一种天然气净化厂低硫高碳酸气硫回收工艺及装置

摘要

本发明属于硫磺回收和烟气净化领域，具体涉及一种天然气净化厂低硫高碳酸气硫回收工艺及装置，装置包括反应器、硫冷凝器、硫分离器、尾气净化罐、尾气焚烧炉、烟囱、液硫输送泵、硫磺造粒机和半自动包装机等设备。通过这些设备，将酸气中

说明书

技术领域

本发明属于硫磺回收和烟气净化领域，具体涉及一种天然气净化厂低硫高碳酸气硫回收工艺及装置。

背景技术

天然气净化厂酸气来自厂内天然气脱硫装置，脱硫装置选用醇胺法脱硫工艺。含                                                天然气经脱硫处理后，由胺液再生塔顶部出来，约100℃酸气经酸气空冷器冷至冷至40～45℃，再经酸气分离器，分离出酸性冷凝水后的酸气进入硫磺回收装置。酸气主要成分为和，并含少量携带的游离水和醇胺液。

对于含量低气藏的原料天然气经脱硫装置后，酸气中浓度也比较低，国内典型的气田如长庆油田下古气藏，经净化后酸气中浓度位于0.6～4.5%(V)之间，以处理规模的天然气净化厂计，潜硫含量最大为15t/d，并且酸气中含量均在88%以上，致使酸气气量较大，达到以上。

不同浓度的酸气，采用不同的硫磺回收工艺，具体见表-1。

表-1  不同浓度酸性气采用硫磺回收工艺表

酸性气中体积分数%55～10030～5515～3010～155～10<5推荐的工艺流程直流法预热酸气及空气的直流法，或非常规分流法分流法预热酸气及空气的分流法掺入燃料气的分流法或直接氧化法直接氧化法

由表-1可知，由于靖边气田天然气净化厂酸气中含量低于5%(mol)，应采用直接氧化法。目前适合天然气净化厂低含硫气质的酸气处理的直接氧化法有：络合铁液相氧化法、Clinsulf-DO法、SHELL-PAQUES生物脱硫法和制酸法。经过技术咨询和对比后，发现以下问题：

(1) 络合铁液相氧化脱硫法和Shell-Paques生物脱硫法总硫回收率可达99.9%以上，硫回收率高，但生产的硫磺品质差，难以销售，装置运行需要不断补充催化剂和各种药剂，整个装置运行成本高；

(2) 制酸法包括WSA法和SOP法，均能够满足尾气排放要求，但是目前国内硫酸市场需求处于饱和状态，存在销售难的问题。

(3) Clinsulf-DO法硫收率小于90%，难以满足越来越严格的排放要求。

天然气净化厂需要解决低浓度酸气硫回收率低、运行成本高和副产品销售的问题。国内催化剂厂家开发出选择性氧化硫回收催化剂和工艺，该催化剂在化肥厂和煤化工酸气处理有成功应用经验，副产品为硫磺，但是天然气净化厂无应用业绩。化肥厂和煤化工尾气中主要组成为、CO、、、等，成分复杂，同时利用碱性废水对尾气进行洗涤，尾气排放也达标，而天然气净化厂酸气具有气量大，气量变化范围大、含量低，含量高，潜硫含量低的特点，净化厂若建设洗涤装置，还需要解决废水排放的问题。因次需要对国产选择氧化硫回收工艺进行改进，以适应天然气净化厂酸气处理要求。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中天然气净化厂低浓度酸气硫回收率低、运行成本高的问题。

为此，本发明提供了一种天然气净化厂低硫高碳酸气硫回收装置，包括反应单元、硫磺造粒单元和尾气焚烧排放单元，硫磺造粒单元和尾气焚烧排放单元均连接反应单元；

所述的反应单元包括酸气分离器、酸气增压风机、空气鼓风机、管道混合器、原料气预热器、绝热反应器、硫冷凝器和硫分离器，所述的酸气分离器后面连接酸气增压风机，酸气增压风机和空气鼓风机的出气口汇合后接入管道混合器，管道混合器后接原料气预热器；所述的绝热反应器连接在原料气预热器后，硫冷凝器连接在绝热反应器后，硫分离器连接在硫冷凝器后；

所述的硫磺造粒单元包括液硫池、硫磺造粒机和半自动包装机，所述的液硫池连接硫分离器的出液口，硫磺造粒机连接液硫池，半自动包装机连接硫磺造粒机；

所述的尾气焚烧排放单元包括尾气冷却器、尾气净化罐、尾气焚烧炉和烟囱，所述的尾气冷却器连接硫分离器的出气口，尾气净化罐连接尾气冷却器，尾气净化罐后依次连接尾气焚烧炉和烟囱。

所述的硫分离器内安装有冷凝装置，该冷凝装置由循环的锅炉给水管线和安装在锅炉给水管线中的低压蒸汽空冷器组成。

所述的酸气分离器选用叶片式分离器，酸气增压风机选用罗茨式风机，空气鼓风机选用多级离心式风机，原料气预热器和硫冷凝器均选用管壳式换热器，硫分离器选用丝网配合叶片式的蒸汽夹套式分离器，尾气净化罐选用活性炭吸附式分离器，尾气焚烧炉选用负压燃烧炉，尾气烟囱选用无内衬外保温式烟囱，硫磺造粒机选用钢带造粒机。

所述的反应单元还包括等温反应器和与等温反应器连接的中间气换热器，等温反应器和中间气换热器连接在原料气预热器和绝热反应器之间，并且中间气换热器与硫分离器连通。

所述原料气预热器与等温反应器连接，由等温反应器提供热源。

所述的等温反应器采用内插管换热形式，由循环的锅炉给水管线和安装在锅炉给水管线中的中压蒸汽空冷器组成。

所述的硫分离器有两个，其中一个硫分离器的出气口连接尾气净化罐，另一个硫分离器的出气口连接至中间气换热器。

所述的尾气焚烧炉连接有焚烧炉鼓风机，该焚烧炉鼓风机为离心式风机；所述的液硫池内设置有液硫脱气泵和液硫输送泵，所述的液硫输送泵选用液下泵，液硫池通过液硫输送泵连接至硫磺造粒机。

一种天然气净化厂低硫高碳酸气硫回收工艺，包括如下步骤，

步骤一，反应阶段：将酸气通入酸气分离器，除去酸气携带的游离水、醇胺液，然后经过酸气增压风机增压后与空气鼓风机鼓出的空气混合后，通入原料气预热器进行加热，加热至150℃以上；

由原料气预热器加热的混合气体进入绝热反应器中发生氧化反应，反应过后进入硫冷凝器，冷却至125℃后，通入硫分离器将液态单质硫和尾气进行分离；

步骤二，造粒阶段：硫分离器分离出的液态单质硫进入液硫池，首先经过液硫脱气泵喷射脱气，脱出液流中含有的后，经过液硫输送泵外送至硫磺造粒机，硫磺造粒机利用钢带造粒将液硫冷却为半球形粒状固体硫磺；

步骤三，尾气焚烧处理阶段：硫分离器分离的尾气进入尾气冷却器，将温度降至65℃，然后进入尾气净化罐吸附尾气中含有的不凝性硫单质，净化后的尾气进入尾气焚烧炉，同时通入可燃烧气体，借助于燃料气所产生的650℃高温将尾气中的氧化成，燃烧后的烟气与空气在工艺管道上进行混合后降温至350℃，进入烟囱排入大气。

所述的步骤一中，酸气和空气的混合气体中，酸气中的与空气中的的体积比为0.6～0.8，所述的酸气增压风机增压后的酸气和空气鼓风机鼓出的空气的压力均大于65kPa。

所述的步骤一中，混合气体进入绝热反应器之前首先依次通过等温反应器进行氧化反应，在经过中间气换热器换热，然后再通入绝热反应器进行进一步氧化反应。

本发明的有益效果：通过本发明的天然气净化厂低浓度酸气硫磺回收工艺和装置，不仅可以使得排放烟气中SO2浓度低于960mg/m3，还可以获得纯度为99.8%以上的一等品硫磺，实现了天然气净化厂低浓度酸气处理尾气达标排放，副产品为高纯度硫磺，易销售；同时该工艺和装置均选用的国产催化剂和国产设备，大大降低装置投资和运行费。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明的工艺流程示意图。

附图标记说明：1、酸气分离器；2、酸气增压风机；3、空气鼓风机；4、原料气预热器；5、绝热反应器；6、硫冷凝器；7、硫分离器；8、液硫池；9、硫磺造粒机；10、半自动包装机；11、尾气净化罐；12、尾气焚烧炉；13、烟囱；14、低压蒸汽空冷器；15、等温反应器；16、中间气换热器；17、焚烧炉鼓风机；18、液硫脱气泵；19、液硫输送泵；20、中压蒸汽空冷器；21、汽包；22、管道混合器；23、尾气冷却器；24、流量调节阀。

具体实施方式

实施例1：

本实施例提供一种天然气净化厂低硫高碳酸气硫回收装置，包括反应单元、硫磺造粒单元和尾气焚烧排放单元，硫磺造粒单元和尾气焚烧排放单元均连接反应单元；

如图1所示，反应单元包括酸气分离器1、酸气增压风机2、空气鼓风机3、管道混合器22、原料气预热器4、绝热反应器5、硫冷凝器6和硫分离器7，所述的酸气分离器1后面连接酸气增压风机2，酸气增压风机2和空气鼓风机3的出气口汇合后接入管道混合器22，管道混合器22后接原料气预热器4；所述的绝热反应器5连接在原料气预热器4后，硫冷凝器6连接在绝热反应器5后，硫分离器7连接在硫冷凝器6后；

硫磺造粒单元包括液硫池8、硫磺造粒机9和半自动包装机10，所述的液硫池8连接硫分离器7的出液口，硫磺造粒机9连接液硫池8，半自动包装机10连接硫磺造粒机9；

所述的尾气焚烧排放单元包括尾气冷却器23、尾气净化罐11、尾气焚烧炉12和烟囱13，所述的尾气冷却器23连接硫分离器7的出气口，尾气净化罐11连接尾气冷却器23，尾气净化罐11后依次连接尾气焚烧炉12和烟囱13。

上述硫分离器7内安装有冷凝装置，该冷凝装置由循环的锅炉给水管线和安装在锅炉给水管线中的低压蒸汽空冷器14组成。

本实施例的这种天然气净化厂低硫高碳酸气硫回收装置中酸气分离器1选用叶片式分离器，酸气增压风机2选用罗茨式风机，空气鼓风机3选用多级离心式风机，原料气预热器4和硫冷凝器6均选用管壳式换热器，硫分离器7选用丝网配合叶片式的蒸汽夹套式分离器，尾气净化罐11选用活性炭吸附式分离器，尾气焚烧炉12选用负压燃烧炉，尾气烟囱13选用无内衬外保温式烟囱，硫磺造粒机9选用钢带造粒机。

尾气焚烧炉12连接有焚烧炉鼓风机17，该焚烧炉鼓风机17为离心式风机；所述的液硫池8内设置有液硫脱气泵18和液硫输送泵19，所述的液硫输送泵19选用液下泵，液硫池8通过液硫输送泵19连接至硫磺造粒机9。

本实施例通过以下过程实现：

步骤一，反应阶段：从脱硫装置来的酸性气(40～45℃，40～60kPa)通入酸气分离器1，除去酸气携带的游离水、醇胺液，然后经过酸气增压机2增压至65kPa(g)。酸性气经过配入适量的空气（空气通过空气鼓风机3增压到65kPa）保证酸气中的与空气中的的体积比/=0.6～0.8。同空气混合后的酸性气进入原料气预热器4，由高温导热油（200℃）加热至150℃。

酸气与空气流量的比值控制，通过酸气增压风机2出口管线上的流量计和硫化氢分析仪，计算出酸气中硫化氢的流量值，此流量值与空气鼓风机3出管线上的流量计测量的空气流量进行比值积算，从而通过流量调节阀25控制空气量，保证进入管道混合器22的O₂与H₂S比值为0.6～0.8。

由原料气预热器4加热的混合气体进入绝热反应器5。绝热反应器5出口(178℃，29kPa)尾气进入硫冷凝器6管程，冷却至125℃后，进入硫分离器7，将液态单质硫和尾气进行分离。

其中硫冷凝器6壳程通过锅炉水蒸发，产生0.01MPa 蒸汽，将中间气热量带走。蒸汽经低压蒸汽空冷器14（型号为E-0704 ）冷凝后，返回硫冷凝器6，形成锅炉水-蒸汽循环取热。

步骤二，造粒阶段：硫分离器7分离出的液态单质硫进入液硫池8，首先经过液硫脱气泵18喷射脱气，脱出液流中含有的后，经过液硫输送泵19外送至硫磺造粒机9，硫磺造粒机9利用钢带造粒将液硫冷却为半球形粒状固体硫磺，再经称重、包装后运至硫磺仓库，对外销售；

步骤三，尾气焚烧处理阶段：硫分离器7分离的尾气进入尾气冷却器23，将温度降至65℃，然后进入尾气净化罐11，吸附尾气中含有的不凝性硫单质，净化后的尾气进入尾气焚烧炉12，同时通入可燃烧气体，借助于燃料气所产生的650℃高温将尾气中的氧化成，燃烧后的烟气与空气在工艺管道上进行混合后降温至350℃，进入烟囱13排入大气。

实施例2：

本发明的这种天然气净化厂低硫高碳酸气硫回收装置及工艺，当含量很低的时候，上述实施例1可以实现所述功能，比较适用，硫磺回收率较高，尾气排放也达到排放标准，由于酸气中含量并不是稳定的值，会有时高有时低，因此需要对装置进行改进，使其能使用更大的含量范围，应用实施例1中的结构虽然相比于现有技术有所进步，但是效果还不是很明显，为此，本实施例中做出进一步改进，适用于天然气净化厂酸气中含量低于10%的情况。

本实施例在上述实施例1的基础上，给所述的反应单元还设置等温反应器15和与等温反应器15连接的中间气换热器16，等温反应器15和中间气换热器16连接在原料气预热器4和绝热反应器5之间，并且中间气换热器16与硫分离器7连通。

等温反应器15采用内插管换热形式，由循环的锅炉给水管线和安装在锅炉给水管线中的中压蒸汽空冷器20组成；硫分离器7有两个，其中一个硫分离器7的出气口连接尾气净化罐11，为尾气硫分离器；另一个硫分离器7的出气口连接至中间气换热器16，为过程气硫分离分器。硫冷凝器6采用卧式管壳式换热器，硫蒸汽走管程，冷却水走壳程。过程气硫分离分器和尾气硫分离器分离出的液硫冷却共用一个壳程。壳程锅炉水带走热量生成0.05MPa(g)低压蒸汽，低压蒸汽经低压蒸汽空冷器14冷却后返回硫冷凝器6循环使用。

本实施例通过以下过程实现：

步骤一，反应阶段：从脱硫装置来的酸性气(40～45℃，40～60kPa)通入酸气分离器1，除去酸气携带的游离水、醇胺液，然后经过酸气增压机2增压至65kPa(g)。酸性气经过配入适量的空气（空气通过空气鼓风机3增压到65kPa）保证酸气中的与空气中的的体积比/=0.6～0.8。同空气混合后的酸性气进入原料气预热器4，所述原料气预热器4与等温反应器15连接，由等温反应器15提供热源。

等温反应器15采用绕管换热形式，采用锅炉水部分汽化，产生2.7MPa 蒸汽的方式取走反应热。等温反应器15产生230℃的汽水混合物在汽包21里分离形成2.7MPa（g） 的蒸汽部分为原料气预热提供热源，剩余部分通过中压蒸汽空冷器20冷凝后和原料气预热器4来冷凝水混合后返回汽包21，实现冷凝水的循环利用。

酸气与空气流量的比值控制，通过酸气增压风机2出口管线上的流量计和硫化氢分析仪，计算出酸气中硫化氢的流量值，此流量值与空气鼓风机3出管线上的流量计测量的空气流量进行比值积算，从而通过流量调节阀25控制空气量，保证进入管道混合器22的O₂与H₂S比值为0.6～0.8。同时通过过程气硫分离器气相出口管线上的O₂含量在线仪和流量计计算出的O₂含量来作为空气流量调节的副控制回路，确保等温反应器出口气相中O₂含量≤0.5%（mol）。

由原料气预热器4加热的混合气体进入等温反应器15，在等温反应器15中， 同 进行氧化反应，将95%以上的 氧化成单质硫，为防止床层温升过高导致催化剂失活，等温反应器15采用内插管换热形式，采用锅炉水汽化，产生3.0MPa 蒸汽的方式取走反应热。等温反应器15产生的3.0MPa 蒸汽通过中压蒸汽空冷器20冷凝后返回汽包21，实现中压蒸汽的循环利用，使得等温反应器15温度恒定在240℃。

汽包21压力主要通过中压蒸汽空冷器20后的凝结水流量流量调节阀来控制，等温反应器15出口温度为副控制回路。通过空冷器变频控制中压蒸汽空冷器20进出口温差≤1℃。

硫冷凝器6壳程压力主要通过低压蒸汽空冷器14后的凝结水流量调节阀来控制。通过空冷器变频控制低压蒸汽空冷器14进出口温差≤1℃。通过锅炉补水来控制硫冷凝器6管程液位稳定。

从等温反应器15出口出来的中间气经过中间气换热器16管程，温度降低至205℃后，进入硫冷凝器6管程，中间气被冷却至125℃后分离出液硫，气相返回中间气换热器16壳程，液硫通过硫分离器7后进入液硫池8。

中间气换热器16壳程出口温度为160℃，进入绝热反应器5（此处型号为R-0702），进行深度氧化。绝热反应器5出口(178℃，29kPa)尾气进入硫冷凝器6管程，冷却至125℃后，进入硫分离器7。硫冷凝器6壳程通过锅炉水蒸发，产生0.01MPa 蒸汽，将中间气热量带走。蒸汽经低压蒸汽空冷器14冷凝后，返回硫冷凝器6，形成锅炉水-蒸汽循环取热。

步骤二，造粒阶段：硫分离器7分离出的液态单质硫进入液硫池8，首先经过液硫脱气泵18喷射脱气，脱出液流中含有的微量不凝气(H₂S、CO₂、CH₄等)后，经过液硫输送泵19外送至硫磺造粒机9，硫磺造粒机9利用钢带造粒将液硫冷却为半球形粒状固体硫磺，再经称重、包装后运至硫磺仓库，对外销售；

步骤三，尾气焚烧处理阶段：硫分离器7分离的尾气进入尾气冷却器23，将温度降至65℃，然后进入尾气净化罐11，吸附尾气中含有的不凝性硫单质，净化后的尾气进入尾气焚烧炉12，同时通入可燃烧气体，借助于燃料气所产生的650℃高温将尾气中的氧化成，燃烧后的烟气与空气在工艺管道上进行混合后降温至350℃，进入烟囱13排入大气。

综上所述，本发明的这种天然气净化厂低浓度酸气硫磺回收装置和工艺，不仅可以使得排放烟气中SO2浓度较低，还可以获得高纯度的硫磺，实现了天然气净化厂低浓度酸气处理尾气达标排放，副产品为高纯度硫磺，易销售；同时该装置及工艺大大降低装置投资和运行费。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。