210-CLAUS克劳斯硫回收装置尾气脱除液体硫磺专用羽叶分离器技术方案-NOVEL TECH

     本技术贴主要针对CLAUS克劳斯硫回收装置尾气脱除液体硫磺专用羽叶分离器技术方案进行深入分析讨论。请有克劳斯硫回收相关经历经验的同行朋友一起参与讨论。

       在CLAUS克劳斯硫回收装置上，其尾气通常与液体硫磺储槽尾气合并进行处理。尤其是当硫回收装置产生的液体硫磺溶解有较多硫化氢而对后续储存、输送和包装工序造成环境和安全隐患时，往往采用注气脱气方式从液体硫磺气提硫化氢所产生的尾气，包括液硫池储槽吹扫尾气和脱气装置脱气尾气，其尾气合计流量较大，尾气所携带的气液固多态硫磺量也较多，必须通过高效羽叶分离器对尾气高效稳定脱除其所携带的硫磺，以避免在尾气往下游输送管线设备中形成沉降积累堵管、焚烧烟气处理难度大、排放不稳定、运行维护成本高的环保和安全运行棘手问题。

       但在国内外绝大多数企业的CLAUS克劳斯硫回收工艺装置上，业主和设计院仍旧沿用上世纪中下叶以来所采用的传统简易丝网除沫器用作硫回收装置尾气脱除液体硫磺分离设备，在实际运行中几乎都不同程度存在堵塞频繁而运维劳动强度大成本高、分离效率低导致下游管线设备出现硫磺积聚堵塞、尾气后处理成本高、排放指标不稳定、运行环境和安全生产隐患多等等棘手问题。因而，业主和设计院均在有意寻求采用新技术设备对原有传统简易丝网除沫器进行技术升级改造计划。

       下附图即为某设计院沿用传统简易气液分离工艺为某企业设计的克劳斯硫回收装置尾气分离工艺节点流程图：

       从上面流程图可见，设计院采用的确实为传统简易丝网除沫器作为液体硫磺储存槽尾气分离脱除其所携带的液体硫磺液滴液沫主要设备。该丝网除沫器，在尾气进入除沫器壳体的入口设置半开管（Half Pipe），而主要的分离内件则为传统丝网。请见设计单位针对丝网除沫器完成的设备结构示意图如下：

       装置运行人员反馈，他们和设计院称该丝网除沫器为“液硫捕集器”。这种丝网式液硫捕集器，在实际运行中出现频繁堵塞，导致尾气输送不畅，几乎每间隔1周左右则需要切换旁路而对丝网除沫器进行疏堵清理。而设备本体温度高，介质硫化氢浓度高，需要多次反复吹扫置换后，运维人员才能戴着笨重的防毒装备进到受限空间对堵塞的丝网块进行清理更换，劳动强度大，运维成本高，环境和安全风险大，成为大家谈之色变的头疼难题。

       这台捕硫器通过支耳悬挂安装在车间厂房混凝土楼板上，空间狭小，检维修作业不便。附图是原有捕集器下侧照片：

       该捕集器疏堵运维作业，主要从上侧展开。而捕集器上侧设备和管线都有蒸汽伴热及保温层，因此每次疏堵都需要关停蒸汽和拆掉法兰保温，尔后又需要恢复。每间隔一周左右得疏堵，次次如此，费时费力，苦不堪言。

       我方细致了解客户硫回收装置原有丝网式硫磺捕集器结构及其运行工艺情况，其液硫储罐排放的尾气，通常在工况温度不超过120℃、工况表压0.03 MPaG 条件下，以4000-5000m^3/h工况流量通过直径300mm管线进入ID800mm*TL/TL1950mm原有简易丝网捕集分离器。由于实际运行中的尾气工况温度、工况压力及工况流量等参数波动幅度大，使原有丝网式捕集器不能满足实际运行工况要求。

       原有丝网式液硫捕集器不能满足实际运行波动工况的原因，从国际上气液分离器规范惯例角度分析发现，存在如下严重技术缺陷：
       一、筒体设计缺陷：（1）筒体直径过小；（2）筒体直边长度过短；（3）蒸汽夹套设计不合理；（4）缺少必要的温控和液位控制设置等缺陷。
       二、丝网内件设计缺陷：（5）没有按照专业动力学分离技术要求充分考虑工况下气流及硫磺液相各自粘度、表观密度以及液流表面张力等物化特性对气液分离效率的影响，造成实际运行效果不佳；（6）丝网内件，内在结构单一，只有1个理论分离单元，无法应对波动工况下对逃逸液硫的补救捕集回收功能；（7）丝网内件，缺少独立的气液两相流各自分流通道，在波动工况下极易导致气液两相由“分离”向相互“分散”的对立面转变，形成气液“返混” 、液硫“挟带”甚至“液泛液涌”现象；（8）硫磺在波动工况下易于在丝网中积聚，堵塞气流通道而造成“憋压”使尾气排放不畅。

       针对业主提供的硫回收装置原有丝网式硫磺捕集器实际运行情况，NOVEL公司通过其精准动力学分离技术诊断平台运行得知：在工况温度不超过120℃、工况表压0.03 MPaG 、工况尾气流量4000-5000m^3/h、工况尾气组成mol% (二氧化碳61.06/氮气32.49/氢气4.7/一氧化碳1.09/二氧化硫0.01/硫化氢0.01/氧气0.5-0.8)以及液硫夹带1-2g/m^3情形下，原有丝网捕集器即便采用国际上公认分离效率最好的美国原装进口YORK 431丝网除沫器，尾气经YORK 431丝网除沫器处理后，气流中残留的液硫平均尺寸达到36.42微米，清洁运行压降在18.41mBar，堵塞情形下的运行压降飙升数十倍，分离运行效果不佳。

       为了有效提升硫磺捕集器在实际运行工况大幅度波动情形下对尾气中液硫捕集能力，有效避免尾气携带超量液硫进入后续输气管线造成频繁堵塞以及火炬燃烧烟气硫含量飙升，NOVEL从专业动力学气液分离技术角度建议业主：采用羽叶分离捕集器有效技术升级改造原有简易丝网捕集器，提升其应对多变工况分离处理性能，才能满足波动工况下高操作弹性、高效稳定分离、低运行压降等技术要求。附图便是硫回收单元抗堵塞专用羽叶分离硫磺捕集器装置在某项目现场运行图片。

       关于该硫回收单元抗堵塞专用羽叶分离硫磺捕集器特点与性能，可以参见所附文件摘录内容如下：

       针对高携带易堵塞气流净化分离情形，羽叶分离捕集器已在石油化工、煤焦化工、油气开采处理与输送、精细化工、制药、造纸、冶金、制盐、环保及新能源领域类似工况中广泛应用。羽叶分离捕集器，作为对传统简易分离设备不可多得的升级换代专利技术设备，其具有如下性能特点和比较优势：
1、羽叶分离捕集器，以NOVEL精准动力学分离技术设计和组态系统平台为基础技术支撑，完成可靠精准技术方案设计和制造，在羽叶分离元件内在结构上设置4-6级串联结构的分离单元，实现连续多次对少量逃逸流体进行补救分离，尤其针对高气速波动工况气流携带的宽尺寸分布的液滴液沫分离脱除效率高，通常能实现高效率、定量精准脱除液滴液沫。比如，在工况大幅波动情形下，气流在第1级分离单元液体分离效率下降至90%而产气中残液量在10%（即100%-90%），气流串行经过第2级分离单元处理后的产气中残液量在10%*10%，第3级分离单元处理后的产气中残液量在10%*10%*10%，第4级分离单元处理后的产气中残液量在10%*10%*10%*10%，以此类推，对逃逸残液的补救分离效果显著。而丝网、滤芯、填料及离心式传统分离器，往往只有1级分离单元，难以对波动工况下带液流体逃逸实现补救，难以对高气速混合流体实现高效定量精准分离。   
2、羽叶分离捕集器专利技术设备，对实际运行工况操作弹性更大，其操作弹性空间在15%~130%，即便在工况大幅波动情形下也具有优异的抗“虹吸”和防气流“短路”性能和高稳定气液分离效率。传统简易丝网分离器，其操作弹性上限阀值在110%，因工况大幅波动，往往使气流显著带液进入下游单元设备而破坏生产运行稳定性。
3、羽叶分离捕集器专利技术设备，对丝网等拦截阻挡式传统分离器进行升级改造，尽量保持原有捕集器及其管线仪表位置不动，工程量小，节省投资，且在相同工况和分离效率要求条件下，羽叶分离捕集器对流体处理能力较原有传统分离器增加 30%以上，具有显著的扩能增产作用。
4、羽叶分离捕集器专利技术设备，其分离内件组设计制造成可拆式结构，拆装便捷，维护简单，也可于大修期间酌情抽出分离器体外清理。  
5、从羽叶分离捕集器专利技术设备运行工作曲线上看，该分离器在超长寿命周期内分离运行稳定，是满足质量管理体系要求的理想之选。

      我方依据业主提供的运行参数，即：气相流量，5000Nm^3/h；工况气流压力，0.03MPaG；工况气流温度，不超过120℃；气相组成mol%：二氧化碳61.06、氮气32.49、氢气4.7、一氧化碳1.09、二氧化硫0.01、硫化氢0.01、氧气0.5-0.8，以及液硫夹带1-2g/m^3等信息，通过NOVEL精准动力学分离技术计算和组态设计系统平台针对性完成的上述克劳斯硫回收装置尾气脱除液体硫磺专用羽叶分离捕集器主要技术信息如下：
1、羽叶分离捕集器型号：NOVEL G50-39-0V。
2、核心技术内件型号：入口分离总成，G50H12；预分配聚结内件组，G50D40；精密羽叶分离内件组，NOV G50-38700；抗虹吸短路降液内件组，G50LD3。
3、设计压力，0.35MPaG。
4、设计温度，200℃。
5、设备尺寸：ID1000mm*TL/TL2210mm。
6、材质：壳体SS304/内件SS316。
7、运行压降，不超过6.22mBar (@OT120℃& OP0.03MPaG & 5000 Nm^3/h）。
8、分离效率：100%脱除3.19微米以上液滴，出口气相带液量<0.1USG/MMSCF。
9、操作弹性空间15%~130%。
10、分离器整体工程技术设计和把关：NOVEL欧洲总部。

       附图是通过NOVEL精准动力学分离技术计算和组态设计系统平台针对性完成的上述克劳斯硫回收装置尾气脱除液体硫磺专用羽叶分离捕集器核心技术支撑证明文件之《羽叶分离器数图汇表》：

       附件则是通过NOVEL精准动力学分离技术计算和组态设计系统平台针对性完成的上述克劳斯硫回收装置尾气脱除液体硫磺专用羽叶分离捕集器核心技术支撑证明文件之《羽叶分离器运行压降曲线图》：

       这里再提供附件克劳斯硫回收装置尾气脱除液体硫磺专用羽叶分离捕集器核心技术支撑证明文件之《羽叶分离器分离效率曲线图》：

       关于上述羽叶分离捕集器核心分离内件组之入口分离总成G50H12，数量1件，SS316或等同。作用：脱除进气携带的段塞流和大尺寸液滴，并对进入筒体的气液混合流体动能动量进行初次分配。

       关于上述羽叶分离捕集器核心分离内件组之预分配聚结内件组G50D40，数量2组模块，SS316或等同，可拆卸结构。其作用有三：其一，对气流可能携带的颗粒物实施拦截，对后续精密羽叶分离内件组起保护作用。其二，进一步对混合流体动能动量进行分配，使混合流体进入后续精密羽叶分离内件组前，具备其动力学分离运行条件，确保后续精密羽叶分离内件组处于稳定高效分离性能区间。其三，在混合流体进入后续精密羽叶分离内件组之前，对混合流体携带的小微尺寸重相携带质实施预聚结长大，然后进入后续精密羽叶分离内件组深度脱除，保证分离器产气质量更高。（ 国内外绝大多数供应方没有配备此结构，导致分离器产气质量不稳定。）