80 kt/a硫磺回收装置采用富氧工艺的可行性探讨①

初尔军　王吉云

大连西太平洋石油化工有限公司

80 kt/a硫磺回收装置采用富氧工艺的可行性探讨①

初尔军王吉云

大连西太平洋石油化工有限公司

摘要简要阐述了空分装置在正常运行过程中释放富氧空气的主要参数及80 kt/a硫磺回收装置相关设计数据。通过对工艺过程中主要物料平衡进行计算分析，讨论了空分装置释放富氧空气用于80 kt/a硫磺回收装置的可行性。

关键词硫磺回收富氧空分装置计算分析可行性

目前，硫磺回收装置普遍采用烧氨技术，如再采用富氧工艺，可以提高主燃烧炉内温度，有利于处理H2S含量较低的贫酸性气和含氨酸性气，并使氨组分得到彻底烧除。采用富氧工艺，由于减少进入系统的惰性气体量，可以提高装置处理能力，因而更适用于现有装置为提高处理量进行的改造扩能。另外，锆刚玉莫来石耐火材料(其最高使用温度可达1 600 ℃)在制硫主燃烧炉耐火衬里上的应用[1]，为富氧工艺技术的推广提供了有利的条件。

大连西太平洋石油化工有限公司建有2套硫磺回收装置，1套生产规模为100 kt/a，采用中温掺合再热技术处理清洁酸性气；另1套生产规模为80 kt/a，采用蒸汽加热器再热技术处理含氨酸性气。两套装置制硫主燃烧炉耐火衬里均采用锆刚玉莫来石耐火材料。由于富氧工艺可以提高主燃烧炉温度，使得含氨酸性气中氨组分更易烧除，因此，就两套装置的工艺特点而言，80 kt/a装置更适合采用富氧工艺。

当前空分装置分离氮气后释放富氧空气(以下简称“富氧”)，正常负荷下流量为6 000 m3/h(20 ℃，101.325 kPa，下同)，O2体积分数38%，压力5~20 kPa，温度14~15 ℃。通过以下分析讨论空分装置释放富氧用于80 kt/a硫磺回收装置的可行性。

1工艺设计数据的收集与计算

1.1硫磺回收装置工艺设计数据

80 kt/a硫磺回收装置设计年产硫磺80 kt，操作弹性范围为30%~110%，主燃烧炉有效容积60 m3。其工艺过程可分为硫磺回收、尾气处理和尾气焚烧3个单元。硫磺回收单元主燃烧炉采用带旁路的工艺流程，如图1所示。将体积分数为10%~30%的清洁酸性气引至主燃烧炉中部以调节炉膛前部温度，剩余的清洁酸性气和含氨酸性气混合后进入强混烧嘴中充分燃烧，炉膛前部温度通过分流至中部的清洁酸性气流量进行调节[2](正常时温度可达到1 350 ℃以上)。尾气处理单元采用SSR工艺技术[3]。

由于现有装置改用富氧技术，主要核算制硫主燃烧炉部分工艺参数是否能满足改造要求，而其后续系统影响不大。因此，对于硫磺回收单元反应器部分、尾气处理单元和尾气焚烧单元，在此不做讨论。

装置在100%负荷下，进入主燃烧炉空气及主燃烧炉内过程气的设计数据列于表1。

1.2空分装置正常运行数据

空分装置目前能在正常负荷条件下非连续性释放6 000 m3/h、压力5~20 kPa、温度14~15 ℃、O2体积分数为38%的富氧。计算出富氧数据列于表1。

表1 采用富氧工艺前后的计算结果比较Table1 Comparisonofcalculationresultsbeforeandafterusingoxygen-enrichmentprocess项目不采用富氧进入主燃烧炉空气不采用富氧主燃烧炉内过程气空分装置释放富氧采用富氧补充空气采用富氧主燃烧炉内过程气项目不采用富氧进入主燃烧炉空气不采用富氧主燃烧炉内过程气空分装置释放富氧采用富氧补充空气采用富氧主燃烧炉内过程气温度/℃65138614~15①651400压力/MPa0.0580.0490.005~0.02①0.0580.049质量流量/(kg·h-1)3047345225792316323(39003)摩尔流量/(kmol·h-1)H218.36918.369②Ar9.7749.7744.5395.2359.774O2219.192101.786117.406N2817.150855.921157.257437.694633.722CO1.4671.467②CO20.34517.3240.1600.18517.324H2S64.66064.660COS0.9760.976SO235.81635.816CS22.9972.997H2O8.861447.5394.1154.746447.539NH3Sx111.597111.597合计1055.3211566.440267.857565.2671344.241φ(O2)/%20.77038.00020.770平均分子质量28.87628.87129.57928.87629.015 注:①空分装置释放出富氧的工艺条件。②H2和CO含量可能存在变化,但变化不大,且对计算数值的影响很小,此处为简化计算视为不变。

2采用富氧工艺的可行性讨论

2.1工艺数据计算

以设计加工负荷100%为依据，计算采用富氧工艺后的各工艺数据。

2.1.1采用富氧后补充空气工艺数据

从表1可以看出，在处理的清洁酸性气和含氨酸性气组分、总量不变的前提下，若将空分装置富氧完全引入制硫主燃烧炉，为了保证装置的正常生产运行负荷，还需补充一定量的空气，计算需补充的空气及各组分物质的量列于表1。

2.1.2采用富氧后主燃烧炉内过程气工艺数据

在原有加工负荷及物料组分不变的前提下，采用富氧后主燃烧炉内的过程气及各组分物质的量通过计算得到，列于表1。

2.1.3直接用于分析讨论的数据

(1) 通过表1中空分装置释放富氧的总物质的量和补充空气的总物质的量，可计算出两股空气混合后进入主燃烧炉空气中O2的体积分数为26.31%。

(2) 通过表1中不采用富氧时主燃烧炉内的过程气数据计算出主燃烧炉内(1 386 ℃)元素硫Sx的平均分子质量MSx为64.477。

(3) 依据表1中采用富氧时的补充空气数据和MSx结果计算出采用富氧后主燃烧炉内过程气的总质量流量WP2为39 003 kg/ h，平均分子质量MP2为29.015。

(4) 计算标准状况下不采用富氧时主燃烧炉内过程气体积流量V标1为9.747 m3/s，采用富氧后主燃烧炉内过程气体积流量V标2为8.364 m3/s。进而计算得到在主燃烧炉内条件下(1 386 ℃，0.049 MPa)不采用富氧时主燃烧炉内的过程气体积流量VP1为36.572 m3/s。

(5) 主燃烧炉内有效容积为60 m3，利用VP1结果计算不采用富氧时主燃烧炉内的过程气停留时间(也就是原设计停留时间)tP1为1.641 s。

2.2可行性分析

2.2.1制硫主燃烧炉内温度

在保证原有加工负荷及物料组分不变的前提下，采用富氧后主燃烧炉内过程气中的N2减少222.199 kmol，从而减少加热N2所需的热量损耗，主燃烧炉内的温度比不采用富氧时高，图2为采用富氧空气后主燃烧炉的温度变化曲线[2]。

采用富氧后进入主燃烧炉空气中O2体积分数为26.31%，由图2可查得主燃烧炉温度提高了约125 ℃，即采用富氧后主燃烧炉温度能达到1 511 ℃。在生产过程中，可通过调整旁路清洁酸性气的进炉流量调节炉温，使温度调节范围更宽，便于主燃烧炉内的温度控制。

由于主燃烧炉耐火衬里设计最高工作温度为1 450 ℃，为了保护设备，并保证氨的彻底脱除，建议炉温控制在1 400 ℃为宜，以下均按采用富氧后主燃烧炉内的过程气温度为1 400 ℃考虑。

2.2.2过程气在制硫主燃烧炉内停留时间

在原有加工负荷及物料组分不变的前提下，采用富氧后制硫主燃烧炉内过程气温度控制为1 400 ℃，通过计算求出采用富氧后主燃烧炉内过程气体积流量VP2(1 400)为31.684 m3/s，进而得到炉内过程气停留时间tP2(1 400)为1.896 s。

在原有加工负荷以及物料组分不变的情况下，采用富氧后炉内过程气停留时间tP2(1 400)为1.896 s，比不用富氧时主燃烧炉内过程气停留时间1.641 s长0.255 s。停留时间的延长意味着炉内硫回收率增大，烧氨更彻底。

2.2.3加工负荷

提高负荷量的依据主要包括停留时间和热负荷。在此仅讨论保证原有设计停留时间情况下的负荷提高情况。

不采用富氧且处理量负荷为100%时，主燃烧炉内的过程气停留时间为1.641 s，体积流量为36.572 m3/s(1 386 ℃，0.049 MPa)。为了保持主燃烧炉内过程气停留时间为1.641 s，使采用富氧后主燃烧炉内过程气的体积流量也为36.572 m3/s(1 400 ℃，0.049 MPa)，则36.572-31.648=4.924 m3/s即为负荷提高后过程气体积流量的增加值，换算为1 386 ℃，0.049 MPa条件下的数值，则△V1 386=4.883 m3/s。

由此可直接通过主燃烧炉内的过程气体积流量数据计算出采用富氧工艺后在原设计100%加工负荷工况下(指采用富氧后除加工量和主燃烧炉温度外，其余参数均与不采用富氧的原设计加工负荷100%运行时对应的参数相同。下文中“原设计加工负荷110%工况”同此。)生产工业硫磺量W100为90 681 t/a，即原设计加工负荷110%工况下生产工业硫磺量W110为99 749 t/a。

综上所述，采用富氧工艺后，在不对现有装置进行变动的基础上，装置最大生产负荷可提高至124.7%。需要说明的是，上述计算过程中未考虑系统热负荷变化的情况。

2.2.4制硫主燃烧炉内压力

在上述计算过程中，为了便于分析，主燃烧炉内压力仍保持为0.049 MPa。但实际上采用富氧工艺后主燃烧炉内过程气中气态元素硫SX和气态H2O增多，同体积气体如可凝气体组分量较大，经冷却冷凝后体积反而变小。由此，可以断定在原设计加工负荷为100%工况时，采用富氧工艺后制硫主燃烧炉内压力一定小于0.049 MPa。这对于硫磺回收装置而言是有利的，不但能降低能耗，延长运行周期，还有利于提高酸气处理负荷。

2.2.5空分装置释放富氧温度

空分装置释放富氧的温度为14~15 ℃，在冬季此温度高于大气温度。采用空分装置释放富氧后，对装置运行中有利于节省能耗及控制主燃烧炉炉温，但作用不大，故可予以忽略。而在夏季时，此温度略低于大气温度，对装置运行影响微乎其微。因此，采用空分装置释放富氧，其温度并非制约因素。如果采用风机将富氧送至80 kt/a硫磺回收装置，则富氧温度还会有所提高，有利于硫磺回收装置的运行。

2.2.6空分装置释放富氧压力

空分装置释放富氧的压力为5~20 kPa，而80 kt/a硫磺回收装置制硫主燃烧炉内压力为49 kPa，因此，富氧不能直接进入主燃烧炉。由于空分装置距80 kt/a硫磺回收装置较远，富氧管线长约1 000 m，其沿程阻力降过大，势必影响空分装置释放富氧压力，不利于分子筛再生。因此，需在空分装置新建富氧罐(实为缓冲罐)和输送风机，把富氧送至80 kt/a硫磺回收装置，再经主燃烧炉风机提压后进入主燃烧炉。因新建富氧罐和输送风机，从而增加投资及日后的运行费用。但装置采用富氧工艺后最大负荷可提高至124.7%，为大负荷炼制高硫原油创造更为有利的条件。

2.2.7空分装置释放富氧方式

空分装置释放富氧的工艺过程为：分离氮气后富氧进入分子筛床层，再生分子筛并释放出来。由于多套分子筛床层的吸附和再生交替进行，使得释放富氧操作不能连续进行，从而影响了富氧的二次利用。因此，在新建富氧罐时，需采用合理的储存方式(缓冲)和容积解决此问题。

3结 论

通过上述分析可知，空分装置释放富氧可用于80 kt/a硫磺回收装置。同时，可得出以下结论：

(1) 采用富氧工艺后制硫主燃烧炉在原设计100%加工负荷的工况下，主燃烧炉炉温可以提高125 ℃，有利于处理H2S含量较低的贫酸性气和含氨酸性气，并使氨组分能彻底烧除，同时更方便于制硫主燃烧炉炉温的控制。

(2) 采用富氧工艺后在不对原有装置进行改动的情况下，加工负荷可提高至原设计的124.7%。

(3) 采用富氧工艺和不采用富氧工艺两种运行方式结合运用，可使得装置操作弹性范围提高到30%～124.7%，不但能提高装置的适应性，还可为公司原油加工方案提供更大的选择空间。

(4) 由于空分装置释放富氧压力低以及释放的不连续性，对比新增设备所增加的投资和运行费用及其收益情况可知，该方案在经济上可行。

(5) 上述计算未考虑提高加工负荷后热负荷的提高，为此，还需进一步核算制硫主燃烧炉后续设备热负荷是否能满足要求。

(6) 对于100 kt/a硫磺回收装置，若需在不对原装置进行大改动的前提下进行烧氨改造，则采用富氧工艺也可能是较好的备选方案。

参 考 文 献

[1] 许宝元, 邵承宏, 王新军, 等. 锆刚玉莫来石制品在硫磺回收反应炉中的应用[J]. 石油化工设备技术, 2005, 26(1): 1-4.

[2] 王吉云, 温崇荣. 硫磺回收装置烧氨技术特点及存在的问题[J]. 石油与天然气化工, 2008, 37(3): 218-222.

[3] 范西四, 曲思秋. 不断完善走向成熟的“SSR”工艺技术. 硫磺回收技术论文集[C]. 淄博: 硫磺回收技术协作组, 2006.

Application feasibility discussion of using oxygen-enriched process for an 80 kt/a sulfur recovery unit

Chu Erjun, Wang Jiyun

(WestPacificPetrochemicalCo.,Ltd,Dalian116600,China)

Abstract:This paper briefly described the main parameters of releasing oxygen-enriched air based on the air separation unit during the normal operation, as well as relevant design data of an 80×103t/a sulfur recovery unit. Through analyzing and calculating main material balance, the feasibility of using released oxygen-enriched air from the air separation unit for the 80×103t/a sulfur recovery unit was discussed.

Key words:sulfur recovery, oxygen-enriched, air separation unit, computational analysis, feasibility

收稿日期：2014-10-09；编辑：温冬云

中图分类号：TE64

文献标志码：B

DOI:10.3969/j.issn.1007-3426.2015.04.005

作者简介：①初尔军(1967-)，男，辽宁大连人，工程师，现任职于大连西太平洋石油化工有限公司，从事硫磺回收装置技术管理工作。E-mail：chuerjun@wepec.com