克勞斯硫回收風(fēng)氣比調(diào)節(jié)與優(yōu)化

王濤（內(nèi)蒙古大唐國際克什克騰煤制天然氣有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 赤峰 025350）

在克勞斯硫回收工藝中，涉及應(yīng)用設(shè)備的各種工藝計(jì)算方法，包括反應(yīng)爐、在熱爐、轉(zhuǎn)化器等復(fù)雜氣相反應(yīng)的平衡，以及物料平衡、熱量平衡、熱負(fù)荷參數(shù)平衡的計(jì)算。從克勞斯反應(yīng)原理不難看出，硫磺回收依賴于H2S的不完全燃燒，一部分H2S轉(zhuǎn)化為二氧化硫，進(jìn)而發(fā)生以下的反應(yīng)：2H2S+SO2=3S+2H2O。

因此上，克勞斯硫回收工藝實(shí)際上劃分為了兩個(gè)階段，第一個(gè)階段是一部分H2S與氧氣燃燒反應(yīng)生成二氧化硫，第二部分是生成的二氧化硫與未來得及燃燒的H2S反應(yīng)，生成硫磺。

1 克勞斯硫回收工藝概述

克勞斯工藝由于其先進(jìn)性和優(yōu)越性已經(jīng)成為硫回收工業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)工藝流程，在世界范圍內(nèi)具有廣泛的應(yīng)用，經(jīng)過長期的發(fā)展，克勞斯硫回收形成了多種工藝類型，以下是典型的組成部分。

1.1 常規(guī)克勞斯法

常規(guī)克勞斯法是目前應(yīng)用較為廣泛的硫回收工藝，從上世紀(jì)30年代發(fā)展以來，經(jīng)歷了多次的優(yōu)化調(diào)整，但本質(zhì)上依然遵循H2S和二氧化硫反應(yīng)的原理。

上世紀(jì)五十年代，常規(guī)克勞斯法的應(yīng)用進(jìn)入高速普及階段，同時(shí)針對三大化石能源（石油、煤炭、天然氣）都進(jìn)行了硫元素回收的實(shí)驗(yàn)，以及裝置生產(chǎn)，尤其在催化劑研究和自動(dòng)儀表控制研究方面取得了較大的進(jìn)步。其缺陷是工藝技術(shù)方面進(jìn)展不大，主要采用的是直流式或分流式工藝，在防腐技術(shù)方面有所欠缺。

1.2 冷床吸收工藝

所謂冷床吸收工藝，是基于亞露點(diǎn)類硫磺回收的技術(shù)。這一工藝的特點(diǎn)是，首先前部分的流程與傳統(tǒng)克勞斯硫磺回收工藝基本仙童，如氣體燃燒、廢熱鍋爐反應(yīng)等，但再有一部分加入了冷床吸收裝置，并配有多臺(tái)催化反應(yīng)器。

1.3 Modop工藝

Modop工藝的特點(diǎn)是用來克勞斯裝置尾氣脫硫，與其他技術(shù)相比，即便H2S在工藝氣中的含量較低，依然可以實(shí)現(xiàn)較高的回收率，同時(shí)能好少、不會(huì)產(chǎn)生有毒害的副產(chǎn)品，是上世紀(jì)九十年代以來最有前景的技術(shù)改進(jìn)方向。

與傳統(tǒng)克勞斯硫回收工藝做對比，Modop工藝包括三個(gè)部分，首先是尾氣加氫，其次是過程氣脫水，最后是工藝氣直接氧化。克勞斯尾氣一旦進(jìn)入發(fā)生器之后，就會(huì)立即被加熱產(chǎn)生還原氣體，最后經(jīng)過脫水的氣流進(jìn)入氧化裝置。

2 克勞斯硫回收風(fēng)氣比調(diào)節(jié)與優(yōu)化

風(fēng)氣比是制硫燃燒爐內(nèi)工藝氣的體積與工藝氣燃燒所需空氣體積比，也可以看作是反應(yīng)爐中空氣和酸性氣體之間的比例，氣化爐中的空氣供應(yīng)通過鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行。當(dāng)原料氣中包括的H2S、二氧化硫和烴類物質(zhì)（可燃組分）總量確定，就可以按照氧氣需求量計(jì)算出風(fēng)氣比。

風(fēng)氣比控制是十分重要的環(huán)節(jié)，在克勞斯硫回收工藝中，空氣量不足會(huì)導(dǎo)致原料氣剩余，增加工藝氣中的硫滯留，降低轉(zhuǎn)化率；很顯然，空氣不足比空氣過剩對硫回收的影響更大，因此，為了提升單質(zhì)硫的轉(zhuǎn)換效率，必須對風(fēng)氣比進(jìn)行人為的調(diào)節(jié)和優(yōu)化。

2.1 克勞斯硫回收風(fēng)氣比調(diào)節(jié)手段

調(diào)節(jié)手段指的是在現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上進(jìn)行的人為操作，以不同的控制手段來限制空氣流量和工藝氣的比例。在整個(gè)工藝氣中，最重要的三個(gè)參數(shù)包括H2S，二氧化硫和氧氣。其中，二氧化硫和硫化氫是必要的原料，根據(jù)化學(xué)方程式分析不難看出，當(dāng)H2S和二氧化硫的比例達(dá)到2:1的狀態(tài)下，可以實(shí)現(xiàn)最佳的回收效果，這也是克勞斯硫回收工藝中最重要的參數(shù)。在進(jìn)行克勞斯裝置設(shè)定過程中，維持這一比例可以減少轉(zhuǎn)化率的偏差。具體的調(diào)節(jié)手段有三個(gè)方面。

（1）溫度操作調(diào)節(jié)手段

實(shí)現(xiàn)硫回收的主要設(shè)備是克勞斯反應(yīng)器，單質(zhì)硫回收之后要通過凝結(jié)、干燥等過程。克勞斯反應(yīng)器的溫度在1200℃左右，溫度過低會(huì)造成氨的不完全分解，影響酸性氣體的轉(zhuǎn)化率，生成的硫磺質(zhì)量也較差。但是，在一定有效范圍內(nèi)，反應(yīng)器的操作溫度越低，平衡性就越穩(wěn)定，轉(zhuǎn)化率就越高；所以，針對溫度操作進(jìn)行調(diào)節(jié)是十分必要的。在調(diào)節(jié)方面，溫度的調(diào)節(jié)可以配合余熱回收鍋爐使用，也可以根據(jù)設(shè)備的強(qiáng)度，在回收過程中減少空氣灌入，阻止燃燒。增強(qiáng)單位時(shí)間內(nèi)的溫度變化效率，最低溫度保持在140℃左右，以確保催化劑的活性。

（2）空速控制調(diào)節(jié)手段

空速指的是控制氣與觸媒接觸時(shí)間的參數(shù)。一方面，空速過高就意味著過程氣在觸媒方面接觸時(shí)間不足，加入的物料來不及反應(yīng)，造成整體轉(zhuǎn)化率過低的現(xiàn)象；另一方面，如果空速過高也意味著床層的升溫幅度過大，在造成資源浪費(fèi)的同時(shí)影響設(shè)備效率。調(diào)節(jié)空速的主要方式是利用鼓風(fēng)機(jī)，參考克勞斯法對工藝氣的反應(yīng)成分控制不嚴(yán)苛的特點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)化率可以加強(qiáng)單位時(shí)間進(jìn)風(fēng)的容量，在不改變設(shè)備體系的基礎(chǔ)上，提高風(fēng)機(jī)的規(guī)模和效率。

（3）雜質(zhì)組分調(diào)節(jié)手段

工藝氣中中的雜質(zhì)組分，如氨、二氧化碳、水蒸氣等，會(huì)對克勞斯反應(yīng)產(chǎn)生稀釋作用。傳統(tǒng)的克勞斯硫回收法很難解決雜質(zhì)問題，而超級克勞斯法、低溫克勞斯法等改進(jìn)工藝中，可以利用轉(zhuǎn)化、冷凝、分硫等手段，減少雜質(zhì)組分的影響。具體的調(diào)節(jié)手段如銨鹽法，將氮?dú)狻睔獾入s質(zhì)組分轉(zhuǎn)化穩(wěn)定的化合物，通過調(diào)節(jié)空氣組分中的惰性因素來實(shí)現(xiàn)提高轉(zhuǎn)化率的目的。

2.2 克勞斯硫回收風(fēng)氣比優(yōu)化措施

克勞斯硫回收風(fēng)氣比可以簡單地理解為鼓風(fēng)量與工藝氣之比，工藝氣即竹工藝流程中的介質(zhì)，主要是二氧化硫和H2S，而鼓風(fēng)量是利用風(fēng)機(jī)向反應(yīng)爐補(bǔ)充的助燃?xì)饣瘎諝猓行С煞譃檠酢?/p>

風(fēng)氣比的優(yōu)化關(guān)系得到克勞斯硫回收工藝的順利進(jìn)行，考慮到不同物料組分的關(guān)系，其中工藝氣的總量無法判斷，只能夠通過風(fēng)量調(diào)整來實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化生產(chǎn)。根據(jù)原料氣中的H2S含量不同，以及生成二氧化硫的比例，調(diào)節(jié)風(fēng)氣比需要按最終目的進(jìn)行。常用的風(fēng)氣優(yōu)化方法有三種，分別是部分燃燒法、分流法和直接氧化法。

（1）部分燃燒法

部分燃燒法中工藝氣進(jìn)入反應(yīng)爐之后，內(nèi)部的空氣供給量中有30%左右參與生成二氧化硫的反應(yīng)，這樣可以保障H2S和二氧化硫的最佳化學(xué)方程比例；假設(shè)反應(yīng)爐中不存在任何觸媒的情況，部分燃燒法僅能滿足H2S60%左右的轉(zhuǎn)化率，轉(zhuǎn)化作用需要風(fēng)機(jī)繼續(xù)輸送空氣。

（2）分流法

如果原料氣中的H2S含量在30%左右，可以使用分流法配合最佳風(fēng)氣比。首先將總量30%的H2S送入反應(yīng)爐，再配合適當(dāng)?shù)目諝馔耆紵蒘O2，這一過程中不必考慮風(fēng)氣比的問題，風(fēng)機(jī)的工作以熱力平衡為開關(guān)點(diǎn)；隨后將剩余的H2S送入反應(yīng)爐，剩余的空氣含量即可與剩余的2/3H2S和二氧化硫反應(yīng)，硫回收率可以達(dá)到90%以上。

（2）直接氧化法

顧名思義，就是采用純氧參與克勞斯反應(yīng)，因此也被稱之為“富氧法”。反應(yīng)過程中直接采取氧氣作為氣化劑，這種方法的優(yōu)勢在于便于精確計(jì)算，風(fēng)氣比的調(diào)節(jié)本質(zhì)上就是氧氣比的調(diào)節(jié)，即氧氣與工藝氣的對應(yīng)多少。

3 結(jié)語

隨著中國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度加快，社會(huì)對能源的需求量日益提升，生態(tài)環(huán)境的負(fù)面影響因素也在不斷增加。化石燃料所排放的硫化物不僅直接污染大氣，也會(huì)形成酸雨災(zāi)害，具有很大的生態(tài)環(huán)境破壞作用。克勞斯硫回收工藝的應(yīng)用及發(fā)展，可以很好地解決這一問題，在減少環(huán)境污染的同時(shí)回收了硫磺單質(zhì)的化工原料。本文中針對克勞斯硫回收風(fēng)氣比的調(diào)節(jié)與優(yōu)化進(jìn)行研究，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)策略，有效降低成本和提高效率。

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