硫黃回收裝置余熱鍋爐降壓操作改造運行實踐

范曉娟

（中國石油化工股份有限公司金陵分公司，江蘇南京210033）

1 裝置簡介

中國石油化工股份有限公司金陵分公司（以下簡稱金陵石化）89 kt/a硫黃回收裝置于2012年6月29日實現首次開車一次成功。該裝置設計硫回收能力為10.57 t/h，其熱反應余熱鍋爐4.0 MPa中壓蒸汽產生量設計值為23.5 t/h。該余熱鍋爐的筒體厚度為70 mm，材質為Q345R不銹鋼，設計壓力為4.9 MPa，容積為40 m3，管殼程介質分別為工藝過程氣和中壓飽和蒸汽。在2020年底對裝置檢修的過程中發(fā)現，該余熱鍋爐筒體出現多處埋藏缺陷，如按原始設計方案運行，存在較大安全風險，在嘗試修復未達到預期效果后，對蒸汽輸送流程進行改造，將蒸汽壓力由中壓4.0 MPa降至低低壓0.6 MPa，依據中國石化安全風險矩陣分析，安全風險由較大風險D5等級降至一般風險B4等級，有利保障了裝置安全平穩(wěn)運行。

2 蒸汽輸送流程改造

2.1 原中壓蒸汽輸送流程

硫黃回收裝置原中壓蒸汽輸送流程見圖1。

圖1 原中壓蒸汽輸送流程

余熱鍋爐中壓汽包產生的4.0 MPa中壓蒸汽經過中壓蒸汽壓控閥控制汽包壓力，飽和蒸汽先去尾氣焚燒爐過熱段過熱后，再經中壓蒸汽減溫閥減溫，一路送至一/二級制硫反應器入口預熱器及加氫反應器入口預熱器作為加熱熱源使用，一路送出裝置并入系統(tǒng)中壓蒸汽管線。在飽和中壓蒸汽進入尾氣焚燒爐過熱器前設有從裝置外來的開工中壓蒸汽，作為開停工期間保護爐管使用。

2.2 改造后低低壓蒸汽輸送流程

原余熱鍋爐中壓汽包改產低低壓蒸汽，通過原中壓蒸汽壓控閥控制汽包壓力。考慮裝置現有流程，在原中壓蒸汽管線與低低壓蒸汽管線之間增加跨線及相應隔斷閥，通過原有DN200飽和中壓蒸汽管線將低低壓蒸汽引至尾氣焚燒爐過熱器過熱后，引至1.0 MPa蒸汽減溫減壓閥前管線，經減溫減壓后送至低低壓蒸汽管線使用。

余熱鍋爐中壓汽包放空管線上增加1條去渣油加氫單元0.5 MPa蒸汽管線的DN200跨線，以保證蒸汽流速符合要求。若蒸汽流速為30 m/s，輸送蒸汽需要DN300管線，為降低改造工作量，在現有DN150放空管線上增加1條DN200跨線，將蒸汽送至渣油加氫單元的0.5 MPa蒸汽管線，經減溫減壓后送至低低壓蒸汽管線使用，同時為保障中壓汽包產低低壓蒸汽期間安全運行，將原有定壓4.9 MPa安全閥更改為定壓0.7 MPa安全閥，引至一級制硫反應器東側高層平臺處放空。

一、二級制硫反應器入口及加氫反應器入口的預熱器引開工中壓蒸汽作為熱源加熱。3臺反應器的蒸汽預熱器用中壓蒸汽可通過開工中壓蒸汽管線接跨線至裝置內過熱中壓蒸汽管線，同時原開工中壓蒸汽至蒸汽過熱器入口連接線及原過熱中壓蒸汽至上述3臺反應器入口預熱器的蒸汽管線連接線拆除。

改造后的低低壓蒸汽輸送流程見圖2。

圖2 改造后的低低壓蒸汽輸送流程

3 改造后運行情況分析

3.1 降壓運行關鍵操作參數分析

制硫單元余熱鍋爐生產的蒸汽降壓操作流程投用后，裝置運行平穩(wěn)，對降壓操作前后余熱鍋爐汽包相關參數變化情況進行統(tǒng)計對比，見表1。

表1 降壓操作前后關鍵操作參數對比

由表1可見：在相似的生產負荷及運行工況下，余熱鍋爐蒸汽控制壓力由4.0 MPa降至0.6 MPa后，余熱鍋爐出口過程氣的溫度由310 ℃降至235 ℃，降低了75 ℃，但蒸汽流量卻未有明顯上升。

從熱力學角度來看，飽和高壓除氧水進入余熱鍋爐后完全汽化需要溫升熱和汽化潛熱兩部分熱量，按公式(1)計算：

式中：c——水的比熱容，kJ/(kg·℃);

m——水的質量，kg；

Δt——水的溫度變化量，℃；

r——汽化熱，kJ/kg。

經查閱相關工作手冊，余熱鍋爐降壓操作改造前后的汽化熱分別為1 701.1，2 070.8 kJ/kg，4.0 MPa及0.6 MPa壓力下的飽和蒸汽溫度分別為251，165.1 ℃，在裝置運行工況穩(wěn)定的前提下，計算質量為15 500 kg、溫度為110 ℃的飽和高壓除氧水進入余熱鍋爐后完全汽化所需要吸收的熱量：

由上述計算可知，余熱鍋爐生產4.0 MPa蒸汽和0.6 MPa蒸汽所需的熱量差值約為138 MJ，即產0.6 MPa蒸汽所需熱量明顯大于產4.0 MPa蒸汽，因此雖然余熱鍋爐出口的過程氣溫度出現了明顯降低，但在這兩種工況下產汽量并未有明顯變化。

3.2 降壓操作對能耗的影響

裝置改造后，中壓汽包將不再產中壓蒸汽，改產低低壓蒸汽。低低壓蒸汽并入系統(tǒng)為溶劑再生塔重沸器提供熱源。根據目前溶劑再生單元的生產負荷，裝置內自產低低壓蒸汽基本可以滿足生產需要，無需供應1.0 MPa蒸汽，僅需渣油加氫單元的0.5 MPa蒸汽保持平衡，消耗量為4 t/h。與改造前相比，節(jié)約的1.0 MPa蒸汽消耗量折噸硫黃標油消耗量為121.95 kg，0.5 MPa蒸汽消耗量折噸硫黃標油消耗量為30.36 kg，合計可降低的能耗折噸硫黃標油消耗量為152.31 kg。

裝置停產中壓蒸汽后，需要引系統(tǒng)過熱中壓蒸汽為3臺反應器入口的預熱器提供熱源，消耗量為5 t/h，折噸硫黃標油消耗量為44.06 kg，原設計外輸中壓蒸汽折噸硫黃標油消耗量為-110.1 kg，與改造前外送中壓蒸汽相比，噸硫黃標油消耗量增加154.16 kg。

中壓汽包降壓改產低低壓蒸汽后，節(jié)約的1.0 MPa和0.5 MPa蒸汽消耗基本可以抵消外送過熱中壓蒸汽的能耗，因此降壓操作改造對裝置能耗影響較小。

4 降壓操作出現的問題及應對措施

4.1 熱反應爐溫度持續(xù)下降

2021年2月2 日13:40，IV硫黃裝置余熱鍋爐經過7天烘爐后，引酸性氣開工。開工后出現熱反應爐溫度逐漸下降的異常情況，雖然期間通過調整富溶流程和化肥酸性氣流量，將酸性氣中的φ(H2S)由31%提高至80%以上，但熱反應爐溫度依然由1 200 ℃降低至720 ℃，降低了熱反應爐內制硫反應的硫轉化率，導致一級制硫反應器床層溫升達到了140 ℃（正常生產約80 ℃），床層溫度最高達到近340 ℃，高于一般控制溫度280～330 ℃[1]，影響裝置長周期穩(wěn)定運行。熱反應爐溫度與一級制硫反應器床層溫升變化情況見圖3。

圖3 熱反應爐溫度與一級制硫反應器床層溫升變化情況

2021年2月8 日，將硫封罐過濾器拆下清理，熱反應爐后部的余熱鍋爐處有大量液硫流出，同時熱反應爐溫度開始逐步恢復至正常溫度，一級制硫反應器床層溫升也同步開始下降。經判斷，熱反應爐溫度降低的原因是：降壓操作后余熱鍋爐處產生的大量硫黃流通不暢，在余熱鍋爐內積聚，通過換熱器管束倒流至熱反應爐內，硫黃汽化吸收大量熱量，使熱反應爐溫度下降，同時熱反應爐內氣相硫分壓異常上升，使制硫反應難以向正方向進行，放熱量減少，硫轉化率進一步降低，加劇了熱反應爐溫度下降的幅度，使本應在熱反應爐內發(fā)生的制硫反應后移至一級制硫反應器，導致一級制硫反應器床層溫升大幅上升。

4.2 過熱器蒸汽流量不足

依據余熱鍋爐降壓操作方案，汽包生產的蒸汽分兩路進入低低壓蒸汽總管，一路經壓控閥控制壓力后與尾氣焚燒爐高溫煙氣換熱后并入低低壓蒸汽總管，需要克服的管線阻力較大；一路直接從汽包頂部并入低低壓蒸汽總管，需克服的管線阻力較小。汽包操作壓力按0.40～0.45 MPa控制，如壓力過高，則通過開大汽包頂部至低低壓蒸汽總管的閥門增加蒸汽流量，進而降低操作壓力。但在裝置實際運行中發(fā)現，操作壓力控制過低，會使汽包所產蒸汽大量短路，尾氣焚燒爐過熱器的換熱蒸汽冷源不足，造成過熱器超溫，影響裝置安全生產。

經過調整，將余熱鍋爐汽包壓力提至0.60～0.65 MPa，以此保證過熱器的蒸汽冷源流量，同時在保證尾氣焚燒爐中硫化氫完全燃燒的前提下，將尾氣焚燒爐爐膛溫度由550 ℃降至500 ℃，降低高溫煙氣的溫度，滿足安全運行要求。

5 結語

在對余熱鍋爐實施降壓操作改造后，裝置實現了安全平穩(wěn)運行，達到了預期目標。但由于余熱鍋爐生產的蒸汽由中壓蒸汽降為低低壓蒸汽，涉及到全廠蒸汽平衡，需統(tǒng)一考慮；同時改造后的蒸汽流程出現較大變化，需特別考慮裝置在異常停工情況下如何保障低低壓蒸汽平衡及過熱器的防超溫措施。