2023年CBA硫磺回收装置在低负荷下的运行.docx

CBA硫磺回收装置在低负荷下的运行 王韵虞 王向林 袁铖 李想 中国石油西南油气田公司重庆天然气净化总厂大竹分厂，四川大竹（635100） ：本文对CBA硫磺回收工艺流程、切换程序进行了详细的阐述，并结合大竹分厂的运行经验对CBA工艺在低负荷条件下操作要点进行了探讨。 关键词：CBA工艺 工艺流程 切换程序 低负荷 操作要点 0 引言 大竹分厂硫磺回收单元采用美国BV公司许可的四级转化冷床吸附（Cold Bed Adsorption，简称CBA）工艺，设计硫回收率≥99.2%，硫磺产量为45.4t/d。从2023年4月投产起，硫磺回收单元一直处于低负荷状态下运行。 1 CBA工艺介绍 工艺流程简介 从脱硫单元来的酸气经酸气别离器(D-1401)别离出酸水，再经酸气预热器(E-1401)加热后，进入主燃烧炉与主风机(K-1401)送来的经空气预热器(E-1402)加热后的空气按一定配比在炉内进行克劳斯反响。 自主燃烧炉(H-1402)出来的气流经余热锅炉(E-1403)后温度降至420℃，再经一级冷凝冷却器（E-1404）冷却至162℃，其中大局部硫蒸汽被冷凝下来。自一级冷凝器出来的过程气进入再热器(E-1405)，升温至218℃后与余热锅炉出来的小局部420℃过程气混合至241℃，进入常规克劳斯反响器(R-1401)，气流中的H2S和SO2在催化剂床层上反响生成元素硫， 克劳斯反响器的过程气温度升至344℃左右。（下面为便于表达，假设R-1402处于再生态，而R-1403、R-1404处于吸附态）。再生初期，自R-1401出来的过程气通过三通切换阀直接进入CBA一级反响器(R-1402)，催化剂床层上吸附的液硫逐步汽化。出CBA一级反响器的过程气进入一级CBA硫磺冷凝冷却器(E-1407)冷却，分出其中冷凝的液硫后不经再热直接进入CBA二级反响器(R-1403)，过程气在其中进行低温克劳斯反响。 出CBA二级反响器的过程气进入二级CBA硫磺冷凝冷却器(E-1408)冷却，分出其中冷凝的液硫后进入CBA三级反响器(R-1404)，在其中进行低温克劳斯反响。出CBA三级反响器的过程气进入三级CBA硫磺冷凝冷却器(E-1409)冷却，分出其中冷凝的液硫后进入液硫捕集器(D-1404)将其中携带的硫磺液滴及硫雾捕集下来后进入尾气燃烧炉(H-1404)。燃烧后的废气通过100m高的烟囱（X-1413）排放。 三台CBA反响器和三台CBA硫冷器通过三个两通阀和四个三通阀控制，重复进行再生、吸附状态的转换。 图1 CBA工艺流程图 CBA循环对硫磺回收装置的正常运行起着至关重要的作用。CBA反响器的切换操作主要由四个三通程序切换阀（在四个反响器出口）和三个两通程序切换阀（在CBA反响器入口）进行控制。合理控制工艺应建立在充分理解循环步骤和阀门位置，以及在切换过程中，各阀门的开关状态。以下为切换步骤： 1、步骤0：初始状态 该步骤反映的是初始化切换顺序时通过装置的流径。本步骤中，流体将通过克劳斯反响器（R-1401）、克劳斯冷凝器（E-1406）、一级CBA反响器（R-1402）、一级CBA冷凝器（E-1407）、二级CBA反响器（R-1403）、二级CBA冷凝器（E-1408）、三级CBA反响（R-1404）和三级CBA冷凝器（E-1409），然后进入尾气灼烧炉。CBA反响器均处于吸附模式且硫磺回收率处于循环中的最高值。该模式将一直持续到一级CBA反响器中的硫磺进料接近每1kg催化剂有0.75kg硫磺。（见图2） 图2 CBA程序切换控制图 2、 步骤1：切换KV-1415 KV-1415在切换后R-1401出口过程气不再流过克劳斯冷凝器E-1406。此时，克劳斯反响器的过程气将从旁通管路通过克劳斯冷凝器。本步骤大约持续一分钟。 3、步骤2：一级CBA反响器加热 344℃的过程气从旁通管路通过克劳斯冷凝器进入一级CBA反响器预热。在本步骤末，催化剂床顶部的温度将达344℃左右，催化剂床底部的温度那么在291℃左右。本步骤大约持续3.8小时。 4、 步骤3：一级CBA反响器再生 一级CBA反响器的出口温度一旦到达291℃，那么硫磺将从催化剂中脱附出来。本步骤大约持续3小时。接近本步骤末时，一级CBA反响器出口气体将迅速升温至344℃左右。在本步骤末，整个催化剂床的温度将到达344℃且催化剂中几乎没有硫磺。 5、 步骤4：一级CBA反响器均热 热过程气应继续在催化剂床上流通30分钟以完成一级CBA反响器的再生。这样就能确保所有硫磺完全脱附催化剂床。 6、步骤5：切换 KV-1415 在本步骤中KV-1415应切换成角形流，即克劳斯反响器出口的过程气流过克劳斯冷凝器从而将过程气冷却至127℃左右。 7、 步骤6：一级CBA反响器预冷却 当克劳斯冷凝器的冷却过程气流过一级CBA反响器时，催化剂床的顶部温度将由344℃冷却至127℃左右，底部被冷却至244℃左右。本步骤在一级CBA反响器出口气的温度到达244℃时终止，大约持续3小时。 8、步骤7：切换 KV-1417、开启KV-1418 在该步骤中应开启KV-1418。KV-1417应同时转至角位。经短时后流体将进入一级CBA反响器和二级CBA反响器。一级CBA冷凝器的尾气将转入灼烧炉。 9、步骤8：切换KV-1421，关闭KV-1416 KV-1418一旦经中间位置开关确认处于半开，那么KV-1416将开始关闭。三通阀KV-1417一旦经中间位置开关确认到达它的中间位置，KV-1421将开始切换至直通流。此时流体将流经克劳斯冷凝器、二级CBA反响器、二级CBA冷凝器、三级CBA反响器、三级CBA冷凝器、一级CBA反响器和一级CBA冷凝器，然后进入尾气灼烧炉。 至此，R-1402处于主位的CBA切换完成。当R-1403处于主位进行切换时，动作的阀门有：KV-1415、KV-1417、KV-1418、KV-1419、KV-1420。当R-1404处于主位进行切换时，动作的阀门为：KV-1415、KV-1416、KV-1419、KV-1420、KV-1421。 另外，在生产过程中，根据硫磺回收单元的负荷情况，可对再生和吸附时间作相应调整。保证整个CBA切换处于优化状态。 1.3 CBA工艺实际运行情况 大竹分厂原料气H2S含量设计为11～24g/m3，实际运行过程中，H2S含量约为12 g/m3。硫磺回收装置设计进料条件如下表。 表1 硫磺回收装置设计进料条件 操作条件 组份 mol% 条件1 条件2 H2S CO2 H2O C1 共计 酸气处理量为m3/h 由此可见，硫磺回收装置设计处理量为1416～2121m3/h，H2S浓度在45.89～62.35%。硫磺回收装置在低负荷运行过程中，各个反响器温度均低于设计值，如下表所示。 表2 硫磺回收运行过程中局部参数 时间 酸气量m3/h H2S浓度 R-1401床层最高温度℃ R-1402床层最高温度℃ R-1403床层最高温度℃ R-1404床层最高温度℃ 6.21 00：00 1417 60.49% 311 149 128 223 6.24 16：00 1417 58.99% 311 135 231 140 00：00 1418 57.15% 308 149 133 243 7.10 16：00 1427 60.09% 309 216 149 132 7.30 00：00 1422 54.92% 311 225 132 133 由上可知，在设计操作范围内，常规克劳斯反响器温度达不到设计值343℃，相应地各个CBA反响器的最高再生温度远低于设计值。致使吸附CBA反响器催化剂上的硫不能被充分解吸出来。 2 CBA工艺在低负荷下的操作 2.1主燃烧炉温度控制 主燃烧炉是双区炉，酸气可由Ⅰ区进炉，或者由Ⅰ区、Ⅱ区同时进炉。正常情况下，酸气全部从Ⅰ区入炉，以便使酸气中所含烃类完全燃烧。为维持主燃烧炉火焰稳定以及保证热反响器效率，主燃烧炉最低温度不低于950℃。由于硫磺回收装置长期处于低负荷下运行，当原料气量或者原料气中H2S含量降低时，容易造成主燃烧炉温度低于最低控制温度。处理措施为： 1、为确保主燃烧炉温度，可将局部酸气从Ⅱ区入炉，以减少主燃烧炉热损失。 2、假设局部酸气从Ⅱ3燃料气的比率参加蒸汽。 由于在低负荷状态下运行，硫磺回收装置各反响器出口温度均达不到设计值。如克劳斯反响器R-1401出口温度，设计值为343℃，实际值在290～300℃。当CBA反响器再生预热时，由于克劳斯反响器R-1401出口温度过低，最高温度只能到达约276℃，达不到再生的最低控制温度291℃。在操作过程中，尽可能提高高温掺合阀开度，以提高常规克劳斯反响器温度。但同时，必须严密监视将E-1404出口过程气温度，保证该点温度不低于150℃，以防止E-1404出口过程气管线发生堵塞现象。 大竹分厂硫磺回收装置各点温度均达不到设计值，克劳斯冷凝器在CBA反响器处于再生阶段和CBA冷凝器在吸附阶段，冷凝器出口端过程气温度均较低。为防止过程气在通过冷凝器时在管壁上出现堵塞现象，必须保证各过程气系统各点温度在120℃以上。在硫磺回收装置运行初期，冷凝器出口端过程气温度经常低于120℃，于是分厂将低低压蒸汽系统的压力提高到0.13 MPa（设计值为0.11～0.13），同时将各冷凝器液位降低到约62%，各级冷凝器出口过程气温度均高于120℃。假设某级冷凝器出口端过程气温度仍低于120℃，那么翻开该冷凝器暖锅蒸汽，那么能提高该点过程气温度。 各CBA反响器再生床层温度长期为约275℃，低于再生最低温度291℃，不能使催化剂上吸附的硫完全解析。通过长时间积累，造成严重催化剂积硫。此时再生时，CBA反响器最低床层温度约270℃，反响器出口温度约243℃。在CBA程序切换过程中，反响器二次升温后，温度低于291℃，需要强制切换程序，才能使切换进入均热步骤。于是，规定反响器出口温度高于251℃（此时CBA反响器床层温度约270℃）后，才强制切换程序进入均热状态。通过延长升温时间，防止催化剂外表严重积硫。 2.5 CBA工艺停产除硫操作 2.5.1 停产除硫操作 除硫的目的：1）去除硫磺回收装置中的硫磺；2）使反响器床层催化剂中的H2S脱离。 分厂主燃烧炉最大燃料气流量为120m3，当燃料气在最大负荷下燃烧时，CBA床层最高温度仅为约240℃，不利于除硫。为彻底解析长期累积在CBA反响器催化剂上的硫，在停产前，磺回收装置以燃料气和酸气共燃模式除硫。在该过程中，应根据主燃烧炉温度（主燃烧炉温度不能超过1315℃），缓慢参加燃料气，空气流量按化学计量的99±2%控制，并通入适量蒸汽，按照1m3燃料气加3.5Kg蒸汽的比例通入蒸汽。 燃料气和酸气共燃模式运行模式稳定后，逐渐增加高温掺合阀开度，以提高常规克劳斯反响器入口过程气温度（反响器内温度不能超过343℃）。注意在调整高温掺合阀开度时，密切监视一级冷凝器E-1404出口过程气温度，必须高于150℃，防止发生硫磺堵塞现象。 在酸气流量、组分几乎无变化情况下，硫磺回收装置在酸气、燃料气共燃模式下同酸气燃烧运行模式下各点温度比照方下表。 表3 酸气、燃料气共燃同酸气燃烧时各点温度比照 测量点 酸气燃烧 酸气、燃料气共燃 E-1403出口温度 404℃ 429℃ 常规克劳斯反响器入口温度 270℃ 286℃ 常规克劳斯反响器中部床层温度 319℃ 343℃ 常规克劳斯反响器出口过程气温度 302℃ 326℃ CBA反响器再生最高温度 251℃ 304℃ 2.5.2 除硫操作步