Разработка предложений по очистке природного газа и переработки кислых газов с получением товарной продукции (серы) (на примере Карачаганакского месторождения) (стр. 16 из 18)
Выбрасываемые в атмосферу хвостовые газы в своем составе содержат 69% NO2; 0,6% SO2; 15,6 СO2 и 14,8% Н2О пар.
4.4 Получение серы из сероводорода кислых газов прямым Клаус-процессом
Клаус – процесс, основанный на подаче всего потока кислого газа в реакционную печь вместе со стехиометрическим количеством воздуха, необходимого для сжигания одной трети сероводорода в диоксид серы, превращении две трети сероводорода в реакционной печи и каталитических реакторах в серу, получил название модифицированного процесса Клауса с прямым потоком, или полнопроходной установки получения серы методом Клауса.
Кислые газы, в соответствии с рисунком 15, пройдя сепаратор (1), где отделяется на сепарационных элементах капельная влага, насыщенная сероводородом и содержащая следы растворителя со стадии десорбции процесса извлечения Н2S из сырьевого газа, поступают на сжигание в горелку или несколько горелок реакционной печи – реактор-генератор (3) со встроенным котлом-утилизатором (4).
Реакционная камера представляет собой стальное, цилиндрическое сооружение, наружным диаметром около 4000-4500 мм, длиной 6,5-7,5 м. Она имеет два устройства: для сжигания кислого газа и для сжигания топливного газа. Горелка конструктивно выполнена как цилиндр, приваренный касательно к цилиндру реакционной печи, то есть в реакционную печь смесь воздуха и кислого газа и продукты сгорания вводятся тангенциально.
Работа термической ступени, как и всей установки производства серы методом Клауса, в значительной мере определяются конструкцией горелки и временем пребывания газов в реакционной печи, которое должно быть в пределах 0,5-2 с. При более быстром прохождении газа через реакционную печь снижается общий выход, получаемый на установке серы, и возникают трудности, связанные с эксплуатацией установки.
Спецификация: Сепаратор (1); воздуходувка (2); печь реакционная (1); котел-утилизатор (1); конденсатор-коагулятор (I, I) (2); печь подогрева (2); реактор каталитический (I, II) (2); конденсатор-экономайзер (1); коагулятор (1); печь дожига (1); установка доочистки (1); гидразатвор (4); резервуар жидкой серы (1); насос откачки (1); эжектор отсоса паров (1); трубопроводы и потоки Т1 – воздух; Т2 – газы кислые; Т4 – пар водяной; Т5 – вода питательная; Т6 – сера жидкая; I – воздух; II – газ кислый; III – вода кислая; IV – пар водяной; V – вода питательная; VI – сера жидкая.
Рисунок 15. Аппаратурная схема переработки концентрированных кислых газов
Котел-утилизатор (4) состоит из конвективного трубного пучка и барабана котла, корпуса которых соединены друг с другом шестью трубами (114 мм) для перетока воды из барабана в корпус пучка и двенадцатью трубами (114 мм) для отвода пароводной смеси из корпуса пучка в барабан. В корпусе пучка для осмотра поверхности трубок и контроля за отложениями на нагревательной поверхности имеются: один люк диаметром 450 мм и 5 лючков диаметром 150 мм.
К горелкам реакционной печи воздуходувкой (2) подается атмосферный воздух в соотношении, позволяющем сжечь одну треть поступившего кислого газа до SO2. При этом стараются обеспечить полное использование кислорода в реакционной печи.
Температура в реакционной печи зависит от концентрации Н2S в кислом газе и от соотношения подаваемого воздуха к кислому газу и для полнопроходных установок составляет, как правило, 1200-1600 К.
Давление в реакционной печи устанавливается в зависимости от сопротивления трубопроводов, слоев катализатора, установки доочистки остаточных хвостовых газов и, как правило, принимается ниже 0,07 МПа с тем, чтобы на тракт газов не распространялись "Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением".
Другим фактором ограничения давления в реакционной печи является применение для слива жидкой серы в открытые емкости так называемых гидрозатворов, не позволяющих газам выходить в атмосферу при свободном сливе жидкой серы из аппаратов.
С другой стороны, давление в тракте газов должно быть максимальным, так как снижение давления требует увеличения размеров оборудования и диаметров трубопроводов. Давление в печи реакции зависит также от уровня давления в системах регенерации растворителей, предшествующего извлечению кислых газов. Как правило, давление в реакционной печи составляет 0,04-0,069 МПа и постепенно увеличивается в процессе эксплуатации установки в зависимости от содержания углеводородов, аммиака или цианидов в кислом газе.
Газы после котла-утилизатора (4), в котором генерируется пар высокого или среднего давления с температурой около 650 К, поступают в конденсатор-коагулятор (конденсатор-генератор) (5.1). В нем происходит конденсация серы за счет охлаждения реакционного газа до 450-460 К кипящей в межтрубном пространстве конденсатора, водой. Тепло конденсации парообразной серы используют для получения пара низкого давления (0,4-0,6 МПа). Расширенная часть конденсатора является коагулятором капельной серы. Коагулятор работает при низких скоростях газов, проходящих сквозь насадку, состоящую из пакетов сеток, сера коагулируется и стекает в нижнюю часть сосуда, откуда выводится в гидрораствор.
Конденсаторы-коагуляторы обычно представляют собой кожухотрубные многоходовые теплообменники (до четырех ходов в одном корпусе).
Тепловая нагрузка и давление пара в конденсаторе серы значительно ниже по сравнению с головными котлами-утилизаторами. Это позволяет значительно снизить требования к конструкции трубных решеток и трубным соединениям. Обычно трубные соединения конденсаторов вальцуют, герметично обваривают и затем вновь вальцуют. Никаких защитных покрытий не применяют /29/.
Проектное значение удельного массового расхода изменяется от 14 до 39 кгс/м2 /28, 38/. При снижении мощности установок необходимо поддерживать массовую скорость газового потока на уровне, достаточном для предотвращения появления серного тумана. В противном случае жидкая сера не может быть полностью отделена от технологического газа в конденсаторе.
Конденсаторы серы оборудуются совмещенными коагуляторами, представляющими собой пакет (100-250 мм толщиной) сеток с ячейками от 0,25 до 4 мм, установленный в выходной камере горизонтально или наклонно. Для обеспечения полного стока скоагулировавшейся серы после внезапной остановки процесса вдоль пакета располагают паровой змеевик.
Газы поступают далее в промежуточную печь (6), в которой за счет полного сжигания до SO2 части Н2S кислого газа, температура повышается до 500-520 К, и направляется на катализатор в первый каталитический реактор (7, I). Ввод газов в реактор осуществляется сверху двумя-тремя трубопроводами, обеспечивающими равномерное распределение потока в слое катализатора. Здесь протекает взаимодействие и окисление Н2S и SO2 с образованием серы, а также гидролиз COS и CS2, образовавшихся в реакционной печи (3) при сжигании исходного кислого газа в присутствии углеводородов и диоксида углерода. Реакция между Н2S и SO2 является изотермической, в результате чего температура газа на выходе из первого каталитического реактора повышается до 600-640 К.
Печь подогрева технологического газа устанавливают перед каталитическими реакторами для повышения температуры газов до оптимальной.
Корпус печи (6) изготовляют из стали типа Ст. 20 (или Ст. 3 сп 4). Обечайку горелки изготавливают из жаропрочной хромистой стали, дополнительно легированной кремнием для повышения стойкости к среде, содержащей Н2S. Горелка изнутри зафутерована огнеупорным бетоном толщиной 75 мм.
Важнейшим фактором стабильной работы печи подогрева является расположение ввода в нее технологического газа, который должен быть как можно близко к фланцу крепления горелки, в противном случае обечайка перегревается, корпус печи темлоизолируется.
Каталитические реакторы установок получения серы методом Клауса представляют собой вертикальные или горизонтальные полые сепараторы. Их число и объем зависят от мощности установки по кислому газу, качества применяемого катализатора и требуемой заданием на проектирование степени извлечения серы. Каталитический реактор на 90% заполняет катализатором типа γ-Al2O3 на основе активированного оксида алюминия – очень гигроскопичен, и катализатором марки CRS-31 – активен и стоек к сульфатированию.
В большинстве каталитических реакторов процесс построен таким образом, что через каждый кубический метр объема катализатора проходит 57-104 моль сырьевого кислого газа в час /38/. Обычно ниже слоя катализатора для предотвращения утечек укладывают слой шаров из оксида алюминия диаметром 75-150 мм, плотностью около 800 кг/м3. На него укладывают слой (20-60 мм) шаров меньшего диаметра плотностью 1300-1600 кг/м3 /38/. Аналогичные слои насыпают на поверхность катализатора для равномерного распределения газа по слою. Как правило, используют керамические шары. Материал опорных решеток и сетки, на которых располагается катализатор, выбирают с учетом максимальной температуры и среды.
Газы из первого реактора направляются во второй конденсатор-коагулятор (5, II), где так же, как и в первом, за счет тепла конденсации парообразной серы и охлаждения до 440-460 К, кипящей водой генерируется пар низкого давления и коагулируются капельки серы, стекающей в нижнюю часть аппарата и затем поступающей в гидрозатвор. Далее газы вновь нагреваются до 490-510 К за счет смешения с продуктами сгорания топливного или кислого газа и идут во второй реактор (7, II), заполненный катализатором. За счет выделения тепла при катализаторе газы на выходе из реактора имеют температуру 520-530 К, при которой поступают в конденсатор-экономайзер (8), служащий в качестве концевого холодильника (температура на выходе 400-410 К). В межтрубном пространстве конденсатора-экономайзера нагревается питательная вода котлов-утилизаторов (5).