CN105776148B - 一种适用于大操作弹性的硫磺回收装置及方法 - Google Patents

一种适用于大操作弹性的硫磺回收装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于大操作弹性的硫磺回收装置及方法，装置通过在余热锅炉顶部设置管线1和管线2，分别与低压饱和蒸汽总管和中压饱和蒸汽总管连接，在管线1和管线2上均设置有压力控制阀门；所述余热锅炉的低温出口与一级硫磺冷凝冷却器的进口连接，一级硫磺冷凝冷却器的出口通过管线3与调节阀连接；在所述余热锅炉的高温出口处设置高温掺和阀，高温掺和阀的进口与调节阀连接，高温掺和阀的出口通过管线4与一级克劳斯反应器的进口连接。本发明能够有效地提高传统硫磺回收装置操作弹性(30％～120％)至10％～120％，使得炼厂上下游装置及硫磺回收装置抗大幅度负荷变化能力更强，保证工厂长周期连续稳定运行。

Description

一种适用于大操作弹性的硫磺回收装置及方法
技术领域
本发明涉及一种用于扩大硫磺回收操作弹性的的硫磺回收装置及方法。
背景技术
以克劳斯法从含H2S酸性气中回收元素硫的工艺已成为天然气加工、炼厂以及煤化工领域的一个重要的硫磺回收工艺技术。
近几十年来，随着工艺技术的进步和新型催化剂的成功研发，克劳斯法硫磺回收工艺得到了快速的发展，改良后的克劳斯硫磺回收工艺技术朝着提高硫磺回收率的方向发展。从最初的90％的回收率到现在99.5％以上，以克劳斯方法为主的硫磺回收工艺在提高硫磺回收率的技术发展上已经到了巅峰。
然而，对于硫磺回收装置的操作弹性来讲，一直以来受到主要设备工作负荷范围以及设备及管道温度的限制，其装置的操作弹性为30％-120％，且硫磺回收装置在高酸气负荷下操作优于低酸气负荷下操作。
对于主要设备工作负荷范围的制约因素，主要表现在主燃烧炉燃烧器本身不宽泛的操作弹性的限制。但是随着技术的发展，近年来，国内外生产厂家(如国外的Duiker、Aeco，国内的艾普等)已经突破了燃烧器1:3(最低燃烧负荷约33％)的下限瓶颈，成功地将燃烧器的工作范围提升到了最大1:10(最低负荷10％)。这一技术的发展，有利于燃烧器本身适应更宽泛的酸气负荷的变化范围。
但特别需要强调的是，对于低酸气负荷下操作硫磺回收装置，主燃烧炉燃烧器实现了低负荷下(最低负荷10％)稳定工作还不能使整个硫磺回收装置实现在低负荷酸气下(最低负荷10％)稳定工作，主要原因还是受限于反应器以及过程气管线中的温度。
众所周知，绝大部分硫磺回收工艺以及后来改良的硫磺回收工艺，都离不开克劳斯催化反应器，而催化反应器入口温度是有要求的。常规克劳斯入口温度根据出口温度确定，需要出口温度满足高于反应器中的硫露点，通常这样的限制条件使得常规克劳斯反应器(即第1级克劳斯反应器)入口温度需要在230℃以上。低温克劳斯反应器入口温度需要高于硫磺的凝固点(114～116℃)即可，通常在工程上需要保证在125℃以上。另外，对于硫磺回收装置过程气管道中的温度来讲，也要求均高于硫磺凝固点以上。往往在酸气负荷较低运行时，这些反应器和管线的温度很难保持以满足均高于硫磺凝固点的要求，导致硫磺回收装置在较低酸气负荷下运行时，发生设备或管线被固体硫磺堵塞的现象，致使装置不能连续稳定运行。
另一方面，对于炼厂或其他化工厂中的硫磺回收装置来讲，酸气负荷变化频繁、变化幅度大，变化范围宽；也要求在这些领域运行的硫磺回收装置具有更为宽泛的操作弹性，甚至要求在10％-120％酸气负荷下都能连续运行。
发明内容
为了克服现有技术的缺点，本发明提供了一种适用于大操作弹性的硫磺回收装置及方法，采用蒸汽压力可在线调整的余热回收工艺、过程气流量控制工艺改良技术，实现将传统硫磺回收装置30％-120％操作弹性扩展到10％-120％。
本发明所采用的技术方案是：一种适用于大操作弹性的硫磺回收装置，包括主燃烧炉、余热锅炉、一级硫磺冷凝冷却器和一级克劳斯反应器，其中：所述余热锅炉顶部设置管线1和管线2，分别与低压饱和蒸汽总管和中压饱和蒸汽总管连接，在管线1和管线2上均设置有压力控制阀门；所述余热锅炉的低温出口与一级硫磺冷凝冷却器的进口连接，一级硫磺冷凝冷却器的出口通过管线3与调节阀连接；在所述余热锅炉的高温出口处设置高温掺和阀，高温掺和阀的进口与调节阀连接，高温掺和阀的出口通过管线4与一级克劳斯反应器的进口连接。
本发明还提供了一种适用于大操作弹性的硫磺回收方法，当酸气负荷在30％以上时，利用管线1的压力控制阀门，使余热锅炉产生低压饱和蒸汽，使得余热锅炉低温出口温度在300～330℃，并调整高温掺和阀的开度，使得管线4进克劳斯反应器的温度控制在230℃以上，此时管线3上的调节阀置手动全开；
当酸气负荷为10％～30％时，将管线3上的调节阀置自动控制，通过自动减小调节阀的开度，增加流经余热锅炉上部换热管的气量，同时减少流经余热锅炉下部换热管的气量，使得管线4进克劳斯反应器的温度控制在230℃以上；若管线4进克劳斯反应器的温度不能达到230℃以上时，利用管线2的压力控制阀门，使余热锅炉产生中压饱和蒸汽，并通过同时自动调整高温掺和阀和调节阀的开度，使得管线4进克劳斯反应器的温度控制在230℃以上。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：
(1)本发明能够有效地提高传统硫磺回收装置操作弹性(30％～120％)至10％～120％，使得炼厂上下游装置及硫磺回收装置抗大幅度负荷变化能力更强，保证工厂长周期连续稳定运行。
(2)本发明的蒸汽压力可在线调整的余热回收工艺不仅能够实现在低负荷下保证过程气温度，而且还能在正常运行时通过切换蒸汽压力等级，以适应全厂管网不同蒸汽压力的需要。
(3)过程气流量控制工艺中的夹套调节阀和高温掺和阀取同一点温度信号，并实现分程控制，以自适应调节的手段实现在负荷发生变化时(特别是负荷显著降低时)自动调节并有效保证过程气要求的温度。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
一种适用于大操作弹性的硫磺回收装置，如图1所示，包括：主燃烧炉5、余热锅炉6、一级硫磺冷凝冷却器7、一级克劳斯反应器8等，其中：
余热锅炉6顶部设置管线1和管线2，分别与低压饱和蒸汽总管和中压饱和蒸汽总管连接，在管线1和管线2上均设置有压力控制阀门；余热锅炉6的低温出口与一级硫磺冷凝冷却器7的进口连接，一级硫磺冷凝冷却器7的出口通过管线3与调节阀10连接；余热锅炉6的高温出口处设置高温掺和阀9，高温掺和阀9的进口与调节阀10连接，高温掺和阀9的出口通过管线4与一级克劳斯反应器8的进口连接。
本发明还提供了一种适用于大操作弹性的硫磺回收方法，包括如下步骤：
第1步，来自上游的酸气和风机供给的空气进入主燃烧炉5进行燃烧反应，产生高温过程气。
第2步，当酸气负荷较高时(通常30％以上)，利用管线1以及上面的压力控制阀门，使余热锅炉产生0.4～0.6MPa(g)的低压饱和蒸汽，使得余热锅炉6低温出口温度在300～330℃，并调整高温掺和阀9的开度，使得管线4进克劳斯反应器8的温度控制在230℃以上，此时管线3上的调节阀10置手动全开，且不启用自动控制。
第3步，当酸气负荷较低时(10％～30％)，首先将管线3上的调节阀10置自动控制，通过减小此阀门的开度，增加流经余热锅炉6上部换热管11的气量，同时减少流经余热锅炉下部换热管12的气量，由此调整管线4进克劳斯反应器的温度，使之在230℃以上，保证硫磺回收装置在低酸气负荷下正常运行；
若通过减小调节阀10的开度仍然不能使管线4进克劳斯反应器的温度控制在230℃以上，则利用管线2以及上面的压力控制阀门，使余热锅炉6产生3.4～4.0MPa(g)的中压饱和蒸汽，并通过同时自动调整高温掺和阀9和调节阀10的开度，使得管线4进克劳斯反应器的温度控制在230℃以上。
以上是硫磺回收装置在负荷变化时，为了使装置能够适应较大幅度的负荷变化，同时也保证装置在低负荷(最低10％)酸气下也能正常运行进行的一系列自适应的调节方法和过程。
本发明的工作原理为：
本发明主要由以下2种优化和改进的技术组成：
1)蒸汽压力可在线调整的余热回收工艺：
硫磺回收主燃烧炉后面连接的设备通常为余热锅炉，用来回收主燃烧炉高温的过程气的热量并产生蒸汽外输。传统硫磺回收工艺中该设备仅能产生一种压力的蒸汽，设计完成之后，余热锅炉过程气出口温度就只跟硫磺回收装置处理的酸气量(酸气负荷)有关。通常遇到的问题是在100％酸气负荷工况下设计该余热锅炉，但是当实际运行遇到低酸气负荷时，该余热锅炉过程气出口温度将低于设计值，此时过程气出口温度可能过低以至于造成后续设备及管道温度低于硫磺凝固点而堵塞。
本发明的蒸汽压力可在线调整的余热回收工艺，是将余热锅炉设计成可产生至少2种不同压力蒸汽。通常1种为0.4～0.6MPa(g)的低压饱和蒸汽以及另1种3.4～4.0MPa(g)的中压饱和蒸汽。通过余热锅炉壳程的蒸汽温度来控制管程出口过程气的温度。当低酸气负荷时，可提高余热锅炉产生的蒸汽压力，从而提高管程出口过程气的温度，以使得后续设备及管道的温度不至于低至硫磺凝固点(114～116℃)。在此工艺中，余热锅炉及相应蒸汽管道和阀门的设计压力按照最高蒸汽压力设计，以保证在切换时不会超压。
2)过程气流量控制工艺：
对于采用高温掺和阀工艺的硫磺回收过程气再热工艺流程来讲，余热锅炉管程通常设计成上下两种不同规格的换热管，相应管程出口为两个出口(一个高温出口，出口温度为550～650℃，另一个为低温出口，出口温度为300～330℃)。但当硫磺回收装置处于低负荷运行时，高温出口和低温出口的温度都会相应降低，最终导致高温掺和阀出口的温度无法达到克劳斯反应器所需的入口温度。
本发明的过程气流量控制工艺是在第一级硫磺冷凝冷却器7的过程气出口管线上设置一个自动调节阀10(蒸汽夹套式以防止硫磺凝固)，通过控制该阀门的开度来调节过程气通过余热锅炉下部管程的流通量。当硫磺回收装置在低负荷运行时，关小此阀门，减少过程气通过余热锅炉下部管程的流量，增大过程气通过余热锅炉上部管程的流量，从而提高高温掺和阀出口的过程气温度，以使得下一级设备(通常为克劳斯反应器)入口温度满足反应要求。

Claims (5)

1.一种适用于大操作弹性的硫磺回收装置，其特征在于：包括主燃烧炉、余热锅炉、一级硫磺冷凝冷却器和一级克劳斯反应器，其中：所述余热锅炉顶部设置第一管线（1）和第二管线（2），分别与低压饱和蒸汽总管和中压饱和蒸汽总管连接，在第一管线（1）和第二管线（2）上均设置有压力控制阀门；所述余热锅炉的低温出口与一级硫磺冷凝冷却器的进口连接，一级硫磺冷凝冷却器的出口通过第三管线（3）与调节阀连接；在所述余热锅炉的高温出口处设置高温掺和阀，高温掺和阀的进口与调节阀连接，高温掺和阀的出口通过第四管线（4）与一级克劳斯反应器的进口连接。
2.根据权利要求1所述的一种适用于大操作弹性的硫磺回收装置，其特征在于：所述调节阀为蒸汽夹套式调节阀。
3.一种适用于大操作弹性的硫磺回收方法，其特征在于：当酸气负荷大于30%时，利用第一管线（1）的压力控制阀门，使余热锅炉产生低压饱和蒸汽，使得余热锅炉低温出口温度在300~330℃，并调整高温掺和阀的开度，使得第四管线（4）进克劳斯反应器的温度控制在230℃以上，此时第三管线（3）上的调节阀置手动全开；
当酸气负荷为10%~30%时，将第三管线（3）上的调节阀置自动控制，通过自动减小调节阀的开度，增加流经余热锅炉上部换热管的气量，同时减少流经余热锅炉下部换热管的气量，使得第四管线（4）进克劳斯反应器的温度控制在230℃以上；若第四管线（4）进克劳斯反应器的温度不能达到230℃以上时，利用第二管线（2）的压力控制阀门，使余热锅炉产生中压饱和蒸汽，并通过同时自动调整高温掺和阀和调节阀的开度，使得第四管线（4）进克劳斯反应器的温度控制在230℃以上。
4.根据权利要求3所述的一种适用于大操作弹性的硫磺回收方法，其特征在于：所述低压饱和蒸汽为0.4~0.6MPa(g) 。
5.根据权利要求3所述的一种适用于大操作弹性的硫磺回收方法，其特征在于：所述中压饱和蒸汽为3.4~4.0MPa(g)。
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