高含硫净化装置克劳斯炉点火系统常见故障及处理方法

摘 要：本文针对高含硫气田净化装置中克劳斯反应工艺特点，系统分析了克劳斯炉点火系统常见故障，并提出来故障解决方案。

关键词：硫化氢； 克劳斯炉； 点火系统

1 前言

某净化厂采用克劳斯两级转化法回收硫磺、斯科特法处理尾气，进入脱硫单元脱除硫化氢、有机硫和二氧化碳等酸性气体，再经脱水处理后外输合格的商品气；将脱硫单元的再生酸性气送入硫磺回收单元进行回收，硫磺回收单元的过程气经尾气单元处理后达标排放。

来自天然气脱硫单元的酸性气首先进入酸气分液罐分液，以避免可能携带的液体进入反应炉燃烧器，风机同时为克劳斯反应炉燃烧器及加氢进料燃烧器提供燃烧所需的空气，进入克劳斯反应炉燃烧器的空气量应刚好可以满足原料气中的烃类的完全氧化，以及在尾气中H2S/SO2比率为4：1所要求的H2S的燃烧。克劳斯反应温度约为1070℃，主要反应为：

H2S + 3/2 O2 → SO2 + H2O

2 H2S + SO2 → 3/X Sx + 2 H2O

燃烧产生的高温过程气进入与反应炉直接相连的余热锅炉，在锅炉中通过产生饱和蒸汽来回收余热并将过程气冷却。冷却后的过程气进入第一级硫冷凝器，被进一步冷却并凝出液硫，同时发生饱和蒸汽，冷凝出的液硫重力自流至一级硫封罐，然后流入液硫池。

自第一级硫冷凝器出来的过程气进入第一级反应进料加热器，由高压蒸汽加热后进入一级转化器，在反应器内过程气与催化剂接触，继续发生反应直至达到平衡，反应中生成的硫在过程气进入第二级硫冷凝器后冷凝出来，流经二级硫封罐进入液硫池。过程气在第二级催化反应部分经过的流程与第一级催化反应部分相同，在第二级反应进料加热器中被加热后进入二级转化器，在通过第二级催化反应部分的末级硫冷凝器后，硫回收率为95%，尾气进入尾气处理单元。

点火系统由点火控制器、点火枪、点火电极、高压点火线圈、推动气缸、瓷绝缘子、保护套管等部分组成。装置运行期间，多次发生装置开工，点火系统故障问题，严重影响装置开机。据有统计的10次停机复工事件，平均消耗时间3.2H。本文就开机过程中的常见故障进行分析，并提出解决方案。

2 故障描述及分析

（1）克劳斯炉点火系统内瓷绝缘子故障问题

装置停工期间，拆解点火系统，点火系统内的点火电极共有瓷绝缘子10个，对瓷绝缘子进行绝缘测试，发现有两枚阻值在0.1兆欧以下，瓷绝缘子出现破损、锈蚀、脏污等问题使瓷绝缘子绝缘电阻迅速降低，当点火系统进行打火时，点火能量从已损坏的绝缘子处泄放，导致点火失败，影响装置开工。

（2）克劳斯炉点火系统水汽凝结问题

装置停工后，减温蒸汽将作用于炉膛内，是克劳斯炉炉膛逐渐降温，炉膛内水汽不断增加，点火系统装置长期处于相对潮湿的炉膛内将导致其内部出现凝结水，凝结水会造成点火系统电极短路，影响正常点火。

（3）點火系统内部积硫问题

停运后，长明灯熄灭，炉膛内的硫磺过程气体汇集于点火枪内，高温过程气降温后凝结成硫磺固体，点火枪内产生积硫现象，影响点火枪导电性，无法正常点火。

点火系统点火难的问题，均由短路、积硫、灰堵等问题造成，此类现象普遍存在于净化装置中。

3 解决方案制定及实施

通过对克劳斯炉点火系统检维修情况进行分析，在点火系统点火枪部位增加气相吹扫线的方式，使其成为一定压力的密封气，可有效防止水汽、单质硫等进入点火系统，避免点火枪腐蚀、短路、积硫、灰堵等问题的产生，以此降低点火系统故障率。

根据现场经验及克劳斯炉内通入气体组分情况分析，使用惰性气体——氮气作为点火系统密封气，并对氮气质量提出要求。

（1）氮气气源的要求

①氮气的纯度要求达到防爆要求（纯度达到≥ 99%）；

②氮气须经除湿、除尘处理；要求氮气无水分、无杂质粉尘。如含水量高可能造成点火枪内水汽凝结，使点火电极锈蚀或短路。

③氮气露点达到 -20℃；氮气杂质要求：氮气需要经过 1 微米过滤器精度；

④氮气温度：常温（特殊情况需要加热或冷却）；

⑤氮气中不含有油气，如含有油气将影响电器元件正常工作；

（2）氮气压力、流量的要求

①氮气密封压力应大于炉膛压力（12KPa）；

②氮气通入量不宜过大，影响克劳斯炉燃烧效率。

经计算：

氮气密封压力：P=ρ*v2/2 P=0.10MPa ρ=1.25Kg/m3

因此0.1MPa=100000Pa=1.25 v2/2，经计算，氮气流速v=105.5 m/s

管道流量计算：

限流孔直径（d）：3.2mm

L=A*v=πd2*v /4 =3.14*0.0032*0.0032*105.5*3600/4=3.05 m3/h

因此推导出L=3.05m3/h

氮气密封通入量占燃烧空气中氮气的总量

燃烧空气流量：3900 m3/h（正常生产期间的平均流量）

燃烧空气中氮气含量为总量的78%，因此燃烧空气中氮气总量为3900*0.78=3042 m3/h

通入氮气占比：R=R1/R2=3.05/3042=0.10%

氮气密封通入量占比为总燃烧空气的0.10%，因此，增加氮气密封不会影响正常工艺操作。氮气压力设定为100KPa，高于克劳斯炉炉膛压力12KPa，可以起到保护作用。

克劳斯炉点火系统点火枪由一双作用气动阀驱动，内部无弹簧结构，由两端气缸控制阀门动作，控制燃烧器点火枪推入或退出炉膛，气路控制元件由一两位五通电磁阀控制。

两位五通电磁阀失电时，先导阀关闭，1、2连通，气缸进气，气动阀往近炉膛端动作（退枪动作）；两位五通电磁阀带电时，先导阀开启，1、4连通，气缸进气，气动阀往远炉膛端端动作（点火枪推入动作）。现场双作用气动阀通过电磁阀带电、失点，控制滑阀动作，切断、导通不同气路，气缸内无弹簧，气缸动作由两端进气分别实现。

根据现场工艺要求，点火枪在克劳斯炉点火成功及停工后，需要退出炉膛。增加氮气密封系统，同时使氮气密封系统可自动投用。，该方案无需引入电源控制，使用纯气路进行控制实施方案：

点火枪动作与克劳斯炉点火系统氮气密封投用直接相关，当点火枪退出炉膛及克劳斯炉停工后，需投用氮气密封系统。在点火枪推动气缸控制点火枪退出炉膛的仪表风管路处加装三通阀，由两位五通电磁阀结构原理可知，当点火枪退枪时，两位五通电磁阀1、2接口连通，该气道内一直通气，将该路气源引做气路放大器的控制气源，气路放大器安装于氮气管路处，即可通过控制气源控制气路放大器动作。所引入的控制气源只在气路放大器膜片上部作用，不消耗气量，且此段仪表风管路较短，压降可不考虑，不会影响加氢炉燃烧器点火枪气缸正常动作。同时，在燃烧空气管线处加装三通阀，使氮气通过燃烧空气管线，引入点火枪保护套管内，作为密封气。

最终，氮气密封系统随工艺需要，自动投入和退出，能够起到对克劳斯炉点火系统的保护作用。

4 应用效果

改造后，檢查克劳斯炉点火系统使用情况。克劳斯炉燃烧器点火枪改造前套管、点火电极头部焦黑，由积硫后，枪内燃烧造成，改造后点火电极及套管工况良好。

点火电极上的10个瓷绝缘子，外观良好，绝缘测试后，绝缘电阻均在10兆欧左右，绝缘良好；点火电极无锈蚀现象点火枪内无凝结水凝结现象。

现场应用，点火成功率大幅提升，点火系统设备状况良好，平均点火耗时降低至1H以下。

综合判断，改造效果良好，氮气密封起到了积极有益的作用。

5 结论与认识

本课题通过对克劳斯炉点火系统增加氮气密封，较好的解决了燃烧器点火枪锈蚀、脏堵、积水等问题，弥补了原有设计的不足，对于高含硫天然气净化生产工艺的稳定做出了积极的改善，可以广泛应用于净化装置现场克劳斯炉、加氢炉炉以及尾炉等燃烧反应设备。

参考文献：

[1]李菁菁， 闫振乾. 硫黄回收技术与工程[M]. 北京： 石油工业出版社， 2010： 39

[2]刘芳， 邢亚琴， 李明军. 硫磺回收装置液硫脱气工艺及其改进措施[J]. 硫磷设计与粉体工程， 2013， 5：5？7

作者简介：

辛振，男，中石化中原油田天然气处理厂助理工程师，主要从事化工仪表技术科研攻关、技术改造等方面工作。