硫磺回收單元低氣量投產(chǎn)的挑戰(zhàn)及應(yīng)對(duì)措施

樓海龍，王方昊，牛志剛，謝小波，孫 冰

（中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司，天津 300452）

0 引言

某油田天然氣處理廠（以下簡(jiǎn)稱NGP）硫磺回收單元于2016年機(jī)械完工，由于氣源不足、銷路不暢等原因未能進(jìn)行調(diào)試投產(chǎn)。計(jì)劃2019年下半年進(jìn)行調(diào)試作業(yè)，目前面臨的主要問題為酸氣量不足，需要在低負(fù)荷工況運(yùn)行。硫磺回收裝置處理負(fù)荷受上游裝置的處理量、下游用氣需求量以及全廠的工藝流程調(diào)整等諸多因素的影響。當(dāng)產(chǎn)生的酸性氣量或酸性氣濃度不能滿足硫磺回收裝置的最小處理負(fù)荷時(shí)，會(huì)對(duì)裝置的正常生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。本文結(jié)合NGP實(shí)際生產(chǎn)情況，參考李菁菁、陳賡良、夏曉濤等［1－3］關(guān)于硫磺回收常見的故障分析，從工藝、設(shè)備、安全管理等方面對(duì)硫磺回收裝置在低負(fù)荷條件下運(yùn)行產(chǎn)生的影響進(jìn)行深入分析，針對(duì)關(guān)鍵設(shè)備損壞、催化劑“中毒”、人員傷害和管線腐蝕的潛在風(fēng)險(xiǎn)，以“論證設(shè)備性能”、“關(guān)鍵儀表適應(yīng)性改造”作為調(diào)試投產(chǎn)的先決條件，確保本質(zhì)工藝安全；以“加強(qiáng)設(shè)備維護(hù)”、“優(yōu)化催化劑填裝”、“酸氣穩(wěn)定控制”和“完善應(yīng)急預(yù)案”作為調(diào)試投產(chǎn)的重點(diǎn)工作，完善調(diào)試投產(chǎn)方案，強(qiáng)化人員安全意識(shí)，最終達(dá)到硫磺回收單元平穩(wěn)開車運(yùn)行的目的。

1 裝置簡(jiǎn)介

某油田天然氣處理廠主要由接收單元、增壓?jiǎn)卧?、脫硫單元、硫磺回收單元、甜氣分配單元及公用系統(tǒng)組成，由上游脫氣站輸送至NGP的原料氣經(jīng)脫酸單元使用MDEA法進(jìn)行脫硫脫碳，脫除的酸氣進(jìn)入硫磺回收單元進(jìn)行制硫工藝，采用克勞斯制硫法進(jìn)行硫磺回收，使用酸氣分流法進(jìn)行酸氣流量控制。硫磺回收單元流程如圖1所示。

圖1 －硫磺回收單元流程簡(jiǎn)圖

2 工況介紹及主要存在的問題

根據(jù)設(shè)計(jì)文件，脫酸單元設(shè)計(jì)處理原料氣量為400×104Sm3／d，原料氣中H2S含量為1.9%；硫磺回收單元設(shè)計(jì)處理酸氣量9 980 Sm3／h，酸氣中H2S含量為39.55%。為減小脫酸單元負(fù)荷，降低胺液損失量，目前脫酸單元僅按照下游需求量處理相應(yīng)的原料氣，多余氣量在脫酸單元前端進(jìn)行部分放空。結(jié)合2019年上半年NGP生產(chǎn)情況，接收原料氣量、處理原料氣量、酸氣量及其相應(yīng)的設(shè)計(jì)負(fù)荷比如表1所示。其中，負(fù)荷比以H2S實(shí)際含量與設(shè)計(jì)含量的比值為計(jì)算依據(jù)。

表1 2019年上半年工況負(fù)荷核算表

硫磺回收單元設(shè)計(jì)產(chǎn)硫量為113 t／d，操作彈性為45%～105%。由表可知，目前硫磺回收單元進(jìn)行調(diào)試投產(chǎn)存在的主要問題為酸氣量低，僅達(dá)到設(shè)計(jì)負(fù)荷的9.17%～34.43%，低于操作彈性的下限45%。因此，需評(píng)估當(dāng)前氣量下進(jìn)行低負(fù)荷運(yùn)行對(duì)人員、設(shè)備、操作安全性的影響并提出應(yīng)對(duì)措施。

3 低負(fù)荷運(yùn)行主要影響

3.1 對(duì)設(shè)備的影響

（1）可能損壞羅茨鼓風(fēng)機(jī)。當(dāng)上游送至主燃燒爐的酸性氣量處于最小設(shè)計(jì)負(fù)荷以下時(shí)，為保證主燃燒爐內(nèi)的H2S按比例燃燒，需關(guān)小鼓風(fēng)機(jī)入口閥門減少進(jìn)爐風(fēng)量。如果操作不當(dāng)可導(dǎo)致軸承溫度高，震動(dòng)大，鼓風(fēng)機(jī)喘振，損壞設(shè)備。

（2）可能對(duì)主燃燒器的火嘴造成損壞，導(dǎo)致堵塞。由于進(jìn)入主反應(yīng)器中被加熱的過程氣量在低負(fù)荷時(shí)較小，酸氣流量和壓力也隨之減少，導(dǎo)致酸氣和空氣不能在燃燒器設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)混合燃燒，易造成燃料氣在爐子火嘴內(nèi)燒結(jié)堵塞火嘴，從而影響火嘴長(zhǎng)周期正常運(yùn)行。

（3）由于實(shí)際投產(chǎn)氣量遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)氣量，自控儀表的量程、調(diào)節(jié)能力有限，容易出現(xiàn)誤差、超量程等現(xiàn)象，其中較為關(guān)鍵的是配風(fēng)燃燒系統(tǒng)。酸氣和助燃空氣的調(diào)節(jié)精度要求較高，單個(gè)儀表誤差可能導(dǎo)致整個(gè)配風(fēng)燃燒系統(tǒng)的紊亂，同時(shí)，調(diào)節(jié)類閥門長(zhǎng)期處于低限位將降低其使用壽命，現(xiàn)場(chǎng)噪聲明顯尖銳，對(duì)操作人員聽力造成影響。

（4）液硫管線、酸氣預(yù)熱的熱量由酸氣燃燒的廢熱鍋爐提供，酸氣量低將無法產(chǎn)生足夠的伴熱蒸汽，易出現(xiàn)酸氣溫度低進(jìn)而影響燃燒效果、液硫管線溫度低凝結(jié)堵塞等現(xiàn)象，尤其是液硫封堵塞后清理難度較大。

3.2 對(duì)催化反應(yīng)效果的影響

酸氣量過低導(dǎo)致的配風(fēng)不均可能導(dǎo)致燃燒器內(nèi)硫化氫的過氧燃燒現(xiàn)象，在克勞斯反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生“漏氧”。微量O2能破壞Al2O3表面的活性中心，O2同化學(xué)吸附的SO2反應(yīng)生成亞硫酸鹽，然后與Al2O3反應(yīng)生成穩(wěn)定的硫酸鋁，使催化劑活性急速下降，最終導(dǎo)致克勞斯硫回收催化劑硫酸鹽化而失活。盡管當(dāng)前工藝采用了防漏氧的鈦基催化劑和鋁基催化劑組合使用的方式，硫化氫燃燒不完全導(dǎo)致的硫沉積和積碳等化學(xué)反應(yīng)和化學(xué)吸附、雜質(zhì)沉淀降低催化劑比表面積等問題仍可能造成催化劑的大量失活。

3.3 對(duì)操作人員的影響

低負(fù)荷運(yùn)行過程中，個(gè)別自動(dòng)控制閥不能及時(shí)作出調(diào)整，易對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量造成影響。如旁通配風(fēng)量等高低點(diǎn)連鎖，需全程由人工手動(dòng)監(jiān)控各關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)操作人員的要求將大大提高，不能實(shí)現(xiàn)SIS系統(tǒng)的自動(dòng)控制和保護(hù)功能，增加了工作負(fù)擔(dān)。尤其是面對(duì)突發(fā)事故時(shí)，無聯(lián)鎖觸發(fā)，關(guān)斷及放空閥不能動(dòng)作并快速切除危險(xiǎn)源，有可能對(duì)操作人員生命構(gòu)成威脅。

3.4 對(duì)管線防腐的影響

過程氣管線材質(zhì)為ASTM A106 GR.B，壓力等級(jí)150 lb，為普通碳鋼。低負(fù)荷工況下，易出現(xiàn)酸氣反應(yīng)不完全，進(jìn)入硫冷器的過程氣溫度較低，夾帶的水分易冷凝沉淀，產(chǎn)生SO2的水溶液沉積于設(shè)備／管線低點(diǎn)。在三級(jí)硫冷器階段，產(chǎn)硫量較低，亞硫酸易發(fā)生氧化反應(yīng)生成硫酸，嚴(yán)重威脅管線防腐安全。

4 主要應(yīng)對(duì)措施

4.1 論證設(shè)備性能，采取預(yù)防性措施

在低負(fù)荷工況下，制硫爐燃燒器和焚燒爐燃燒器的調(diào)節(jié)性能需要論證。根據(jù)主燃燒器廠家經(jīng)驗(yàn)，主燃燒器的調(diào)節(jié)精度為最大工況（設(shè)計(jì)工況的120%）的10%，即12%工況是可以正常運(yùn)行的。焚燒爐燃燒器調(diào)節(jié)比為10∶1。在低負(fù)荷運(yùn)行過程中，應(yīng)加大對(duì)爐子火嘴的保護(hù)力度，開大對(duì)火嘴的保護(hù)風(fēng)量，防止火嘴燒結(jié)，避免意外停工事件發(fā)生。并應(yīng)加強(qiáng)設(shè)備巡檢和維護(hù)，重點(diǎn)關(guān)注鼓風(fēng)機(jī)的振動(dòng)情況并進(jìn)行測(cè)定和記錄。為防止硫磺回收裝置中鼓風(fēng)機(jī)喘振現(xiàn)象出現(xiàn)，從其性能曲線特性出發(fā)，采用機(jī)組控制系統(tǒng)并通過一系列的功能塊實(shí)現(xiàn)安全可靠的防喘振控制［5］。制硫爐爐膛溫度一般應(yīng)控制在1 000～1 300℃范圍內(nèi)。當(dāng)溫度低于900℃時(shí)，火焰容易不穩(wěn)定，且硫磺回收率低。在原設(shè)計(jì)工況下，應(yīng)考慮伴燒適量燃料氣，以保證爐膛溫度在適當(dāng)范圍內(nèi)。開始進(jìn)酸性氣切換時(shí)，燃料氣應(yīng)保證適量開度，不應(yīng)完全關(guān)閉，根據(jù)操作經(jīng)驗(yàn)，伴燒氣的量應(yīng)控制在酸氣量的7%以下。同時(shí)，應(yīng)通入對(duì)應(yīng)比例的蒸汽，避免出現(xiàn)積碳。

4.2 催化劑的裝填與應(yīng)用

克勞斯制硫爐的催化劑床層短期溫度不應(yīng)超過400℃，正常操作不應(yīng)超過360℃，床層溫度不應(yīng)低于硫露點(diǎn)溫度，并考慮一定余量。上游酸氣分流比例影響一級(jí)反應(yīng)器轉(zhuǎn)化量，進(jìn)而影響層溫，需嚴(yán)格控制上游分流比例。催化劑的填裝應(yīng)在煮爐、烘爐完成后進(jìn)行填裝。根據(jù)設(shè)計(jì)文件，此硫磺回收工藝使用鋁基和鈦基兩種催化劑。其中的鈦基催化劑具有脫漏氧保護(hù)功能，可以保護(hù)或減輕鋁基催化劑受工藝過程氣存在多余氧氣而產(chǎn)生的硫酸鹽化侵害，故應(yīng)考慮催化劑的填裝時(shí)將鈦基催化劑置于上層，同時(shí)在催化劑層床最上層鋪設(shè)磁球，用以吸收積碳［6－7］。催化劑在填裝前應(yīng)進(jìn)行取樣檢測(cè)，保證催化劑活性有效。

4.3 關(guān)鍵儀表適應(yīng)性改造

針對(duì)硫磺回收單元儀表適應(yīng)能力，根據(jù)硫磺裝置特點(diǎn)和關(guān)鍵影響因素，以15%～50%的設(shè)計(jì)工況為模擬投產(chǎn)工況，進(jìn)行低負(fù)荷運(yùn)行調(diào)試投產(chǎn)的模擬，進(jìn)行脫酸單元的酸氣、空氣、燃料氣、中壓水、蒸汽等介質(zhì)的流量計(jì)、流量調(diào)節(jié)閥、流量變送器的量程和調(diào)節(jié)性能逐一核算，按需調(diào)整。經(jīng)過核算，為滿足最低工況要求，部分流量計(jì)如中壓蒸汽出口流量計(jì)無需調(diào)整。變送器基本無需更換，調(diào)整量程即可。需要進(jìn)行整體或部分更換的儀表主要包括兩個(gè)燃燒器的配風(fēng)流量計(jì)、酸氣流量計(jì)和調(diào)節(jié)閥等7個(gè)改造點(diǎn)，改造原因?yàn)楝F(xiàn)有設(shè)備量程過大，不能滿足酸氣分流比例和精準(zhǔn)配風(fēng)的要求。具體改造點(diǎn)如表2所示。

表2 主要改造儀表設(shè)備

上述改造是基于儀表人員結(jié)合目前工況進(jìn)行整體核算后得出，基于上述改造，仍需儀表專業(yè)人員核查I／O list，對(duì)于不適用的連鎖值進(jìn)行調(diào)整，避免出現(xiàn)頻繁觸發(fā)連鎖或旁通連鎖由人工監(jiān)控進(jìn)而降低控制系統(tǒng)安全性的情況出現(xiàn)。在后期硫磺回收單元的實(shí)際負(fù)荷逐漸提升至設(shè)計(jì)負(fù)荷的50%以上后，應(yīng)考慮將改造進(jìn)行復(fù)原，保持調(diào)節(jié)有效。

4.4 酸氣穩(wěn)定控制

酸氣氣源的穩(wěn)定控制是硫磺回收單元能否穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一。酸氣的流量取決于脫酸單元處理的天然氣原料氣，硫磺回收單元接收MDEA法脫除的酸氣，經(jīng)過酸氣分液罐后直接進(jìn)入預(yù)熱器及主燃燒器。當(dāng)前工況下，下游用戶甜氣用量不穩(wěn)定，甜氣量在10 000～30 000 Sm3／h范圍內(nèi)波動(dòng)，導(dǎo)致酸氣量在850～2 200 Sm3／h的區(qū)間內(nèi)無規(guī)律波動(dòng)。

為解決酸氣波動(dòng)問題，減少對(duì)配風(fēng)控制和燃燒器的影響，須將酸氣量波動(dòng)控制在較小范圍內(nèi)。對(duì)此提出以下幾點(diǎn)措施：（1）增加脫酸單元天然氣原料氣處理量，將脫酸裝置前端放空改為后端放空，保持產(chǎn)出的酸氣處在最大安全量，并有一定放空備用；（2）控制脫酸單元的胺液流程穩(wěn)定，避免胺液發(fā)泡，尤其關(guān)注再生塔壓差，避免出現(xiàn)攔液、沖塔等可能導(dǎo)致酸氣量波動(dòng)的情況出現(xiàn)；（3）密切關(guān)注酸氣分液罐排液與酸氣管線的保溫效果，避免因攜液或進(jìn)入主反應(yīng)器的溫度過低而影響燃燒效果；（4）應(yīng)考慮提高單位體積酸氣的熱值，保證燃燒效率?？赏ㄟ^降低脫酸單元胺液循環(huán)量，降低原料氣及循環(huán)胺液的溫度來達(dá)到降低CO2的含量，增加酸氣中H2S濃度的目的。

4.5 完善應(yīng)急預(yù)案

低負(fù)荷投產(chǎn)前，應(yīng)反復(fù)核算各設(shè)備性能，進(jìn)行工況模擬，確保滿足各投產(chǎn)條件。針對(duì)目前存在的問題，應(yīng)完善各類應(yīng)急工況的預(yù)防性措施及應(yīng)急處置措施，針對(duì)失電關(guān)停響應(yīng)、硫磺產(chǎn)品不合格、催化劑失活、液流管線堵塞等特殊工況做好分析，準(zhǔn)備相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案［8］。

5 結(jié)束語

當(dāng)前該硫磺回收單元負(fù)荷與設(shè)計(jì)符合出入較大，需進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，并核算設(shè)備性能，充分考慮低負(fù)荷運(yùn)行可能出現(xiàn)的問題，對(duì)存在的硬件問題進(jìn)行升級(jí)改造，以確保調(diào)試投產(chǎn)工作順利開展。通過文中提到的設(shè)備性能論證、自控儀表改造、酸氣穩(wěn)定控制和完善應(yīng)急預(yù)案等措施，硫磺回收單元可在12.5%～50%負(fù)荷下全流程運(yùn)行，硫回收率預(yù)計(jì)在95%左右。當(dāng)裝置負(fù)荷提升至大于50%以后，需要裝置停工，更換為原有儀表；此外，裝置開工前須對(duì)酸性氣組成進(jìn)行分析；裝置開車及運(yùn)行過程中，應(yīng)對(duì)原料氣、過程氣和尾氣等進(jìn)行檢測(cè)和監(jiān)控。

除上述因素，硫磺回收單元的低負(fù)荷運(yùn)行的其余風(fēng)險(xiǎn)仍待進(jìn)一步觀測(cè)，需在調(diào)試投產(chǎn)階段進(jìn)行不斷監(jiān)測(cè)，逐一排除。