硫回收富氧燃烧及提升主燃烧炉温度方法研究

2020-06-29周明宇曹文浩王向林沈荣华汤国军

天然气与石油 2020年3期

关键词：富氧克劳斯旋流

周明宇曹文浩王向林沈荣华兰林汤国军闵刚

1. 中国石油工程建设有限公司西南分公司, 四川成都 610041;2. 中国石油西南油气田公司重庆天然气净化总厂, 重庆 401147

0 前言

大部分原油和原料天然气中都含硫,在石油化工天然气加工过程中由于产品脱硫工序会产生含H2S气体(称为酸气),毒性很大,对人类的生存与环境危害甚大。因此,酸气必须经过处理后才能排放。工业上通常采用克劳斯工艺方法回收酸气中的元素硫[1-10]。

当酸气中H2S浓度较高且潜硫量较大时,常采用常规克劳斯加还原吸收法尾气处理工艺路线,这是一条成熟可靠的工艺路线,投资也相对合理。但该工艺路线存在以下问题。

1)常规克劳斯硫回收装置主燃烧炉供风用普通空气,大量N2进入系统,增加了过程气量,稀释了过程气中反应物浓度,导致装置效率降低;为保证能够满足生产操作的需求,必须考虑足够大的设备、管道尺寸,增加了装置的设备投资[11]。

2)当需要处理低H2S浓度酸气时,主燃烧炉温度随之降低,只有通过酸气分流来提高炉温,但这影响了装置运行效率,若H2S浓度进一步降低,将影响酸气在主燃烧炉中燃烧的稳定性,导致装置无法稳定运行[12]。

为此,20世纪80年代开发了以富氧空气作为H2S氧化剂的富氧克劳斯工艺[13],提高装置效率,扩大装置处理能力,进一步提升了对低H2S浓度酸气的适应性[14-15]。

由于较低的富氧程度可在较少的投入下获得较多的收益,因此目前富氧克劳斯硫回收装置大多在较低的富氧程度下运行[16]。为了提高石油天然气化工过程中酸气回收硫的回收率,在克劳斯硫回收工艺中,采用高浓度富氧或纯氧技术,进一步减少过程气量,提升转化效率,缩小设备尺寸。为了提升富氧/纯氧燃烧克劳斯工艺在实际工程应用中的稳定性和可靠性,需要进一步深入开展试验研究。

1 富氧燃烧工艺路线研究

富氧燃烧是用比通常空气(含氧21%)含氧浓度高的富氧空气进行燃烧的统称。富氧燃烧的形式大致可分为:微富氧燃烧、富氧燃烧、纯氧燃烧[17]。不同形式富氧燃烧的区别主要在于富氧空气中的氧浓度不同,而在特定的克劳斯硫回收装置中,随着主燃烧炉燃烧器供风中氧浓度的不同,总的供风量也不同。

根据燃烧经典理论,燃烧器燃烧室的设计主要基于“3 T”原则进行,即烟气停留时间(Time)、反应温度(Temperature)、絮流混合程度(Turbulance mixing)[18]。“3 T”原则提及在有限的停留时间和高温空间中，气体混合程度的好坏主要取决于气体的湍流效果,并提出强化燃烧过程的途径包括以下三项。

1)改善气流相遇条件,即将燃气与空气分成细流,增大两股气流的接触面,使两股气流有一定的速度差,并成一定的交角相遇,从而增加气流扰动。

2)加强紊流,燃气与空气构成撞击混合,强化混合过程。

3)采用旋流气流混合过程及化学反应过程。旋流有两个作用,一是增加了气流的紊流,强化了混合过程;二是旋流中心的回流区使大量烟气回流与燃气混合物相混,加强了混合效果,提高了反应区温度,强化了化学反应过程。

基于以上理论分析可知,即便是富氧燃烧,为了强化燃烧过程,仍然需要坚持“3 T”原则,且尽可能使气体以旋流的方式进入燃烧器内部。但是从燃烧器结构上分析,不能同时对富氧空气和酸气两种介质同时进行旋流。因此,只能选择一种气体介质(富氧空气或酸气)进行旋流。当采用富氧燃烧或纯氧燃烧时,建议选择酸气进行旋流,见图1。借助富氧燃烧试验平台开展了现场试验,通过试验结果证明,采用该种工艺路线可以保证酸气火焰稳定燃烧。

图1 富氧燃烧进气工艺路线示意图Fig.1 Process flow diagram of oxygen enriched combustion air intake

2 富氧浓度对提升主燃烧炉温度的影响

本文通过富氧燃烧试验平台开展了现场试验,通过系统试验研究了不同富氧浓度对于提升主燃烧炉温度的影响,结果见表1。通过不同富氧浓度的空气(甚至纯氧)与不同浓度H2S组合成11种工况,开展富氧燃烧试验;观察了每种工况火焰燃烧的稳定性,测试了每种工况的燃烧温度。

表1 富氧燃烧试验工况及温度测试结果表

Tab.1 Working condition and temperature test results of oxygen enriched combustion test

工况xH2S/(%)xO2/(%)主燃烧炉实测温度/℃1402194425021982360211 06143035950540351 0676304595873060995830801 0419301001 0561030309431128100958

在30% H2S浓度下,测试了不同富氧浓度空气燃烧时的主燃烧炉温度,并做成了变化趋势的曲线,见图2。同时通过试验平台设置的炉尾部中心观察视镜对其燃烧情况进行了观察,见图3。

图2 不同富氧浓度对主燃烧炉温度的影响(H2S浓度为30%)Fig.2 Effect of different oxygen enriched concentrations on temperature of main combustion furnace(H2S concentration is 30%)

图3 不同富氧浓度下主燃烧炉燃烧情况(H2S浓度为30%)Fig.3 Combustion situation of main combustion furnace under different oxygen enrichment concentrations(H2S concentration is 30%)

从图2可以看出,随着富氧浓度的提高,主燃烧炉温度显著提高,证明提高富氧浓度对提升克劳斯硫回收装置主燃烧炉温度产生有利影响,特别在低浓度H2S酸气工况,能够显著提高酸气火焰燃烧温度。在30% H2S浓度下,不同富氧浓度工况下主燃烧炉酸气燃烧情况见图3,可以看出,即便在较低H2S浓度下,采用富氧空气进行燃烧,仍能够有效维持燃烧稳定性。

从图2和图3的结果看,富氧燃烧对于处理低H2S浓度酸气的克劳斯硫回收装置平稳、高效运行有着积极的作用。

3 其它提升主燃烧炉温度方法的对比

在克劳斯硫回收工艺中能够有效提升主燃烧炉温度的方法,除提高供风空气中氧气浓度之外,还有酸气分流、酸气预热、空气(或富氧空气)预热等方法。但后三种方法中,由于酸气分流中部分H2S没有经过主燃烧炉高温克劳斯反应,会影响整个硫回收装置的反应效率,特别是在酸气中含NH3、重烃等有害杂质时[19-23],要慎用酸气分流这种方法。

按酸气H2S浓度20%,100%纯氧为基准,通过软件模拟计算了四种方法对提升主燃烧炉温度的影响,分别为酸气分流40%、同时预热酸气和富氧空气至220 ℃、预热酸气至220 ℃、预热富氧空气至220 ℃。从图4的对比分析中可以看出,较其它三种方法,酸气分流对提高主燃烧炉温度的效果更为显著,同时预热酸气和富氧空气的效果又比单独预热一股气体的效果好。