克劳斯硫回收风气比调节与优化

王涛（内蒙古大唐国际克什克腾煤制天然气有限责任公司，内蒙古 赤峰 025350）

在克劳斯硫回收工艺中，涉及应用设备的各种工艺计算方法，包括反应炉、在热炉、转化器等复杂气相反应的平衡，以及物料平衡、热量平衡、热负荷参数平衡的计算。从克劳斯反应原理不难看出，硫磺回收依赖于H2S的不完全燃烧，一部分H2S转化为二氧化硫，进而发生以下的反应：2H2S+SO2=3S+2H2O。

因此上，克劳斯硫回收工艺实际上划分为了两个阶段，第一个阶段是一部分H2S与氧气燃烧反应生成二氧化硫，第二部分是生成的二氧化硫与未来得及燃烧的H2S反应，生成硫磺。

1 克劳斯硫回收工艺概述

克劳斯工艺由于其先进性和优越性已经成为硫回收工业的标准工艺流程，在世界范围内具有广泛的应用，经过长期的发展，克劳斯硫回收形成了多种工艺类型，以下是典型的组成部分。

1.1 常规克劳斯法

常规克劳斯法是目前应用较为广泛的硫回收工艺，从上世纪30年代发展以来，经历了多次的优化调整，但本质上依然遵循H2S和二氧化硫反应的原理。

上世纪五十年代，常规克劳斯法的应用进入高速普及阶段，同时针对三大化石能源（石油、煤炭、天然气）都进行了硫元素回收的实验，以及装置生产，尤其在催化剂研究和自动仪表控制研究方面取得了较大的进步。其缺陷是工艺技术方面进展不大，主要采用的是直流式或分流式工艺，在防腐技术方面有所欠缺。

1.2 冷床吸收工艺

所谓冷床吸收工艺，是基于亚露点类硫磺回收的技术。这一工艺的特点是，首先前部分的流程与传统克劳斯硫磺回收工艺基本仙童，如气体燃烧、废热锅炉反应等，但再有一部分加入了冷床吸收装置，并配有多台催化反应器。

1.3 Modop工艺

Modop工艺的特点是用来克劳斯装置尾气脱硫，与其他技术相比，即便H2S在工艺气中的含量较低，依然可以实现较高的回收率，同时能好少、不会产生有毒害的副产品，是上世纪九十年代以来最有前景的技术改进方向。

与传统克劳斯硫回收工艺做对比，Modop工艺包括三个部分，首先是尾气加氢，其次是过程气脱水，最后是工艺气直接氧化。克劳斯尾气一旦进入发生器之后，就会立即被加热产生还原气体，最后经过脱水的气流进入氧化装置。

2 克劳斯硫回收风气比调节与优化

风气比是制硫燃烧炉内工艺气的体积与工艺气燃烧所需空气体积比，也可以看作是反应炉中空气和酸性气体之间的比例，气化炉中的空气供应通过鼓风机进行。当原料气中包括的H2S、二氧化硫和烃类物质（可燃组分）总量确定，就可以按照氧气需求量计算出风气比。

风气比控制是十分重要的环节，在克劳斯硫回收工艺中，空气量不足会导致原料气剩余，增加工艺气中的硫滞留，降低转化率；很显然，空气不足比空气过剩对硫回收的影响更大，因此，为了提升单质硫的转换效率，必须对风气比进行人为的调节和优化。

2.1 克劳斯硫回收风气比调节手段

调节手段指的是在现有设备基础上进行的人为操作，以不同的控制手段来限制空气流量和工艺气的比例。在整个工艺气中，最重要的三个参数包括H2S，二氧化硫和氧气。其中，二氧化硫和硫化氢是必要的原料，根据化学方程式分析不难看出，当H2S和二氧化硫的比例达到2:1的状态下，可以实现最佳的回收效果，这也是克劳斯硫回收工艺中最重要的参数。在进行克劳斯装置设定过程中，维持这一比例可以减少转化率的偏差。具体的调节手段有三个方面。

（1）温度操作调节手段

实现硫回收的主要设备是克劳斯反应器，单质硫回收之后要通过凝结、干燥等过程。克劳斯反应器的温度在1200℃左右，温度过低会造成氨的不完全分解，影响酸性气体的转化率，生成的硫磺质量也较差。但是，在一定有效范围内，反应器的操作温度越低，平衡性就越稳定，转化率就越高；所以，针对温度操作进行调节是十分必要的。在调节方面，温度的调节可以配合余热回收锅炉使用，也可以根据设备的强度，在回收过程中减少空气灌入，阻止燃烧。增强单位时间内的温度变化效率，最低温度保持在140℃左右，以确保催化剂的活性。

（2）空速控制调节手段

空速指的是控制气与触媒接触时间的参数。一方面，空速过高就意味着过程气在触媒方面接触时间不足，加入的物料来不及反应，造成整体转化率过低的现象；另一方面，如果空速过高也意味着床层的升温幅度过大，在造成资源浪费的同时影响设备效率。调节空速的主要方式是利用鼓风机，参考克劳斯法对工艺气的反应成分控制不严苛的特点，为了实现高转化率可以加强单位时间进风的容量，在不改变设备体系的基础上，提高风机的规模和效率。

（3）杂质组分调节手段

工艺气中中的杂质组分，如氨、二氧化碳、水蒸气等，会对克劳斯反应产生稀释作用。传统的克劳斯硫回收法很难解决杂质问题，而超级克劳斯法、低温克劳斯法等改进工艺中，可以利用转化、冷凝、分硫等手段，减少杂质组分的影响。具体的调节手段如铵盐法，将氮气、氨气等杂质组分转化稳定的化合物，通过调节空气组分中的惰性因素来实现提高转化率的目的。

2.2 克劳斯硫回收风气比优化措施

克劳斯硫回收风气比可以简单地理解为鼓风量与工艺气之比，工艺气即竹工艺流程中的介质，主要是二氧化硫和H2S，而鼓风量是利用风机向反应炉补充的助燃气化剂（空气），有效成分为氧。

风气比的优化关系得到克劳斯硫回收工艺的顺利进行，考虑到不同物料组分的关系，其中工艺气的总量无法判断，只能够通过风量调整来实现最优化生产。根据原料气中的H2S含量不同，以及生成二氧化硫的比例，调节风气比需要按最终目的进行。常用的风气优化方法有三种，分别是部分燃烧法、分流法和直接氧化法。

（1）部分燃烧法

部分燃烧法中工艺气进入反应炉之后，内部的空气供给量中有30%左右参与生成二氧化硫的反应，这样可以保障H2S和二氧化硫的最佳化学方程比例；假设反应炉中不存在任何触媒的情况，部分燃烧法仅能满足H2S60%左右的转化率，转化作用需要风机继续输送空气。

（2）分流法

如果原料气中的H2S含量在30%左右，可以使用分流法配合最佳风气比。首先将总量30%的H2S送入反应炉，再配合适当的空气完全燃烧生成SO2，这一过程中不必考虑风气比的问题，风机的工作以热力平衡为开关点；随后将剩余的H2S送入反应炉，剩余的空气含量即可与剩余的2/3H2S和二氧化硫反应，硫回收率可以达到90%以上。

（2）直接氧化法

顾名思义，就是采用纯氧参与克劳斯反应，因此也被称之为“富氧法”。反应过程中直接采取氧气作为气化剂，这种方法的优势在于便于精确计算，风气比的调节本质上就是氧气比的调节，即氧气与工艺气的对应多少。

3 结语

随着中国的经济发展速度加快，社会对能源的需求量日益提升，生态环境的负面影响因素也在不断增加。化石燃料所排放的硫化物不仅直接污染大气，也会形成酸雨灾害，具有很大的生态环境破坏作用。克劳斯硫回收工艺的应用及发展，可以很好地解决这一问题，在减少环境污染的同时回收了硫磺单质的化工原料。本文中针对克劳斯硫回收风气比的调节与优化进行研究，并提出了相应的改进策略，有效降低成本和提高效率。

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