改造硫黄回收塔降低药剂消耗方法研究

丁 路 杨其展 刘兴茂 郭志强 魏元军 谭疆晖

中国石油塔里木油田分公司, 新疆 库尔勒 841000

0 前言

LO-CAT硫黄回收工艺与Klaus硫黄回收工艺不同。LO-CAT工艺通过硫黄回收氧化塔内Fe3+将化合态的硫转化为单质硫,再通过氧气将还原产物Fe2+氧化为Fe3+,最后通过滤液冲洗回收装置产出硫黄并实现对催化剂溶液循环利用，具有能耗低、反应温度低、安全性高等优点。

1 LO-CAT硫黄回收工艺介绍

某油气处理站LO-CAT硫黄回收工艺原理图见图1。

图1 硫黄回收工艺原理图

脱硫工艺总的化学反应：

(1)

吸收区内的化学反应——吸收反应:

H2S在配比液中被吸收、电离

(2)

硫氢根被铁离子氧化生成硫单质

(3)

吸收部分总反应式

(4)

三个氧化区内的化学反应——再生反应:

O2在配比溶液中被吸(1∶0.049,20 ℃)

(5)

亚铁离子的再生

(6)

再生部分总反应方程式

(7)

从塔板上曝气管鼓入的空气可以再生催化剂溶液;同时由于除吸收区外的三个氧化区均鼓入空气,因此可使吸收区域和氧化区域的溶液产生密度差,给溶液循环提供驱动力,即行成扇区自循环结构。因此液体在吸收区域向上流动,在反应区域向下流动,在氧化区域内向上流动,在脱气区域内向下流动。最终产生的硫黄通过隔板的间隙沉入锥底,通过滤液冲洗回收装置产出[1-9]。

某油气处理站硫黄回收装置采用LO-CAT工艺。酸气设计处理量为808.3 m3/h,硫黄设计产量为9.5 t/d,实际酸气处理量平均150 m3/h,远低于设计负荷。

2 硫黄回收系统存在问题

某油气处理站在实际运行过程中,总硫量少,实际产量不到1 t/d,不足设计产量的10%,但是相对于较少的硫黄产量,药剂的消耗明显偏高,造成运行成本居高不下,参数对比见表1。按照现有150 m3/h的酸气处理量进行理论计算,年消耗药剂价值约200万元,但实际年消耗药剂价值约600万元,每年有400万元药剂被严重浪费[10-14]。

表1 硫黄回收系统主要设计参数与实际运行参数对比

项目原设计参数实际运行参数硫黄产量/(t·d-1)9.50.8酸气处理量/(m3·h-1)200～970130～150铁离子剂流量/(L·h-1)0.750.4螯合剂流量/(L·h-1)31.61445%KOH流量/(L·h-1)10.627鼓风流量/(m3·h-1)4 6004 800pH8.0～9.08.8～8.9ORP电位/mV330～500-200～-100尾气H2S体积分数φ/10-6<10<10

由于溶液循环动力不足,塔盘内沉积大量硫黄,每年检修需要耗费巨大人力清理(10人清理20 d)。由于硫黄堆积在曝气管上,导致曝气管出气压力升高,造成憋压撕裂,见图2;同时吸收区堆积的硫黄堵塞分布酸气的鸭嘴,导致鸭嘴受压损坏,见图3。由于上述原因需每年对曝气管和鸭嘴更换一次(200个鸭嘴、105 m曝气管),维护成本较高。

图2 被撕裂的曝气管

图3 吸收区堆积的硫黄

3 药剂消耗大原因分析

为了使塔内循环顺利进行,需要维持较大的空气流量(目前空气量为4 800 m3/h)。

矛盾之处在于若降低空气流量,整个循环过程又难以正常进行。即现有的酸气设计量与依靠密度差的扇区自循环结构导致鼓风量和药剂消耗量必须维持在较高的水平。

而相对于扇区自循环系统,内外筒自循环系统依靠内外筒形成表观密度差,外筒溶液向上流动,内筒溶液向下流动,系统内形成自动循环,适用于较小的酸气量。

4 改造方案

结合厂家意见,把现有吸收氧化塔的反应区改造成内外筒结构,原吸收区停止使用,其他区域结构不变。改造后酸气处理能力可以达到250 m3/h,每天产硫膏2.5 t。具体改造措施如下[24]:

1)改造反应区内筒和挡板、堰板,在塔内新建一个内筒,尺寸为DN 2 000×4 100,在内筒新布置酸气管线和鸭嘴,并将药剂加入口转移到新改造的内筒。

2)割除反应区部分底板行成外筒,在外筒新建空气吹扫管线和曝气管用于溶液再生。

3)原吸收区的酸气管线停止使用,原氧化区的曝气管继续使用;空气流量由原来的4 800 m3/h降低至1 500 m3/h。

4)在原吸收区底板割出4个20 cm×20 cm的方形孔,以解决硫黄沉积(看实验效果后大规模开孔)。

改造后的内外筒循环系统见图4～5。

5 改造效果

改造后的硫黄装置于2016年11月22日投产,1个月平稳运行之后,各项参数平稳;硫黄的实际产量0.7 t/d与根据酸气量核算出的理论产量0.8 t/d接近;硫黄的药剂消耗量也大幅降低,说明改造后的内外筒自循环系统是成功的改造前后药剂对比见表2。

图4 内外筒自循环示意图

图5 新建内筒

表2 改造前后硫黄主要参数对比

项目改造前改造后螯合剂流量/(L·h-1)145氢氧化钾流量/(L·h-1)2718铁离子流量/(L·h-1)5.65.6ORP电位/mV-300～-200-300～-200pH8.0～9.58.0～9.5尾气H2S体积分数φ/10-6<10<10鼓风流量/(m3·h-1)4 8001 800

经过第一次改造,药剂消耗量显著降低。但在2017年对硫黄吸收氧化塔打开检查时发现塔板上依旧沉积了大量硫黄,但在原吸收区底板开孔处几乎无硫黄沉积。为此,经过研究在原来的氧化区底板开孔,以避免硫黄沉积,见图6～7。

图6 塔板割底板

图7 2018年打开吸收氧化塔基本无硫黄沉积

2018年再次打开硫黄吸收氧化塔发现塔板几乎无硫黄沉积,说明改造成功。

6 结论

经过对硫黄吸收塔两种自循环方式的研究与改造,降低了硫黄药剂消耗,每年可创造效益104万元;同时对塔盘开孔避免硫黄沉积,减少了人力清理工作量且提升了安全。经过这两步改造,硫黄装置趋于经济高效运行,节能降耗效果明显。