克劳斯硫磺回收主要设备及操作条件.docx
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克劳斯硫磺回收主要设备及操作条件
克劳斯硫磺回收主要设备及操作条件
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KG-AO-7607-15
克劳斯硫磺回收主要设备及操作条件
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现以直流法为例，这类硫磺回收装置的主要设备有反应炉、余热锅炉、转化器、硫冷凝器和再热器等，其作用和特点如下。
1.反应炉
反应炉又称燃烧炉，是克劳斯装置中最重要的设备。
反应炉的主要作用是：
①使原料气中1/3体积的H₂S氧化为SO₂；②使原料气中烃类、硫醇氧化为CO₂等惰性组分。
燃烧在还原状态下进行，压力为20～100kPa，其值主要取决于催化转化器级数和是否在下游需要尾气处理装置。
反应炉既可是外置式（与余热锅炉分开设置），也可是内置式（与余热锅炉组合为一体）。
在正常炉温（980～1370℃）时，外置式需用耐火材料衬里来保护金属表面，而内置式则因钢质火管外围有低温介质不需耐火材料。
对于规模超过30t/d硫磺回收装置，外置式反应炉更为经济。
无论从热力学和动力学角度来讲，较高的温度有利于提高转化率，但受反应炉内耐火材料的限制。
当原料气组成一定及确定了合适的风气比后，炉膛温度应是一个定值，并无多少调节余地。
反应炉内温度和原料气中H₂S含量密切有关，当H₂S含量小于30%时就需采用分流法、硫循环法和直接氧化法等才能保持火焰稳定。
但是，由于这些方法的酸气有部分或全部烃类不经燃烧而直接进入一级转化器，将导致重烃裂解生成炭沉积物，使催化剂失活和堵塞设备。
因此，在保持燃烧稳定的同时，可以采用预热酸气和空气的方法来避免。
蒸汽、热油、热气加热的换热器以及直接燃烧加热器等预热方式均可使用。
酸气和空气通常加热到230～260℃。
其他提高火焰稳定性的方法包括使用高强度燃烧器，在酸气中掺入燃料气或使用氧气、富氧空气等。
燃烧时将有大量副反应发生，从而导致H₂、CO、COS和CS₂等产物的生成。
由于燃烧产物中的H₂含量大致与原料气中的H₂S含量成一定比例，故H₂很可能是H₂S裂解生成的。
CO、COS和CS₂等的生成量则与原料气中CO₂和烃类含量有关。
反应物流在炉内的停留时间（从进口流到出口所需时间）是决定反应炉体积的重要设计参数，一般至少为0.5s。
高H₂S含量的原料气通常所需停留时间少于低H₂S含量的原料气。
耐火材料的选择和设计十分重要。
因为如果金属表面过热（超过343℃），导致与H₂S直接反应；如果冷却至S0₂、S0₃露点以下，又将导致硫酸冷凝，加速腐蚀。
为保护人身安全，经常安装外置式绝热层和覆盖层，以使金属表面温度高于硫酸露点204℃之上。
2.余热锅炉
余热锅炉旧称废热锅炉，其作用是从反应炉出口的高温气流中回收热量以产生高压蒸汽，并使过程气的温度降至下游设备所要求的温度。
对于大多数内置式反应炉而言，原料气燃烧器置于前段体积较大的单程火管（辐射段）中，过程气随后进入一级或多级管程管束（对流段）中。
前段火管因有外部介质冷却，不需耐火材料保护，但其后的导气板和其他未经冷却、暴露于温度高于343℃过程气中的金属表面则需耐火材料保护。
余热锅炉又有釜式和自然循环式之分，二者都是卧式设备，以保证所有管予都浸入水中。
余热锅炉产生的蒸汽压力通常是1.0～3.5MPa，故余热锅炉出口温度一般高于过程气中硫的露点温度。
然而，仍会有一部分硫蒸气冷凝下来，特别是在负荷不足的情况下，应采取措施将这些液硫从过程气中排出。
，当不能提供高质量锅炉给水或不需要产生蒸汽的地方，可使用乙二醇与水的混合溶液、胺溶液、循环冷却水（不能沸腾）和油浴作冷却液。
3.转化器（反应器）
转化器的作用是使过程气中的H₂S与SO₂在其催化剂床层上继续反应生成元素硫，同时也使过程气中的COS和CS₂等有机化合物水解为H2S与CO₂。
目前，硫磺产量低于1OOt/d的克劳斯装置系将所有催化剂床层用隔板分开并安装在一个卧式转化器中，而大型克劳斯法装置的转化器通常是单独设置的。
规模大于800t/d的装置也有采用立式的。
由于催化反应段反应放出的热量有限，故通常均使用绝热式转化器，内部无冷却水管。
由于转化器内的反应是放热反应，低温有利于平衡转化率，但COS和CS₂只有在较高温度下才能水解完全。
因此，一级转化器温度较高，以使COS、CS₂充分水解；二级、三级转化器温度只需高到可蒸得满意的反应速度并避免硫蒸气冷凝即可。
通常，一级转化器入口温度为232～249℃；二级转化器入口温度为199～221℃；三级转化器入口温度为188～210℃。
由于克劳斯法反应和COS、CS₂水解反应均系放热反应，故转化器催化剂床层会出现温升。
其中，一级转化器为44～100℃；二级转化器为14～33℃；三级转化器为3.8℃。
因为有热损失，三级转化器测出的温度经常显示出有一个很小的温降。
4.硫冷凝器
硫冷凝器的作用是将反应生成的硫蒸气冷凝为液硫而除去，同时回收过程气的热量。
硫冷凝器可以是单程或多程换热器，推荐采用卧式管壳式冷凝器。
安装时应放在系统最低处，且太多数有1%～2%的倾角坡向液硫出口处。
回收的热量用来发生低压蒸汽或预热锅炉给水。
硫蒸气在进入一级转化器前冷凝（分流法除外），然后在每级转化器后冷凝，从而提高转化率。
除最后一级转化器外，其他硫冷凝器的设计温度在166～182℃，因为在该温度范围内冷凝下来的液硫黏度很低，而且过程气一侧的金属壁温又高于亚硫酸和硫酸的露点。
最后一级硫冷凝器的出口温度可低至127℃，这主要取决于冷却介质。
但是，由于有可能生成硫雾，故硫冷凝器应有良好的捕雾设施，同时应尽量避免过程气与冷却介质之间温差太大，这对最后一级硫冷凝器尤为重要。
硫冷凝器后部设有气液分离段以将液硫从过程气中分离出来。
气液分离段可以与冷凝器组合为一体，也可以是一个单独容器。
5.再热器
再热器的作用是使进入转化器的过程气在反应时有较高的反应速度，并确保过程气的温度高于硫露点。
过程气进入转化器的温度可按下述要求确定：
①比预计的出口硫露点高14～17℃；②尽可能低，以使H₂S转化率最高，但也应高到反应速度令人满意；③对一级转化器而言，还应高到足以使COS和CS₂充分水解生成H₂S和CO₂，即
常用的再热方法有热气体旁通法（高温掺合法）、直接再热法（在线燃烧炉法）和间接再热法（过程气换热法）等，见图4-8所示。
热气体旁通法是从余热锅炉侧线引出一股热过程气，温度通常为480～650℃，然后将其与转化器上游的硫冷凝器出口过程气混合。
直接再热法是采用在线燃烧器燃烧燃料气或酸气，并将燃烧产物与硫冷凝器出口的过程气混合。
间接再热法则采用加热炉或换热器来加热硫冷凝器出口的过程气，热媒体通常是高压蒸汽、热油和热过程气，也可使用电加热器。
通常，热气体旁通法成本最低，易于控制，压降也小，但其总硫收率较低，尤其是处理量降低时更加显著。
一般可在前两级转化器采用热气体旁通法，第三级转化器采用间接再热法。
直接再热法的在线燃烧器通常使用一部分酸气，有时也使用燃料气。
这种方法可将过程气加热到任一需要的温度，压降也较小。
缺点是如果采用酸气燃烧，可能生成SO₂（硫酸盐化会使催化剂中毒）；如果采用燃料气，可能生成烟炱，堵塞床层使催化剂失活。
间接再热法是在各级转化器之前设置一个换热器。
此法成本最高，而且压降最大。
此外，转化器进口温度还受热媒体温度的限制。
例如，采用254℃、4.14MPa的高压蒸汽作热源时，转化器的最高温度约为243℃。
这样，催化剂通常不能复活，而且COS和CS₂水解也较困难。
但是，间接再热法的总硫收率最高，而且催化剂因硫酸盐化和炭沉积失活的可能性也较小。
综上所述，采用不同的再热方法将会影响总硫收率。
各种再热方法按总硫收率依次递增的顺序为：
热气体旁通法、在线燃烧炉法、气/气换热法、间接再热法。
热气体旁通法通常只适用于一级转化器，直接再热法适用于各级转化器，间接再热法一般不适用于一级转化器。
6.焚烧炉（灼烧炉）
由于H₂S毒性很大不允许排放，故克劳斯装置的尾气即使已经过处理也必须焚烧后将其中的H₂S等转化为SO₂再排放。
尾气焚烧有热焚烧和催化焚烧两类，目前以热焚烧应用较广泛。
热焚烧是在氧过量（通常为20%～100%）的条件下进行的焚烧温度达到480～815℃。
绝大多数焚烧炉是在负压下自然引风操作。
由于尾气中含有的可燃物，如H₂S、COS、CS₂、H₂和元素硫含量太低（一般总计不超过3%），故必须在高温下焚烧，以使硫和硫化物转化成SO₂。
焚烧尾气的大量热量可通过将蒸汽过热或产生0.35～3.1OMPa的饱和蒸汽等措施加以回收。
在回收余热时，应注意此时燃烧气出口温度较低，故必须充分考虑烟囱高度。
另外，回收余热的焚烧炉通常采用强制通风在正压下操作。
催化焚烧可以减少焚烧炉的燃料气用量，即先将尾气加热到316～427℃，然后与一定量的空气混合后进入催化剂床层。
催化焚烧采用强制通风，在正压下操作。
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