硫磺回收单元低气量投产的挑战及应对措施

楼海龙，王方昊，牛志刚，谢小波，孙 冰

（中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司，天津 300452）

0 引言

某油田天然气处理厂（以下简称NGP）硫磺回收单元于2016年机械完工，由于气源不足、销路不畅等原因未能进行调试投产。计划2019年下半年进行调试作业，目前面临的主要问题为酸气量不足，需要在低负荷工况运行。硫磺回收装置处理负荷受上游装置的处理量、下游用气需求量以及全厂的工艺流程调整等诸多因素的影响。当产生的酸性气量或酸性气浓度不能满足硫磺回收装置的最小处理负荷时，会对装置的正常生产造成严重影响。本文结合NGP实际生产情况，参考李菁菁、陈赓良、夏晓涛等［1－3］关于硫磺回收常见的故障分析，从工艺、设备、安全管理等方面对硫磺回收装置在低负荷条件下运行产生的影响进行深入分析，针对关键设备损坏、催化剂“中毒”、人员伤害和管线腐蚀的潜在风险，以“论证设备性能”、“关键仪表适应性改造”作为调试投产的先决条件，确保本质工艺安全；以“加强设备维护”、“优化催化剂填装”、“酸气稳定控制”和“完善应急预案”作为调试投产的重点工作，完善调试投产方案，强化人员安全意识，最终达到硫磺回收单元平稳开车运行的目的。

1 装置简介

某油田天然气处理厂主要由接收单元、增压单元、脱硫单元、硫磺回收单元、甜气分配单元及公用系统组成，由上游脱气站输送至NGP的原料气经脱酸单元使用MDEA法进行脱硫脱碳，脱除的酸气进入硫磺回收单元进行制硫工艺，采用克劳斯制硫法进行硫磺回收，使用酸气分流法进行酸气流量控制。硫磺回收单元流程如图1所示。

图1 －硫磺回收单元流程简图

2 工况介绍及主要存在的问题

根据设计文件，脱酸单元设计处理原料气量为400×104Sm3／d，原料气中H2S含量为1.9%；硫磺回收单元设计处理酸气量9 980 Sm3／h，酸气中H2S含量为39.55%。为减小脱酸单元负荷，降低胺液损失量，目前脱酸单元仅按照下游需求量处理相应的原料气，多余气量在脱酸单元前端进行部分放空。结合2019年上半年NGP生产情况，接收原料气量、处理原料气量、酸气量及其相应的设计负荷比如表1所示。其中，负荷比以H2S实际含量与设计含量的比值为计算依据。

表1 2019年上半年工况负荷核算表

硫磺回收单元设计产硫量为113 t／d，操作弹性为45%～105%。由表可知，目前硫磺回收单元进行调试投产存在的主要问题为酸气量低，仅达到设计负荷的9.17%～34.43%，低于操作弹性的下限45%。因此，需评估当前气量下进行低负荷运行对人员、设备、操作安全性的影响并提出应对措施。

3 低负荷运行主要影响

3.1 对设备的影响

（1）可能损坏罗茨鼓风机。当上游送至主燃烧炉的酸性气量处于最小设计负荷以下时，为保证主燃烧炉内的H2S按比例燃烧，需关小鼓风机入口阀门减少进炉风量。如果操作不当可导致轴承温度高，震动大，鼓风机喘振，损坏设备。

（2）可能对主燃烧器的火嘴造成损坏，导致堵塞。由于进入主反应器中被加热的过程气量在低负荷时较小，酸气流量和压力也随之减少，导致酸气和空气不能在燃烧器设计的范围内混合燃烧，易造成燃料气在炉子火嘴内烧结堵塞火嘴，从而影响火嘴长周期正常运行。

（3）由于实际投产气量远低于设计气量，自控仪表的量程、调节能力有限，容易出现误差、超量程等现象，其中较为关键的是配风燃烧系统。酸气和助燃空气的调节精度要求较高，单个仪表误差可能导致整个配风燃烧系统的紊乱，同时，调节类阀门长期处于低限位将降低其使用寿命，现场噪声明显尖锐，对操作人员听力造成影响。

（4）液硫管线、酸气预热的热量由酸气燃烧的废热锅炉提供，酸气量低将无法产生足够的伴热蒸汽，易出现酸气温度低进而影响燃烧效果、液硫管线温度低凝结堵塞等现象，尤其是液硫封堵塞后清理难度较大。

3.2 对催化反应效果的影响

酸气量过低导致的配风不均可能导致燃烧器内硫化氢的过氧燃烧现象，在克劳斯反应器内产生“漏氧”。微量O2能破坏Al2O3表面的活性中心，O2同化学吸附的SO2反应生成亚硫酸盐，然后与Al2O3反应生成稳定的硫酸铝，使催化剂活性急速下降，最终导致克劳斯硫回收催化剂硫酸盐化而失活。尽管当前工艺采用了防漏氧的钛基催化剂和铝基催化剂组合使用的方式，硫化氢燃烧不完全导致的硫沉积和积碳等化学反应和化学吸附、杂质沉淀降低催化剂比表面积等问题仍可能造成催化剂的大量失活。

3.3 对操作人员的影响

低负荷运行过程中，个别自动控制阀不能及时作出调整，易对产品质量造成影响。如旁通配风量等高低点连锁，需全程由人工手动监控各关键参数，对操作人员的要求将大大提高，不能实现SIS系统的自动控制和保护功能，增加了工作负担。尤其是面对突发事故时，无联锁触发，关断及放空阀不能动作并快速切除危险源，有可能对操作人员生命构成威胁。

3.4 对管线防腐的影响

过程气管线材质为ASTM A106 GR.B，压力等级150 lb，为普通碳钢。低负荷工况下，易出现酸气反应不完全，进入硫冷器的过程气温度较低，夹带的水分易冷凝沉淀，产生SO2的水溶液沉积于设备／管线低点。在三级硫冷器阶段，产硫量较低，亚硫酸易发生氧化反应生成硫酸，严重威胁管线防腐安全。

4 主要应对措施

4.1 论证设备性能，采取预防性措施

在低负荷工况下，制硫炉燃烧器和焚烧炉燃烧器的调节性能需要论证。根据主燃烧器厂家经验，主燃烧器的调节精度为最大工况（设计工况的120%）的10%，即12%工况是可以正常运行的。焚烧炉燃烧器调节比为10∶1。在低负荷运行过程中，应加大对炉子火嘴的保护力度，开大对火嘴的保护风量，防止火嘴烧结，避免意外停工事件发生。并应加强设备巡检和维护，重点关注鼓风机的振动情况并进行测定和记录。为防止硫磺回收装置中鼓风机喘振现象出现，从其性能曲线特性出发，采用机组控制系统并通过一系列的功能块实现安全可靠的防喘振控制［5］。制硫炉炉膛温度一般应控制在1 000～1 300℃范围内。当温度低于900℃时，火焰容易不稳定，且硫磺回收率低。在原设计工况下，应考虑伴烧适量燃料气，以保证炉膛温度在适当范围内。开始进酸性气切换时，燃料气应保证适量开度，不应完全关闭，根据操作经验，伴烧气的量应控制在酸气量的7%以下。同时，应通入对应比例的蒸汽，避免出现积碳。

4.2 催化剂的装填与应用

克劳斯制硫炉的催化剂床层短期温度不应超过400℃，正常操作不应超过360℃，床层温度不应低于硫露点温度，并考虑一定余量。上游酸气分流比例影响一级反应器转化量，进而影响层温，需严格控制上游分流比例。催化剂的填装应在煮炉、烘炉完成后进行填装。根据设计文件，此硫磺回收工艺使用铝基和钛基两种催化剂。其中的钛基催化剂具有脱漏氧保护功能，可以保护或减轻铝基催化剂受工艺过程气存在多余氧气而产生的硫酸盐化侵害，故应考虑催化剂的填装时将钛基催化剂置于上层，同时在催化剂层床最上层铺设磁球，用以吸收积碳［6－7］。催化剂在填装前应进行取样检测，保证催化剂活性有效。

4.3 关键仪表适应性改造

针对硫磺回收单元仪表适应能力，根据硫磺装置特点和关键影响因素，以15%～50%的设计工况为模拟投产工况，进行低负荷运行调试投产的模拟，进行脱酸单元的酸气、空气、燃料气、中压水、蒸汽等介质的流量计、流量调节阀、流量变送器的量程和调节性能逐一核算，按需调整。经过核算，为满足最低工况要求，部分流量计如中压蒸汽出口流量计无需调整。变送器基本无需更换，调整量程即可。需要进行整体或部分更换的仪表主要包括两个燃烧器的配风流量计、酸气流量计和调节阀等7个改造点，改造原因为现有设备量程过大，不能满足酸气分流比例和精准配风的要求。具体改造点如表2所示。

表2 主要改造仪表设备

上述改造是基于仪表人员结合目前工况进行整体核算后得出，基于上述改造，仍需仪表专业人员核查I／O list，对于不适用的连锁值进行调整，避免出现频繁触发连锁或旁通连锁由人工监控进而降低控制系统安全性的情况出现。在后期硫磺回收单元的实际负荷逐渐提升至设计负荷的50%以上后，应考虑将改造进行复原，保持调节有效。

4.4 酸气稳定控制

酸气气源的稳定控制是硫磺回收单元能否稳定运行的关键因素之一。酸气的流量取决于脱酸单元处理的天然气原料气，硫磺回收单元接收MDEA法脱除的酸气，经过酸气分液罐后直接进入预热器及主燃烧器。当前工况下，下游用户甜气用量不稳定，甜气量在10 000～30 000 Sm3／h范围内波动，导致酸气量在850～2 200 Sm3／h的区间内无规律波动。

为解决酸气波动问题，减少对配风控制和燃烧器的影响，须将酸气量波动控制在较小范围内。对此提出以下几点措施：（1）增加脱酸单元天然气原料气处理量，将脱酸装置前端放空改为后端放空，保持产出的酸气处在最大安全量，并有一定放空备用；（2）控制脱酸单元的胺液流程稳定，避免胺液发泡，尤其关注再生塔压差，避免出现拦液、冲塔等可能导致酸气量波动的情况出现；（3）密切关注酸气分液罐排液与酸气管线的保温效果，避免因携液或进入主反应器的温度过低而影响燃烧效果；（4）应考虑提高单位体积酸气的热值，保证燃烧效率。可通过降低脱酸单元胺液循环量，降低原料气及循环胺液的温度来达到降低CO2的含量，增加酸气中H2S浓度的目的。

4.5 完善应急预案

低负荷投产前，应反复核算各设备性能，进行工况模拟，确保满足各投产条件。针对目前存在的问题，应完善各类应急工况的预防性措施及应急处置措施，针对失电关停响应、硫磺产品不合格、催化剂失活、液流管线堵塞等特殊工况做好分析，准备相应的应急预案［8］。

5 结束语

当前该硫磺回收单元负荷与设计符合出入较大，需进行动态模拟，并核算设备性能，充分考虑低负荷运行可能出现的问题，对存在的硬件问题进行升级改造，以确保调试投产工作顺利开展。通过文中提到的设备性能论证、自控仪表改造、酸气稳定控制和完善应急预案等措施，硫磺回收单元可在12.5%～50%负荷下全流程运行，硫回收率预计在95%左右。当装置负荷提升至大于50%以后，需要装置停工，更换为原有仪表；此外，装置开工前须对酸性气组成进行分析；装置开车及运行过程中，应对原料气、过程气和尾气等进行检测和监控。

除上述因素，硫磺回收单元的低负荷运行的其余风险仍待进一步观测，需在调试投产阶段进行不断监测，逐一排除。