：天然气处理；克劳斯反应；硫磺回收

引言

克劳斯法是硫磺回收的经典工艺之一，其原理是通过硫化氢的不完全燃烧，以适量的空气促使生成硫磺和水；这种工艺可以有效地减少硫化氢的排放量，降低环境污染，同时回收硫磺，节约资源；在现实的工艺运用过程中，提高硫磺转化生成率是关键环节，通过研究发现以纯氧或者富氧空气代替一般空气的效果更好。

1工艺介绍

克劳斯燃烧炉控制系统通过合理地选择配风方案，使空气的体积流量与酸性气的体积流量维持合理的配比，实现了硫回收率最大化，从而减少了尾气中硫的排放。硫磺回收装置的进料酸性气分别来自胺再生装置的胺酸性气和酸性水汽提装置的汽提酸气，通过克劳斯工艺把硫化氢和其他硫化合物转化为高纯硫，克劳斯工艺由热反应阶段、催化反应阶段、选择性氧化反应阶段组成，为了获得尽可能高的回收率，必须将来自最后一个克劳斯反应器的工艺气体中的Ｖｍ（Ｈ２Ｓ）／Ｖｍ（ＳＯ２）比值控制在特定值。克劳斯燃烧炉控制方案如图１所示。克劳斯燃烧炉控制可以分为三个部分：（1）热反应阶段。酸性气与一定量的空气混合进入主燃烧炉，用燃料气维持炉膛温度为１２００～１３００℃，主要反应式如下

因为进料气中含有烃类，在主燃烧炉中烃与氧首先生成二氧化碳，然后按式（３），式（４）与硫化氢反应生成有机硫和二硫化碳，主要反应式如下：

（2）催化反应阶段。燃烧后的高温过程气经废热锅炉、硫冷凝器后，依次进入一、二、三级反应器，在催化剂作用下发生克劳斯反应，反应式如下：

2克劳斯法工艺限制

克劳斯法（Claus）早在十八世纪就已经出现了，但由于工艺设备的限制，传统的克劳斯法在进行硫磺的回收过程中，混合气体中的酸性物质会直接燃烧掉，其中硫化氢与空气混合燃烧之后，即可实现一部分硫磺生成物（化合物）。但是空气中的成分比例最高的是氮气，约占2/3，有利于合成氨的生成；克劳斯法的主要目的是提高尾气处理并获取硫磺产品，因此有效减少空气中氮气的比例，提高氧气比例，效果是十分明显的。同时，由于采用纯氧或富氧空气的方式，可以有效减少生产成本和占地空间。传统的克劳斯法在利用富氧技术的过程中也有弊端，主要是由于反应炉温度引起的。由于加入富氧空气之后反应炉的温度会升高，这对硫回收的工艺就产生了限制。同时，温度过高也容易造成控制难题，这些都是在使用富氧技术过程中需要改进的问题。

3克劳斯(Claus)法硫磺回收工艺中氧基硫磺回收工艺分析

氧基硫磺回收技术(简称氧基工艺)是指从提高装置处理能力的角度出发,以氧气或富氧空气代替空气来增加装置处理能力的一系列新型克劳斯工艺,如德国Lurgi公司开发的OxyClaus工艺、英国BOC公司的SURE工艺和美国AirProducts&ChemicalInc.公司的COPE工艺等。此类工艺应用迄今已有20余年历史,且近年来更加受到广泛重视。将氧基工艺应用于克劳斯装置的技术改造或新建装置具有以下优点:(1)在原有装置总压力降(0.050～0.075MPa)基本不变的前提下,装置的处理量可大幅度提高;(2)若新建装置采用此工艺,对给定的处理量而言,设备尺寸可比常规克劳斯工艺缩小约50%,设备投资可减少30%～35%,且硫蒸气和硫雾沫夹带损失也相应减少;(3)有利于处理H2S含量较低的贫酸性气,且装置的总转化率也可以提高约2%。以往此类工艺的应用仅着眼于解决已建克劳斯装置的大幅度扩容问题。但工业实践表明,采用氧基硫磺回收工艺后,由于原料酸性气中H2S分压和燃烧炉温度的升高,不仅装置的硫回收率有所改善,而且也解决了原料酸性气中重质芳烃、芳烃和NH3的分解问题,同时也为贫酸性气中回收硫磺克劳斯工艺开辟了全新的技术路线。氧基工艺克劳斯装置的操作虽然总体上与常规克劳斯装置类似,但应注意由以下因素产生的影响:(1)处理能力的增加不仅与富氧空气中的氧浓度有关,也与原料酸性气中的H2S含量有关,H2S含量越高则处理能力的增加倍数越大;(2)原料酸性气中的H2S含量越高,燃烧炉温度提高的幅度也越大;(3)在燃烧炉的高温条件下,有可能导致H2S直接分解而生成元素硫。

4动态响应

（一）组分变化。在胺酸性气、汽提酸气、天然气的组分出现波动的情况下，克劳斯燃烧器控制器的反馈部分和空气负荷分配器会响应。最初所有控制器都处于设定点，假设胺酸性气中的Ｖｍ（Ｈ２Ｓ）增加，由于组分变化，ｑＶ空气／ｑＶ胺酸性气的比值将不正确，导致前馈部分供应的空气不足，从而尾气中Ｖｍ（Ｈ２Ｓ）／Ｖｍ（ＳＯ２）比值过高，尾气质量控制器检测到异常，响应如下：（1）通过增加尾气质量控制器的输出，微风流量控制器获得更高的设定点。（2）微风流量控制器增加其输出，直到微风量达到新的设定点。（二）负荷变化。空气分别与胺酸性气、汽提酸气、天然气的体积分数比值是基于对应气体计算得出的。如果ｑＶ空气／ｑＶ进料气的比值正确，随着负载的波动，控制系统的前馈部分将起主导作用。最初，所有控制器都处于设定点，随着图１所示胺酸性气体积流量的增加，控制系统将响应如下：（1）根据新增加的胺酸性气体积流量重新计算标称总风量需求。（2）新的标称总风量需求与原标称总风量需求的比值被转换为相对工厂负荷，通过增加尾气质量控制器的增益，可以补偿死区时间的减少。（3）尾气质量控制器的增益增加，由于该控制器处于设定点，其输出保持不变。

结语

总体而言，富氧技术作为一种可以与克劳斯法紧密结合的硫回收工艺，可以大幅度地提升回收效率，减少对环境的影响，同时在新技术不断完善的情况下，其生产能力也更加吸引人，更具有经济效力。

参考文献

[1]王爱群.利用富氧技术提高硫回收装置的处理能力和效率[J].硫酸工业,2016,04:46-52.

[2]张路.克劳斯硫回收工艺技术改造[J].化工生产与技术,2017,05:59-60+10.