大型硫黄装置液硫池废气回收技术应用分析

天然气集输处理张立胜等：大型硫黄装置液硫池废气回收技术应用分析
大型硫黄装置液硫池废气回收技术应用分析
张立胜曹英斌裴爱霞彭传波
中国石化达州天然气净化有限公司
摘要：按照新标准要求，硫黄回收装置二氧化硫排放浓度应小于400mg/m3，为此选择了克劳斯循环处理技术回收液硫池废气，从而降低装置烟气二氧化硫的排放浓度。

装置新增1台空气加热器，将燃烧空气加热至140℃，降低废气对主燃烧炉温度的影响，避免含硫废气堵塞主燃烧炉风线；新增了联锁系统，在克劳斯系统异常停车工况，废气入主燃烧炉切断阀和中压蒸汽切断阀联锁关闭，以保证系统的本质安全。

测试数据分析表明，克劳斯系统、加氢系统运行稳定，催化剂床层温度、硫比值数据、急冷塔出口气氢含量、急冷水pH值等硫黄单元工艺参数未见异常。

硫黄单元在80%、100%负荷工况下，烟气二氧化硫减排超过100mg/m3，减排幅度达到50%。

关键词：硫黄装置；液硫池；废气回收；二氧化硫；减排
Application Analysis of Exhaust Gas Recovery Technology for Liquid Sulfur Pit of Large Sulfur Unit
ZHANG Lisheng，CAO Yingbin，PEI Aixia，PENG Chuanbo
Dazhou Natural Gas Purification Co.，Ltd.，SINOPEC
Abstract：Since according to the requirements of new standards，the SO
2emission concentration of sulfur recovery device should be less than400mg/m3，the Claus recycling technology is selected to re-cover the exhaust gas of liquid sulfur pit according to the actual situation of factory，so as to decrease the fuel gas SO2emission concentration of the device.A air heater is added to heat combustion air to 140℃and reduce the influence of exhaust gas on the temperature of main combustion furnace，so as to avoid the wind line of the main combustion furnace being blocked by sulfur-containing exhaust gas.
By adding an interlock system，under the abnormal shutdown condition of the Claus system，the cut-off valve of exhaust gas entering the main furnace and medium pressure steam cut-off valve are closed to ensure the intrinsic safety of the Claus system.According to the test data，it is found that the Claus sys-tem and hydrogenation system operate steadily，and the process parameters of sulfur unit such as cata-lyst bed temperature，sulfur ratio data，hydrogen content of quench tower outlet gas and pH value of quench water are not abnormal.With80%and100%load conditions of sulfur unit，the sulfur dioxide emission reduction in flue gas exceeds100mg/m3，and the range of emission reduction reaches50%.
Keywords：sulfur unit；liquid sulfur pit；exhaust gas recovery；sulfur dioxide；emission reduction
普光天然气净化厂单列硫黄装置设计硫黄产量20×104t/a，最高产量可达26×104t/a，操作弹性30%~130%，采用两级常规克劳斯硫黄回收和SCOT低温加氢还原吸收工艺进行酸气中硫元素回收[1]。

两级常规Claus硫黄回收装置硫回收率可达95%，增设低温SCOT尾气处理装置后，硫回收率可达到99.8%，排放烟气中二氧化硫浓度满足GB16297—1996《大气污染物综合排放标准》。

每列装置建设1座混凝土结构液硫池，长23.8m，宽7m，深3.8m。

采用循环喷射脱气工艺和空气鼓泡工艺对液硫进行脱气，保证液硫产品质量合格[2]。

采用低压蒸汽抽射器将液硫池废气引入尾气焚烧炉，对烟气二氧化硫浓度贡献值约100~ 150mg/m3。

废气组成包括氮气（76.86%）、氧气（20.37%）、硫化氢（0.65%）、硫蒸气（0.03%）、水蒸气（2.09%），废气量约1287m3/h（0℃、1个
DOI:10.3969/j.issn.1006-6896.2020.02.011
第39卷第02期（2020-02）
天然气集输处理
标准大气压，下同）。

根据GB 31570—2015《石油炼制工业污染物排放标准》的最新要求，硫黄回收装置二氧化硫排放浓度要小于400mg/m 3
，特定地区排放浓度小于100mg/m 3。

由此可见，有效地处理液硫池废气对于降低装置烟气二氧化硫排放浓度具有重要意义[3]。

1液硫池废气回收技术优选
目前，液硫池废气回收技术主要有Claus 循环
处理技术和LS-DeGas 技术[4]
两种。

Claus 循环处理技术以克劳斯压缩空气作为液硫池鼓泡气体，汽提液硫池中溶解的硫化氢，逸散出的废气经动力站增压设施升压后，引入主燃烧炉。

主要技术内容包括：①利用克劳斯燃烧空气对液硫进行鼓泡脱气；②利用蒸汽抽射器将液硫池废气引入主燃烧炉。

优点：①能有效回收处理液硫池废气，降低烟气SO 2排放浓度；②工艺技改简单，无动设备，投资少；③不影响克劳斯系统、尾气处理单元负荷。

缺点：①蒸汽进入主燃烧炉，影响主燃烧炉温度，影响克劳斯系统的硫收率；②含有的大量水蒸气废气与主燃烧炉炉墙接触，可能影响炉子衬里。

LS-DeGas 技术是中国石化集团公司齐鲁研究院的专利技术。

采用增压风机，将尾气吸收塔顶净化气（不含氧）引入液硫池进行鼓泡脱气，产生的废气经蒸汽抽射器引入加氢反应器循环处理。

为保证含硫废气不外溢，液硫池处于微负压状态，空气从液硫池烟囱进入，因此需要加氢催化剂具有一定的抗氧能力。

主要技术内容包括：①增压风机将尾气吸收塔废气引入液硫池，进行鼓泡脱气；②利用蒸汽抽射器将液硫池废气引入加氢反应器；③加氢催化剂全部更换为抗氧型催化剂。

优点：能有效回收处理液硫池废气，降低烟气二氧化硫排放浓度。

缺点：①需对装置加氢催化剂进行整体更换，整台催化剂采购费用约500万元；②尾气吸收塔废气含有少量硫化氢，鼓泡脱气效果不及空气；③尾气处理单元操作负荷增加；④液硫池废气含氧量无法准确控制，影响加氢单元操作。

普光天然气净化厂装置规模大、加氢催化剂装填数量多，中低压蒸汽量充足，以及结合克劳斯燃烧空气液硫脱气工艺优点，采用Claus 循环处理技术选择1列装置进行先导性试验[5]。

2
装置改造
2.1
工艺改造
采用低压蒸汽夹套管线将液硫池废气引入主燃
烧炉风线上，沿途阀门设计为夹套阀，转弯处设置十字头便于检查清理管线。

为降低液硫池废气对主燃烧炉衬里的影响，液硫池废气不直接接触炉墙，而是将废气引入主燃烧炉风线，作为燃烧空气的一部分。

新增1台空气加热器，将燃烧空气温度从90℃加热至140℃。

一是防止含硫废气硫蒸汽凝固堵塞主燃烧炉风线；二是防止含有大量水蒸气的废气降低主燃烧炉温度，影响主燃烧炉的硫收率。

工艺改造流程如图1
所示。

图1液硫池废气入主燃烧炉工艺改造流程
Fig.1Process modification flow of introducing exhaust gas from
the liquid sulphur pit into the main furnace
2.2联锁变更
为保证装置本质安全，新增3台联锁阀，它们
是中压蒸汽切断阀、废气入主燃烧炉切断阀和废气入尾气焚烧炉切断阀。

当主燃烧炉异常停车时，为防止含氧废气进入克劳斯系统，引起设备、催化剂床层超温，中压蒸汽切断阀、废气入主燃烧炉切断阀立即关闭，同时打开废气入尾气焚烧炉阀门。

当液硫池着火，废气温度异常上涨，中压蒸汽切断阀、废气入主燃烧炉切断阀立即关闭，现场手动采用低压蒸汽对液硫池进行灭火。

联锁逻辑关系如表1所示。

3
效果测试
3.1
测试方法
装置平稳运行，工艺运行参数控制在工艺卡片
范围内。

调整液硫池空气鼓泡风量，保证液硫产品硫化氢质量分数低于0.0015%[6]。

克劳斯系统80%、100%负荷工况下，对比分析
天然气集输处理
张立胜等：大型硫黄装置液硫池废气回收技术应用分析
液硫池废气分别切入主燃烧炉和尾气焚烧炉的烟气二氧化硫排放浓度。

同时考查新建管线、设备运行效果和新增中低压蒸汽消耗情况。

3.2测试数据分析
3.2.1
80%负荷工况减排效果
克劳斯系统80%负荷运行，液硫池循环喷射工艺投运，液硫池空气鼓泡正常投运。

2019年5月3日上午10:56，将液硫池废气由主燃烧炉切入尾气焚烧炉，烟气二氧化硫浓度由140mg/m 3上涨至330mg/m 3，随后稳定在240mg/m 3；下午16:00时再将废气由尾气焚烧炉切入主燃烧炉，烟气二氧化硫浓度由200mg/m 3降至85mg/m 3。

烟气二氧化硫变
化趋势如图2所示。

图280%负荷工况下烟气二氧化硫浓度变化趋势
Fig.2Trend of sulfur dioxide concentration in flue gas under
80%load working condition
采用大数据分析手段，每分钟录取一个烟气二氧化硫浓度排放数据，液硫池废气切入主燃烧炉运行，烟气二氧化硫平均值为115mg/m 3（5月3日0:00—10:56和16:00—23:59），废气切入尾气焚烧炉运行，烟气二氧化硫平均值为242mg/m 3
（5月3日10:56—16:00），烟气二氧化硫减排量达到52%。

3.2.2
100%负荷工况减排效果
克劳斯系统100%负荷运行，液硫池循环喷射工艺投运，液硫池空气鼓泡正常投运。

2019年5月8日上午10:30，将液硫池废气由主燃烧炉切入尾气焚烧炉，烟气二氧化硫平均浓度由116mg/m 3涨至259mg/m 3；下午13:30时，再将废气由尾气焚烧炉切入主燃烧炉，烟气二氧化硫平均值降至
135mg/m 3。

烟气二氧化硫变化趋势如图3所示。

图3100%负荷工况下烟气二氧化硫浓度变化趋势
Fig.3Trend of sulfur dioxide concentration in flue gas under
100%load working condition
同样采用大数据分析手段，每分钟录取一个烟气二氧化硫排放浓度数据，液硫池废气切入主燃烧炉运行烟气二氧化硫平均值为103mg/m 3（5月8日0:00—10:29和15:32—23:59），废气切入尾气焚烧炉运行，烟气二氧化硫平均值为219mg/m 3（5月8日10:30—15:31），烟气二氧化硫减排量达到53%。

硫黄装置烟气二氧化硫浓度主要与尾气吸收塔顶气总硫含量、液硫池废气总硫含量、燃料气总硫含量和其他入尾气焚烧炉含硫气体总硫含量相关。

通过切除、投运液硫池废气入尾气焚烧炉流程，其
他工艺控制参数保持不变，能够客观反应减排效果。

测试期间100%负荷工况下，烟气二氧化硫浓度波动较大，主要与克劳斯系统配风波动有关[7]。

80%负荷工况烟气二氧化硫浓度高于100%负荷工况，主要与尾气吸收塔胺液温度相关[8]。

胺液温度越低，尾气吸收塔顶气总硫含量越低，烟气二氧化硫排放浓度越低。

3.2.3
新增中低压蒸汽消耗
采用中压蒸汽抽射器将液硫池废气引入主燃烧炉。

测试期间，为保证液硫池废气全部抽射至主燃烧炉，液硫池烟囱不外冒废气，消耗中压蒸汽1.1~1.2t/h。

废气切入尾气焚烧炉，中压蒸汽消耗量降至0.58~0.64t/h。

采用低压蒸汽将克劳斯燃烧空气加热至140℃，避免废汽中硫蒸汽凝固堵塞主燃烧炉头入口管线，降低主燃烧炉温度，测试期间低压蒸汽消耗量为0.7~0.9t/h。

表1
液硫池废气入主燃烧炉工艺联锁关系
Tab.1Logic diagram of process Interlocking of waste gas from liquid sulphur pit introducing into claus furnace
仪表位号FI-30414FC-30413
TI-31206工艺条件酸性气流量低低燃烧空气流量低低
液硫池废气温度高高
触发仪表动作
中压蒸汽切断阀XV-31202
关闭关闭关闭
废气入主燃烧炉切断阀XV-31203
关闭关闭关闭
废气入尾气焚烧炉切断阀XV-31204
打开打开关闭
第39卷第02期（2020-02）
天然气集输处理
3.2.4废气对克劳斯系统和加氢系统的影响由硫化氢转化为硫的平衡示意图（图4）可
知，主燃烧炉内，即火焰反应区，平衡转化率随温度同步升高，硫蒸汽绝大部分以S 2、S 6、S 8三种形态出现。

图4中①为西方研究与发展公司1973年发表数据中全部S 形态；②为西方研究与发展公司1973年数据中只有S 2、S 6和S 8的形态；③为Gam Son 等1953年的数据，只有S 2、S 6和S 8
形态。

图4硫化氢转化为硫的平衡示意图
Fig.4Equilibrium diagram of conversion from hydrogen
sulfide to sulfur
由生成羰基硫和二硫化碳副反应热力学平衡可知，温度越高，过程气有机浓度越低[9]，因此提升主燃烧炉温度，有利于克劳斯系统的总硫收率[10]。

选择将主燃烧炉空气由90℃加热至140℃，废气引入主燃烧炉，100%负荷工况下炉温下降10℃，保持在1050℃左右。

测试过程，克劳斯系统、加氢系统、催化剂床层温度、硫比值分析数据、急冷塔出口气氢含量、急冷水pH 值等硫黄单元工艺参数未见异常，烟气二氧化硫排放浓度明显降低。

但是如出现酸性气硫化氢浓度下降，装置处理负荷大幅降低，可能导致主燃烧炉温度进一步降低，影响克劳斯系统硫黄收率，加氢单元处理负荷增加，因此有必要对主燃烧炉燃烧空气进行加热，阻止炉温降低。

4结论
硫黄单元在80%、100%负荷工况下，采用中
压蒸汽抽射器，将液硫池废气全部引入主燃烧炉，
烟气二氧化硫减排超过100mg/m 3，减排幅度大于50%。

采用空气加热器对主燃烧炉燃烧空气加热，避免含硫废气堵塞主燃烧炉风线，提升了主燃烧炉炉膛温度。

新增主燃烧炉异常停车联锁逻辑，及时关闭液硫池废气入主燃烧炉流程，保证装置本质安全。

该技术在大型硫黄装置中具有推广利用价值。

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（下转第91页）
第39卷第02期（2020-02）
完整性管理
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作者简介
朱原原：工程师，硕士，2012年毕业于东北石油大学油气田化工工程专业，从事油田防腐研究工作，187********，zhu_yuan20@，新疆乌鲁木齐新市区长春南路466号，830011。

收稿日期
2019-12-06
（编辑
关梅君）
（上接第53页）
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Press，2007：8-9．
作者简介
张立胜：高级工程师，硕士，2007年毕业于西安交通大学动力工程及工程热物理专业，从事天然气净化工艺技术、节能、质量、标准化管理工作，187********，pcbo321@，四川省达州市宣汉县土主镇生产管理中心413室，636156。

收稿日期
2019-12-04
（编辑
李艳秋）。