恒溫硫磺回收反應器局部過熱成因分析與改造

李建 崔久濤 何曉昶 夏春暉

摘 ?????要：天然氣凈化脫硫脫碳裝置胺再生產的酸性氣，需要進行達標處理并回收硫磺，硫磺回收可以很好地處理含H2S酸氣。對于本裝置產生的低濃度酸性氣，使用常規(guī)的克勞斯工藝難以達到硫回收的技術要求，因此采用直接氧化法。采用流體仿真軟件Fluent對反應器進行了流場仿真模擬分析，并對反應時反應器內的溫度、壓力、流線等參數進行了計算，通過對比分析反應器不同結構下的仿真計算結果，最終確定使用該反應器的結構和參數。針對該廠反應器存在的問題，對該廠的反應器進行了流場仿真，仿真模型涵蓋了進氣口、觸媒反應區(qū)域、出氣口;根據催化劑參數以及反應數據仿真分析，計算初步算例、反應發(fā)生程度以及放熱量。利用CFD進行整個流場的仿真分析，尋找理論超溫點。通過優(yōu)化流場以及反應器結構設計，并對整流裝置以及觸媒筐組件設計，根據流體壓強改變反應器局部滲透率，使反應氣能平穩(wěn)的通過反應器間隙及催化劑床層，保證反應氣速均勻分布，保證流場條件滿足催化劑技術指標。同時通過加裝混合格柵，實現(xiàn)反應氣濃度在催化劑中均勻分布，保證硫化氫的催化氧化反應均勻進行。并通過混合格柵的優(yōu)化設計，使反應氣溫度分布均勻。

關 ?鍵 ?詞：硫磺回收;流場仿真;CFD;氧化

中圖分類號：TQ051.1+9 ??????文獻標識碼： ??????文章編號： 1671-0460（2019）08-1888-06

Abstract： Acid gas from natural gas purification desulphurization and decarbonization plant needs to be treated and sulfur needs to be recovered. Sulphur recovery is beneficial to treating H2S acid gas well. For the low concentration of acid gas produced by this device， it is difficult to meet the technical requirements for sulfur recovery using the conventional Klaus process. Therefore， direct oxidation method is always used. Fluid simulation software Fluent was used to simulate the flow field in the reactor， and the parameters of temperature， pressure and streamline in the reactor were calculated. By comparing and analyzing the simulation results of different structures of the reactor， the structure and parameters of the reactor were finally determined. In view of the problems existing in the reactor， the flow field simulation of the reactor was carried out， including air intake， catalytic reaction area and air outlet. According to the parameters of catalyst and the simulation analysis of reaction data， the preliminary examples， the degree of reaction and the heat discharge were calculated. CFD was used to simulate and analyze the whole flow field， the theoretical hyperthermia point was found. By optimizing the flow field and reactor structure design， and designing the rectifier and the catalyst basket assembly， the local permeability of the reactor was changed according to the fluid pressure， so that the reaction gas passed smoothly through the reactor gap and the catalyst bed to ensure the uniform distribution of the reaction gas speed， and ensure that flow field conditions met the technical specifications of catalyst. At the same time， the reaction gas concentration was evenly distributed in the catalyst by adding mixed grille to ensure that the catalytic oxidation reaction of hydrogen sulfide was carried out evenly. And through the optimization design of the hybrid grid， the temperature distribution of the reaction gas was uniform.

Key words： Sulphur recovery;Flow field simulation;CFD;oxidization

1 ?概 況

國內某天然氣凈化廠脫硫脫碳裝置胺再生產生的酸性氣的脫硫設備開工生產后，出現(xiàn)了反應器局部溫度過高、脫硫效率遠遠低于設計水平，而且尾氣中二氧化硫的含量超過國家標準，造成空氣污染和硫資源的浪費。這些影響了設備的安全生產和平穩(wěn)運行，是亟需解決的問題。

2 ?存在問題

自硫磺回收設備投入生產以后，發(fā)現(xiàn)硫磺回收裝置溫度控制存在一定問題，在局部會出現(xiàn)一定的超溫現(xiàn)象，致使反應無法正常進行，導致了恒溫反應器出口的硫化氫含量高于預設值，超過了下游絕熱反應器的允許進口溫度，進而影響整個硫磺回收系統(tǒng)的進程，導致硫回收率下降嚴重。

3 ?問題分析

3.1 ?反應器結構影響

混合反應氣由裝置下方進氣口加壓進入反應器，導致裝置下部的反應氣速度快、壓強大，通過催化劑床層的速度過快，造成底部局部反應量過大，現(xiàn)在設備的換熱效率難以滿足要求，出現(xiàn)超溫現(xiàn)象[1]。所以要在一定程度上對結構進行改進，減小裝置下部反應量，保證整個反應器中均勻反應。

3.2 ?反應器預熱溫度影響

通常情況下，隨著反應氣預熱溫度增加，硫化氫氣體催化氧化反應的效率先增加后降低。溫度過高會造成選擇氧化催化劑失活，導致H2S氣體被直接氧化成SO2，放出大量熱，影響反應使用效率。所以要在一定程度上調整反應氣預熱溫度，尋找最佳溫度點。

3.3 ?反應器組分比例影響

O2/H2S值的大小會影響生成SO2的副反應的發(fā)生情況。通常情況下，隨著O2/H2S值的減小，主反應發(fā)生的比例呈先上升再下降的趨勢。副反應相較主反應來說會放出更多的熱量，導致超溫現(xiàn)象，與此同時還降低了反應效率。所以要在一定程度上調整空氣和酸性氣的配比，保證主反應的正常發(fā)生。

4 ?改進措施

4.1 ?觸媒筐結構改進

觸媒筐是用于裝盛觸媒并且合成反應的發(fā)生地，其設計需要考慮有效去反應熱，保證氣體均勻的通過觸媒層，盡可能多接觸媒，結構簡單可靠。

目前觸媒筐基本都是多床層、徑向或軸徑向流的觸媒床層帶內換熱器的內件結構型式[2]。徑向或軸徑向流的內件結構設計，即觸媒床層填充在2 個筒體之間，氣體通過觸媒床層的路程短，可以使得觸媒床的阻力降最小，更適用于大中型塔。為在一定程度上利用觸媒筐控制反應量，從而控制反應區(qū)域溫度，多層媒觸筐的開孔以及孔的位置分布是關鍵。

觸媒筐壁面的進氣口直徑D（mm）在保證總體孔隙率不變的情況下根據流場壓強大小進行優(yōu)化設計。由于恒溫反應器底部流體速度快壓強大，故減小觸媒筐底部孔徑，并隨高度增加逐步擴大孔徑。

同時考慮流體自旋因素，觸媒筐殼體的孔延與豎直方向夾角為5°的直線進行排布，來保證整個反應器各部分反應均勻發(fā)生，并在一定程度上減少超溫區(qū)域的反應量，來保證安全裕度。

觸媒筐結構改進目的是在一定程度上限制裝置下部反應的發(fā)生，是反應器內反應均勻發(fā)生。觸媒筐的改進重點主要集中在孔徑大小以及孔的位置排布上（圖1-2）。

4.2 ?散熱管排布優(yōu)化設計

熱管置于反應器筒體內，是反應器主要換熱元件，其排布會對局部的換熱效率產生極大的影響，其設計需要考慮反應器內溫度的分布情況，并根據換熱效率的要求設計換熱管的排布情況。

換熱管在管板上的正三角形排列形式可以實現(xiàn)在同樣的管板面積上排列最多的管數，故保留原有的三角形排布設計。由于反應混合氣進入觸媒筐就開始反應，導致觸媒筐外圍反應量較大，溫度較高。所以在原有的內外圈排布設計的基礎上，重新進行內、中、外圈三層換熱排布設計。

由于反應器強度要求，外圈的換熱管的分布設計保持原有設計，孔間間距62 mm，共282個;中圈孔間間距80 mm，共234個;內圈空間間距100 mm，共60個。由于換熱管的分布設計未考慮加劑管、拉桿管等功能管的位置分布，故對換熱管進行余量設計（圖3-4）。

4.3 ?爐體長徑比優(yōu)化

原則上在保證酸性氣在反應器停留時間的基礎上，對爐體直徑和長度進行優(yōu)化。縮短長度，增加直徑，不僅提高了反應爐的剛度，降低了整體撓度，而且對于反應器內氣體的流通和對內插管取走反應熱均有幫助[3]。尤其是長度縮短，它可以減少熱應力對于附屬固定設備的工作應力，熱位移量也比改造前大大降低，不僅如此，因撓度的減小，對設備的吊運安裝都有好處。

湍流出現(xiàn)在速度變動的地方。這種波動使得流體介質之間相互交換動量、能量和濃度變化，而且引起了數量的波動。由于這種波動是小尺度且是高頻率的，所以在實際工程計算中直接模擬的話對計算機的要求會很高。實際上瞬時控制方程可能在時間上、空間上是均勻的，或者可以人為的改變尺度，這樣修改后的方程耗費較少的計算機。但是，修改后的方程可能包含有未知變量，湍流模型需要用已知變量來確定這些變量[6]。

在本論文中采用的是標準k-ε模型。它是從實驗現(xiàn)象中總結出來的半經驗的公式。

湍流動能方程k：

方程中是由層流速度梯度引起的湍流動能，是由浮力引起的湍流動能，是由在可壓縮湍流中，擴散引起的波動，是常量。

（1）未優(yōu)化設計工況CFD仿真

本仿真模擬未優(yōu)化情況下反應器在設計工況下的流場模型，各參數設置為酸性氣入口流量13 500 Nm3/h，配風量1 152 Nm3/h，酸性氣溫度160 ℃，H2S濃度為2.32%（體積分數），壓力60 kPa。

① ?溫度標量分布

由于反應器下部混合氣速度快、壓強大，更容易進入催化劑床層發(fā)生反應，造成反應器中下部反應過于集中，而反應器上部反應量較少，導致溫度分布不均勻[5]，反應器底部溫度溫度過高。CFD 最終計算結果：硫磺回收恒溫反應器溫度標量分布云圖，如圖5所示。其最高溫度達到283 ℃，而頂部最低溫度僅有218 ℃，溫度差達到68 ℃（圖5）。

② ?反應器內速度標量云圖

由于反應器整體結構和催化劑床層的影響，混合氣在進入觸媒筐組件和反應器殼體間隙時速度增大，如圖6所示，導致混合氣更容易進入催化劑床層反應。

混合氣經過反應氣進氣口、觸媒筐組件進入催化劑床層。由于反應器入口壓強和裝置壓損的影響，反應氣集中分布在反應器中下部。反應器內流線如圖8所示，可視化了從反應器入口開始的無質量粒子的路徑，其大小由該點的流場速度、壓力、湍流強度等函數確定。流線的路徑反映出無質量粒子在不同區(qū)域內受到局部湍流情況的影響。煙氣速度梯度的大小以流線的顏色來區(qū)分[7]。

（2）優(yōu)化后的設計工況CFD仿真

本仿真模擬經設計優(yōu)化后反應器在設計工況下的流場模型，各參數設置為酸性氣入口流量13 500 Nm3/h ，酸性氣溫度160 ℃，H2S濃度2.32%（mol），配風量1 152 Nm3/h，壓力60 kPa。

① 溫度標量分布

由于觸媒筐組件的優(yōu)化設計，改變了反應器不同位置的滲透率，避免了反應器底部淤積的現(xiàn)象[8]，使反應器整體的反應分布趨于均勻。CFD 最終計算結果：硫磺回收恒溫反應器溫度標量分布云圖，如圖9所示。其最高溫度為253 ℃，而最低溫度為243 ℃，溫度為10 ℃，符合設計要求。

② 反應器內速度標量云圖

由于對觸媒筐的優(yōu)化設計，減小了反應器底部孔隙率來限制底部進氣量，使底部催化劑床層氣體流速降低，如圖10所示，反應區(qū)域較未優(yōu)化前上移，底部反應量減少，在反應器內分布更加平均。

③ ?反應器內速度流線分布云圖

反應器中截面速度標量整體分布云圖，如圖11所示。混合氣經過反應氣進氣口、觸媒筐組件進入催化劑床層。由于反應器結構參數的優(yōu)化設計，反應氣相較于優(yōu)化前分布均勻。

6 ?結束語

SOC催化氧化工藝可以完成含低濃度硫化氫酸氣的硫處理，實現(xiàn)硫磺回收，但是因其為放熱反應，所以對于溫度控制和反應器結構設計要求較高[9]。

同時采用增加混合格柵，改進觸媒框結構和對散熱管的排布重新設計這三種改進方案，可以解決對該廠脫硫恒溫反應器局部溫度過熱的問題。

參考文獻：

[1]傅杰.列管式固定床反應器流體流動、傳熱及其數值特征[D].華東理工大學，2013.

[2]吳楊.列管式固定床反應器內部流場模擬[D].天津大學，2010.

[3]Stephen Santo a，Mahin Rameshni.the challenges of designing grass root Sulphur recovery units with a wide range of H2S concentration from natural gas[J]. Journal of Naturals Gas Science and Engineering， 2014，18：137-148.

[4]鄭丹星.流體與過程熱力學[M].第二版.北京：化學工業(yè)出版社，2010.

[5]張曉華，于艷秋.特大型克勞斯反應爐運行問題分析及改造[J].煉油技術與工程.2016.46（3）：40-44.

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[7]韓占中. FLUENT——流體工程仿真計算實例與應用[M].北京：北京理工大學出版社，2010.

[8]P.He，M.liu，J.L.Luo.Stabilization of Platinum Anode Catalyst in a H2S-O2 Oxide Fuel Cell with an Intermediate TiO2 Layer[J].Journal of The Electrochemical Socity，2002，149（7）：808-814.

[9]侯倩倩.硫磺回收裝置尾氣二氧化硫達標排放工藝優(yōu)化[J].技術研究，2018（1）：101.