天然氣凈化廠LO-CAT 裝置參數優化及調整

何黨聯，崔 虎 ，白文華，迪華寧

（1.西安石油大學，陜西西安 710065；2.中國石油長慶油田分公司第一采氣廠，寧夏銀川 750006）

天然氣凈化廠LO-CAT 裝置是美國MERICHEM公司的氣體產品技術公司（GTP）開發的一種專利技術，LO-CAT 硫化氫氧化是一套液態氧化工藝，在鐵離子催化劑的協助下，將硫化氫轉化為硫元素，從而達到除去氣體中硫化氫的目的。

CNPC 的LO-CAT 裝置是一套自循環系統，設計處理CNPC 胺裝置的酸性氣。在到達LO-CAT 裝置前，將酸性氣壓縮至大約69 kPa。LO-CAT 裝置的最大設計流量為3 400 m3/h，硫化氫含量為2.24 vol%，硫磺產量為2.61 MTPD。CNPC 的LO-CAT 裝置的設計操作下限為1 630 m3/h 酸性氣，含0.84 %硫化氫（470 kg）。CNPC 的LO-CAT 裝置的排放氣包含≤10 g/m3的硫化氫。

1 工藝流程

1.1 常規LO-CAT 工藝

常規LO-CAT 流程簡圖（見圖1）。吸收和氧化（再生）分別在兩個容器內完成。在吸收塔中，酸氣中的H2S 被氧化為單質硫，氧化劑Fe3+被還原為Fe2+；在氧化塔中，來自鼓風機的空氣與溶液接觸再生，Fe2+被氧化為Fe3+，氧化再生后的溶液進入緩沖罐中，用循環泵打入吸收塔中完成溶液循環。含硫溶液經過濾器得到硫餅。由于各種化學藥劑被硫濾餅不斷少量帶走，加之化學藥劑自身降解，為保持其在系統中濃度和pH 值，流程中設置數臺加藥泵。

圖1 LO-CAT 工藝的常規工藝流程

常規LO-CAT 工藝可用于壓力下直接處理含硫天然氣，但由于溶液中Fe3+/Fe2+濃度為（500～1 500）×10-6，硫濃度遠低于胺法，故循環量大，電耗高，當處理含硫氣的壓力超過3 MPa 時是不經濟的。

1.2 自循環LO-CAT 工藝

與常規LO-CAT 工藝相比，吸收和氧化（再生）在一個容器內完成，反應器分5 個大腔室，酸氣和空氣不相混溶，分兩路進入反應器。酸氣進入主反應器的3 個吸收室底部，空氣由鼓風機通入主反應器的2 個氧化室底部。由于吸收室與氧化室溶解氣體量不同造成了不同的溶液密度，溶液靠密度差在反應器內部的擋板和堰板間自行循環運動，正因為如此，該系統稱為自循環LO-CAT 系統。

由于溶液在吸收/氧化器內能夠自循環，省去了高能耗的循環泵，使電耗大大降低。同時，可進一步稀釋溶液，Fe3+/Fe2+濃度可降為500×10-6，以滿足反應動力學的需求，降低化學品消耗。

自循環工藝系在常壓下操作，凈化氣體與再生余氣混合后排至大氣，特別適用于低壓含硫氣的處理，常用來與醇胺法凈化裝置組合，代替Claus 硫回收和尾氣處理裝置。第三凈化廠引進的酸氣處理工藝即為自循環LO-CAT 工藝，用于酸氣處理。

1.3 LO-CAT 工藝的溶劑組成

上述兩種流程的工業生產裝置，均需向系統添加6 種化學品，才能使生產長周期平穩運行。幾種化學品其作用分述如下：

（1）鐵催化劑溶液（ARI-340）：黑紅色液體，作用是把H2S 氧化為單質硫。溶液中濃度需控制在500×10-6左右，需連續添加。

市政府于2010年年底出臺《關于加快推進郊區集約化供水的實施意見》，將郊區集約化供水列入市政府實事項目和重大工程重點推進。截至2013年11月底，上海市陸域部分的集約化供水工作已完成，共關閉郊區中小型水廠150座,取消內河取水口94個，注銷深井取水許可證161個，達到了集中保護水源、優化水廠布局、壓縮地下水開采量、提高供水水質和管理服務水平、改善郊區發展環境等預期效應，受到廣大郊區市民的歡迎。

（2）螯合劑（ARI-350）：亮黃色液體，作用是使鐵離子在溶液中穩定存在，提高鐵離子在溶液中的溶解度，系統需根據鐵離子濃度連續添加。

（3）細菌抑制劑（ARI-400）：淺棕色液體，由于LO-CAT 工藝是在常溫常壓下操作，隨空氣或水帶入的細菌在溶液中會滋生繁殖，甚至影響到溶液的物理化學性質，因此可間斷、少量向系統加入以抑制菌類生長。

（4）表面活性劑（ARI-600）：亮色液體，由于硫顆粒表面有時附著有氣泡和碳氫化合物，為了促進硫的沉降，需要加入表面活性劑，作用是降低表面張力，全面潤濕硫磺顆粒，使硫磺顆粒易于聚集和沉降，需連續添加。

（5）45 %KOH 溶液：作用是維持溶液的pH 值保持在8～9，以利于反應的順利進行，需連續添加。

（6）消泡劑（NalcoEC-9076A）：系統工藝來氣含有有害雜志或ARI-600 添加過多以及溶液降解等均可能導致溶液發泡，此時需添加消泡劑。

2 LO-CAT 裝置運行評價

2.1 裝置的主要操作參數及試運行效果分析

2.1.1 裝置工藝參數方面 第三凈化廠2012 年8～12月LO-CAT 硫回收裝置運行平穩，其相關工藝參數（見表1）。

由表1 可以看出在試運行期間主要工藝參數運行均在設計值范圍內，溶液循環量高于設計值，主要原因8～9 月設備試運行，溶液循環泵進出口閥門全開，溶液循環量在177 m3/h 左右，10～12 月溶液循環量以接近設計值調整，因此實際運行平均值高于設計值。

2.1.2 尾氣H2S 含量分析

圖2 尾氣H2S 含量分析

表1 LO-CAT 硫回收裝置2012 年8～12 月主要工藝參數統計表（平均值）

2.1.3 硫漿液含量及固體硫磺濃度分析 本裝置要求硫磺餅含量大于65 %，硫漿液含量大于5 wt%時啟運真空帶式過濾機組生產硫磺，現場通過調節進料閥開度及帶濾機轉速控制硫磺餅含水量在20 %以內，滿足工藝設計要求。

圖3 硫漿液含量及固體硫磺濃度分析

2.2 結論

LO-CAT 硫回收工藝在第三凈化廠硫磺回收裝置試運行過程中效果較好，尾氣H2S 含量設計小于10 g/m3，實際效果為小于5 g/m3，完全滿足國家環保要求，低污染排放；酸氣中硫轉化率達99.99 %，產品硫磺設計含水量為35 %，實際小于20 %，硫磺產品質量達到GB2449-92《工業硫磺及其試驗方法》中規定的優等品的標準；各項化驗參數均達到設計要求；且該工藝流程簡單，員工操作方便，裝置運行平穩。

3 LO-CAT 裝置運行存在的問題及參數優化及調整

第三凈化廠LO-CAT 裝置自2012 年8 月正式投運后，截止2013 年底，在裝置的運行期間，出現了產品硫磺含水率高、產品硫磺顏色發黑、反應器錐體及硫漿泵易堵塞、硫漿液中硫磺懸浮，不易沉降等異常現象。

根據硫磺回收裝置存在的問題，結合目前裝置運行的參數，可以發現出現產品硫磺含水率高等異常現象的原因是由于加藥參數未及時調整導致的。裝置在初步運行時，加藥參數按照LO-CAT 裝置設計加藥量進行添加，通過一段時間的加藥發現裝置運行時，硫漿液易發泡，尾氣水封罐內高報頻繁報警，硫磺成粉末狀。根據現場數據發現，未進入冬季之前，第三凈化廠酸氣量為1 800 m3/h～2 000 m3/h，硫化氫含量為15 000 mg/m3～20 000 mg/m3，而加藥量按照設計值加藥時，部分藥品添加量大導致了裝置運行不穩定，如溶液pH 較高或表面活性劑（ARI-600）添加過量會導致吸收/氧化反應器內溶液發泡。

表2 第三凈化廠硫磺回收裝置藥品添加速率對照表

結合目前裝置存在的問題，根據MERICHEM 公司給予的操作手冊，第三凈化廠制定出結合本廠實際的藥品添加量（見表2）。

根據表2 可以看出，硫磺回收裝置在不同的酸氣量和不同的酸氣中H2S 含量的情況下，藥品的添加速率也就不同，根據表2，可以初步得出藥品添加速率。但是，由于裝置酸氣中的H2S 含量是在不斷變化的（見表3）。

表3 硫磺回收酸氣相關統計數據表

由于酸氣中的H2S 含量不斷發生變化，初步的加藥只能滿足基本的條件，而具體的調整要根據裝置現場運行時的情況進行調整。

3.1 尾氣H2S 超標

若酸氣量及H2S 含量在設計范圍內，尾氣H2S 含量超過設計值（大于10 g/m3），應將KOH、ARI-340（鐵離子催化劑）、ARI-350（螯合劑）的添加量按照目前的添加量上浮10 %，保證反應器內催化劑充足、氧化還原反應完全，溶液不會發泡。

3.2 產品硫磺含水量高

產品硫磺含水量高主要原因在于真空帶式過濾機是否正常運轉，次要原因在于藥品添加，應將ARI-350（螯合劑）的添加量按照目前的添加量下降20 %，將ARI-600（表面活性劑）的添加量按照目前添加量上浮10 %，即保證產品硫磺含水量達到設計值，還要確認溶液不會發泡。

3.3 硫磺漂浮于吸收/氧化室反應液上

硫磺漂浮于吸收/氧化室反應液上會導致吸收/氧化室內硫磺沉積，從而使得吸收/氧化室椎體堵塞，硫磺回收裝置無法運行。要判斷吸收/氧化室內的硫磺是否懸浮，需要從吸收/氧化室人孔旁取樣進行分析，觀察硫漿液形態，若硫磺懸浮、沉降困難，應將將ARI-600（表面活性劑）的添加量按照目前添加量上浮30 %，保證反應器中生成的硫磺及時沉降。

3.4 產品硫磺顏色不正常

正常產品硫磺顏色是亮黃色，氧化還原電勢過低會生出過量的硫化亞鐵，原因是由于空氣量不足，導致溶液氧化效果不好，其次是由于藥品添加不足。若產品硫磺顏色發黑，則需要增加反映鼓風機的流量，其次將ARI-340（鐵離子催化劑）、ARI-350（螯合劑）的添加量按照目前的添加量上浮50 %，待顏色正常后，將加藥量恢復到正常。

4 結論

LO-CAT 裝置具有操作彈性好、脫硫效率高、自動化程度高、催化劑安全性高，最主要的是處理后尾氣含硫量低，能滿足日益嚴格的環保要求，適用于靖邊氣田凈化廠酸氣處理的需求。針對LO-CAT 裝置存在的問題，現場經過對裝置參數的優化及調整，不僅使得裝置正常運行，而且在降低成本方面做出了貢獻。

［1］ 美國Merichem 公司LO-CAT 硫磺回收裝置開車操作手冊.

［2］ 全明，陳昕.LO-CAT 硫回收工藝及其評價［J］.石油化工環境保護，2000，（1）：29-33.