硫磺回收裝置流程模擬及節能優化研究

梁生榮，井曉燕，吳付洋，張學明，王振華，范 崢

（1.西安石油大學化學化工學院，陜西西安 710065；2.中國石油長慶油田分公司第一采氣廠，陜西榆林 718500）

近年來，隨著國家環保要求的日益嚴格，各大企業都在竭力推行節能減排等相關政策以更好地適應行業發展的新動向。對于天然氣凈化廠來說，全面開展能量有效回收利用工作，從而達到節能降耗、提質增效的目的是非常必要和迫切的[1-3]。由于硫磺回收裝置作為天然氣凈化廠中為數不多的產能裝置，具有較大的節能潛力，因此受到了人們越來越多的重視和關注[4]。

本文針對鄂爾多斯某天然氣凈化廠硫磺回收工藝流程進行了節能優化研究，借助原料組分分析以及運行參數采集等手段，通過Aspen HYSYS 7.2對該裝置進行了全流程模擬，得到了各個重要節點的相關信息并驗證了該模型的準確性，同時，基于所建模型進一步提出了具體節能優化方案并系統分析了它們的實際節能效果，最終篩選出適宜于現場實際工況的理想節能優化方案，從而為日后硫磺回收裝置節能措施的實施提供了科學、可靠的數據來源及理論依據。

1 硫磺回收工藝簡介

鄂爾多斯某天然氣凈化廠硫磺回收裝置采用直接選擇氧化脫硫工藝，該工藝采用二級反應，第一級反應器為等溫反應器，第二級反應器為絕熱反應器。

酸氣進入酸氣分離器將原料中可能含有的液體去除后，進入酸氣增壓機增壓。酸氣經過配入適量的空氣形成反應原料氣進入原料氣預熱器，由系統自產中壓蒸汽加熱，后進入等溫反應器。等溫反應器中利用水的汽化移熱產生中壓蒸汽，中壓蒸汽通過中壓蒸汽空冷器冷凝后返回汽包。等溫反應器出口過程氣經中間氣換熱器降溫，再經硫冷凝冷卻器Ⅰ管程冷卻后分離出液硫，氣相進入一級硫分離器分離出夾帶的液硫霧滴后返回中間氣換熱器殼程，液硫進入液硫池。

硫冷凝冷卻器Ι管程和II管程共用一個殼體，殼程通過水蒸發移熱產生低壓蒸汽。低壓蒸汽經低壓蒸汽空冷器冷凝后返回硫冷凝冷卻器循環取熱。經中間氣換熱器加熱的過程氣進入絕熱反應器進行深度氧化。絕熱反應器出口尾氣進入硫冷凝冷卻器II管程冷卻，后進入硫分離器分離出少量液硫霧滴，再經尾氣冷卻器冷卻后分離出少部分凝析出的液硫，最后進入尾氣凈化罐吸附尾氣中含有的少量不凝硫單質，凈化后的尾氣送至二氧化碳回收裝置或至焚燒爐焚燒后排放，液硫進入液硫池。

2 硫磺回收流程模擬

2.1 模擬流程的熱力學選擇

由于熱力學性質直接影響著模擬結果的準確性，故選擇合適的熱力學性質計算方法成為決定流程模擬、分析、優化以及設備設計成功與否的關鍵[5-7]。對于硫磺回收裝置來說，它的原料為酸性氣，來自于天然氣凈化裝置脫硫工段胺液再生塔塔頂，其組成含量（見表1）。

表1 酸性氣組成含量一覽表

由表1可知，由于該酸性氣CO2含量較高、H2S含量較低且碳硫比高達12.48，屬于典型的非理想體系，故本文最終選擇PRSV狀態方程對該系統進行準確描述。PRSV狀態方程是Peng-Robinson狀態方程的修正形式，可適用于中度非理想體系[8]，其方程為：

式中：p-壓力；V-摩爾體積；T-溫度；R-氣體常數；Tc-臨界溫度；pc-臨界壓力；Tr-對比溫度；ω-偏心因子；k1-純物質參數。

2.2 模擬流程的搭建

利用Aspen HYSYS 7.2建立硫磺回收裝置模擬流程，采用Conversion Reactor模塊模擬等溫反應器、絕熱反應器，采用Separator模塊模擬酸氣分離器、硫分離器，采用Heat Exchanger模塊模擬中間氣換熱器、硫冷凝冷卻器，采用Air Cooler模塊模擬空冷器，而調節、平衡、循環、設置等邏輯操作則通過Recycle、Adjust和Set模塊完成[9-12]。

天然氣凈化廠硫磺回收裝置的模擬流程圖（見圖1）。

F-2501：酸氣分離器；P-2501：酸氣增壓機；E-2501：原料氣預熱器；R-2501：等溫反應器；E-2503：中壓蒸汽空冷器；V-103：汽包；E-2502：中間氣換熱器；E-2504：硫冷凝冷卻器；F-2502：一級硫分離器；E-2505：低壓蒸汽空冷器；R-2502：絕熱反應器；F-2503：硫分離器；E-2506：尾氣冷卻器；D-2503：尾氣凈化罐。

2.3 模擬流程的驗證

為了驗證上述模擬流程的可靠性，在酸氣處理量為5 075 m3/h，進氣溫度為40℃，進氣壓力為35 kPa，H2S含量為7.01%（M/M）的現有氣質條件下，利用Aspen HYSYS 7.2對硫磺回收裝置的實際工況進行了詳細模擬，其關鍵設備模擬值與實際運行值比較（見表2）。

由表2可知，根據硫磺回收裝置模擬流程所得到計算結果與實際工況高度一致，這說明，以PRSV狀態方程作為系統的熱力學性質計算方法是準確可靠的，其能較好地對硫磺回收這一中度非理想體系進行準確的描述，同時，該模擬流程能夠較好地反映出該天然氣凈化廠硫磺回收裝置的實際運行情況，可以作為后續節能優化的基礎模型。

該硫磺回收裝置的主要物流模擬結果（見表3）。

3 節能優化措施

3.1 蒸汽熱量直接利用

由上述模擬結果可知，此硫磺回收裝置在現有工況條件下共產生了2.1 MPa中壓蒸汽0.637 t/h，中壓蒸汽一部分用于加熱原料氣，其余進入中壓蒸汽空冷器冷凝后進入汽包循環使用，同時，該裝置還產生了0.5 MPa低壓蒸汽0.915 t/h后，低壓蒸汽經低壓蒸汽空冷器冷凝后，返回硫冷凝冷卻器循環取熱。

為了合理利用硫磺回收裝置自產的中、低壓蒸汽，建議停用在役的中壓蒸汽空冷器和低壓蒸汽空冷器，并將富余中、低壓蒸汽分別用于凈化廠內的其他需熱裝置，換熱完成后再返回汽包循環利用。

圖1 天然氣凈化廠硫磺回收裝置模擬流程圖

表2 硫磺回收工段關鍵設備模擬值與實際運行值比較

表3 硫磺回收工段主要物流模擬結果

表3 硫磺回收工段主要物流模擬結果（續表）

表4 TEG富液二級預熱器設計結果一覽表

由于2.1 MPa中壓蒸汽的溫度約為215.0℃，而天然氣凈化裝置脫水工段TEG緩沖罐的出口溫度僅為127℃左右，故該中壓蒸汽可用于TEG富液的二級預熱，以期有效提高TEG重沸器富液進口溫度，從而大幅降低TEG富液再生的燃料氣消耗。為了進一步明確中壓蒸汽熱量的利用效果，本文利用HTRI Xchanger Suite 4.0對上述TEG富液二級預熱器進行了設備選型，具體計算結果（見表4、圖2）。

圖2 TEG富液二級預熱器設計結果示意圖

由表4和圖2可知，當利用硫磺回收裝置自產的中壓蒸汽對TEG富液進行二級預熱時，TEG富液出口溫度可達176.5℃，遠遠高于優化前的127.0℃，其熱負荷約為337.6 kW，總換熱面積約為56.88 m2，此時該換熱器的實際總傳熱系數為154.93 W/（m2·K），富余度為56.0%，完全能夠滿足系統換熱要求。

同時，對于甲醇回收裝置來說，它的再生塔塔底溫度約為106.1℃，而0.5 MPa低壓蒸汽的溫度高達151.9℃，其有效平均溫差為45.8℃，故建議將硫磺回收裝置產生的低壓蒸汽用于甲醇回收過程中塔底水的重沸加熱。為了探討低壓蒸汽熱量直接利用方案的可行性，本文亦利用HTRI Xchanger Suite 4.0對優化后的再生塔塔底重沸器進行了設備選型，具體計算結果（見表5、圖3）。

圖3 再生塔塔底重沸器設計結果示意圖

由表5和圖3可知，當使用硫磺回收裝置自產的低壓蒸汽對甲醇回收塔塔底進行供熱時，再生塔塔底重沸器的熱負荷約為529.8 kW，總換熱面積約為28.58 m2，傳熱系數682.73 W/（m2·K）高于最小值404.67 W/（m2·K），富余度為68.7%，完全滿足系統指定的換熱要求。

表5 再生塔塔底重沸器設計結果一覽表

3.2 蒸汽熱量轉換電能利用

當天然氣凈化裝置或甲醇回收裝置距離硫磺回收裝置較遠，導致蒸汽遠程輸送損失偏大時，可以考慮采用蒸汽熱量轉換電能利用方案以提高蒸汽熱量回收利用的效率。凝汽式蒸汽透平作為一種用蒸汽做功的旋轉式原動機，能夠使蒸汽從透平噴嘴流出后推動動葉片膨脹做功，引起轉子高速旋轉并帶動發電機向外供電。該方案不僅可以對硫磺回收裝置自產的中、低壓蒸汽熱量進行回收利用，同時還能夠將轉換的電能用于廠內其他多種用電設備。

由上述模擬結果可知，硫磺回收裝置所產2.1 MPa中壓蒸汽富余熱量為1.214×103MJ/h，所產0.5 MPa低壓蒸汽富余熱量為2.388×103MJ/h，當選擇NK63/80/32和NK32/36/16型凝汽式蒸汽透平對它們進行熱量回收時，若熱電轉換效率按0.65計，則以上中、低壓蒸汽可轉換電能總量達630.35 kW·h/h，折合標準煤能耗約為233.23 kgCE/h。

表6 蒸汽熱量直接利用方案節能效果表

表7 蒸汽熱量轉換電能利用方案節能效果表

3.3 兩種蒸汽熱量利用方案對比

對上述兩種蒸汽熱量利用方案進行能耗分析，其節能效果分別（見表6、表7）。

由表6和表7可知，蒸汽熱量直接利用方案可節約能耗167.35 kgCE/h，而蒸汽熱量轉換電能利用方案可節約能耗236.95 kgCE/h，蒸汽熱量轉換電能利用方案較蒸汽熱量直接利用方案的節能效果更為顯著，因此，建議采用蒸汽熱量轉換電能利用方案對硫磺回收裝置產生的中、低壓蒸汽熱量進行回收和利用。

4 結論

（1）利用Aspen HYSYS 7.2并選擇PRSV狀態方程對鄂爾多斯某天然氣凈化廠硫磺回收裝置進行了全流程模擬，結果表明此物性模型能夠較為準確地反映出該裝置的實際運行情況，可作為后續節能優化的基礎模型。

（2）對于硫磺回收裝置副產的中、低壓蒸汽來說，0.637 t/h 2.1 MPa中壓蒸汽可用于二級預熱TEG富液以進一步提高TEG重沸器富液進口溫度，從而有效降低TEG富液再生的燃料氣消耗；而0.915 t/h 0.5 MPa低壓蒸汽則可用于甲醇回收過程中塔底水的重沸加熱，亦可有效減少甲醇回收裝置的單位能耗。

（3）與蒸汽熱量直接利用方案相比，節約能耗167.35 kgCE/h，蒸汽熱量轉換電能利用方案通過凝汽式蒸汽透平對硫磺回收裝置產生的中、低壓蒸汽熱量進行回收、利用，研究結果表明，蒸汽熱量轉換電能利用方案可節約能耗236.95 kgCE/h，后者較前者的節能效果更為顯著，故建議后續采用蒸汽熱量轉換電能利用方案對硫磺回收裝置進行節能優化改造。