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多孔平衡流量计在硫磺回收排放中应用
发布时间:2019-06-06

摘要:简要介绍硫磺回收装置反应燃烧系统的基本工艺原理,重点对多孔平衡流量计结构、特点和工作原理进行系统性阐述,并针对硫磺装置含氨酸性气流量特点提出了针对性的处理措施。长期稳定运行结果表明,平衡流量计稳定准确测量性能在提高硫磺回收硫产率的同时,为满足超清洁排放的苛刻要求奠定了坚实基础,对实际生产具有一定的指导作用。
0? 引言
  近年来,随着人们对环保要求的日益提高,,同时国家也制定了更为严格的《GB31570-2015石油炼制工业污染物排放标准》,该标准规定了作为人口密集区域的硫磺回收装置的SO2排放值必须控制不大于100mg/m3,硫磺回收装置也由原先相对粗放性操作转变为精细化调节。因此,只有采用更为合理成熟的工艺,确保设备运行正常,才能在满足新的环保排放要求的同时,最大限度地保证硫回收率。作为硫磺回收装置来说,酸性气流量测量的准确性至关重要,它直接关系到整个装置硫磺的转化效率以及后路尾气达标排放。因此,测量酸性气流量的仪表应具备较高的可靠性、稳定性和测量精度。而传统的差压流量计孔板流量计楔形流量计为主流的测量仪表,由于其结构简单、安装技术成熟以及技术性能稳定可靠,是目前国内测量流量选用差压式流量计的首先仪表设备。但是,传统式差压流量计也有其固有的技术缺陷:对仪表安装位置的前后直管段有严格要求,至少要保证前10D~15D,后5D~10D(D为仪表设备安装的管道直径),仪表测量的精度比较低,永久压力损失大和量程比太窄[1]。由于装置现场各种因素,一般来讲直管段都难以满足要求,矛盾更加突出的就是在大管径的管道上安装此类仪表设备。由于硫磺装置现场空间的局限性,造成原来直管段无法满足要求,进而引起仪表测量的稳定性和准确性不高,从而造成装置的硫磺转化效率不理想,甚至有时候造成环保排放超标情况。因此,本文涉及的硫磺装置酸性气流量计更新就是根据现场前后直管段限制和流量计测量本体的安全性要求选取了新型的差压流量测量仪表即多孔平衡流量计,从目前使用情况来看,多孔平衡流量计彻底解决了酸性气流量特别是含氨酸性气的测量问题,为装置的平稳生产和环保达标排放提供有力的技术支撑。
1? 硫磺回收装置反应燃烧系统工艺原理
  硫磺回收装置的作用就是对炼油过程中产生的含有H2S的酸性气(清洁酸性气、含氨酸性气),采用适当的工艺方法回收硫磺,实现清洁生产,达到化害为利,变废为宝,降低污染,保护环境的目的,并同时满足产品质量要求,降低腐蚀,实现装置长周期安全生产等诸多方面要求[2]。国内大多数硫磺回收采用常规克劳斯工艺,常规克劳斯硫磺回收工艺是由一个热反应段和若干个催化反应段组成。即含H2S的酸性气在反应燃烧炉内用空气进行不完全燃烧,严格控制风量,使H2S燃烧后生成的SO2量满足H2S/SO2分子比等于或接近2,H2S和SO2在高温下反应生成元素硫,生成的元素硫经冷凝分离,达到回收的目的。
主要工艺反应方程:
H2S +3/2O2→SO2 + H2O?? (1)
2H2S +SO2→3/2S2 + 2H2O (2)
2NH3 + 3/2O2→ 3H2O + N2 (3)
硫磺回收酸性气反应燃烧炉的工艺流程如图1所示。

2 多孔平衡流量计原理及技术特点
  多孔平衡流量计采用了国际最先进的对称多孔结构设计,是目前最先进的差压式流量计。多孔平衡流量计除具有标准节流装置简单、可靠、安全、适用面广等优点之外,还具有精度高、直管段要求低、量程比宽、永久压损小等优点;同时还克服了标准节流装置的杂物滞留、堵塞和边缘易磨损、维护和检定成本高等缺点。
2.1? 多孔平衡流量计基本原理
  多孔平衡流量计和其它差压式流量计都是基于能量转换的基本工作原理,也就是多孔平衡流量计是在标准孔板流量计的技术基础上发展演变而来的一项新型节流式流量计。像标准传统孔板流量计一样,多孔平衡流量计遵循流体力学定律和伯努利方程,即在理想工作状态下,流体在管道中的流量和差压的平方根呈线性关系,然后根据伯努利方程结合测得的前后差压值就可以得到流体在管道中的流量。通常而言,传统标准的孔板流量计采用单孔设计的节流模式,这样经过孔板节流后的流体流场难以达到理想的平衡状态[3]。然而,多孔平衡流量计结合了多孔整流器和标准孔板的测量原理,多孔整流器在节流板中心一个圆孔的基础上,对称分布数量不等的圆孔,这些圆孔的分布和尺寸是根据测试数据而特殊设计的,当介质流过圆孔时,流体被平衡调整,涡流被最小化,形成近似理想流体,从而将传统的差压式流量计的优势发挥到极致状态,并通过取压装置和变送器,可获得稳定的差压信号,然后根据伯努利方程计算出流体流过管道的体积流量或质量流量。而MBF系列多孔平衡流量计的流出系数、传感器多孔孔径位置、形状设计和开孔数量通过独特的研发数据演算,并对各种工况进行优化,使测量精度、重复性、量程比、永久压损等综合指标达到最佳,成为目前最先进的差压式流量计。
2.2? 多孔平衡流量计技术特点
  测量范围宽:多孔平衡流量计采取对称多孔设计的技术,突破标准节流装置的测量局限,可以根据流体介质的特性进行灵活多变的结构设计。一般来说,多孔平衡流量计的量程比达到10:1,最高可达30:1的量程比,雷诺数拓宽为200~10000000,用在高流速度段节流特性更佳。
  短的直管段要求:由于能将流场快速整流成近似理想体,所以多孔平衡流量计对管道的前后直管段的要求也大大降低。同其它传统差压流量计相比,多孔平衡流量计的前直管段要求为0.5D~2D,后直管段要求为0.5D~1D(见图2),从而使得现场安装位置的选定更加容易。因此,多孔平衡流量计简化了现场配管的难度,特别适合大口径管道的介质流体流量的测量使用。
多孔平衡流量计的前后直管段图示
  高精度的测量性能:由于多孔平衡流量计采取对称多孔设计的技术,使通过圆孔后的流体的流场达到平衡,降低了孔板流量计的涡流、振动和信号噪声的缺点,从而能基本消除单孔节流原件带来的死区效应,降低了取压区域涡流,也提高了取压点的差压信号信噪比,从而也大大提高了流场稳定性,传感器检测精度也提高了数倍;多孔平衡流量计的线性度达到传统孔板流量计的10倍以上,多孔平衡流量计经实际流量标定,仪表的测量精度可达到0.3%~0.5%精度等级,完全满足炼油装置苛刻生产工况的介质流量测量需求。
  永久性压损少:多孔平衡流量计采取对称多孔设计的技术,结构设计无死区效应,这种设计减少了紊流剪切力和涡流的形成,在相同的差压值情况下,多孔平衡流量计能将标准孔板流量计因死区涡流带来永久压损降低2~3倍,可以大量节省装置运行过程中的流体输送能源(见图3)。
多孔平衡流量计的前后压损图示
  双向流量检测功能:多孔平衡流量计结构上采用双向直孔的设计技术,左右完全对称结构,可方便测量双向流(见图4)。并且节流件厚度突破了标准孔板的限制,比标准孔板结构更安全,使用寿命更长,还可以进行气液两相、浆料、含少量固体颗粒介质的测量。
多孔平衡流量计的双向流图示
  高稳定性能:多孔平衡流量计采取对称多孔设计的技术,使通过圆孔后的流体的流场达到平衡,平衡后的流场大幅度降低了流体介质与节流原件的直接摩擦。因此,流体介质在通过圆孔节流后下游形成的涡流小,从而信号稳定性好。相比于多孔平衡流量计,其它类型的标准差压式节流仪表在节流件后形成的涡流较长,容易产生高幅和低频波动信号干扰,这些干扰信号会对节流原件的差压变送器的测量值造成干扰。
  自清洁、耐脏污介质:多孔平衡流量计采取对称多孔设计的技术原理,这种平衡设计减少了紊流剪切力和涡流的形成,从而大大降低了滞留死区的现象,保证脏污介质可以顺利通过多个孔,减小了流体孔被堵塞的机会。因此,多孔平衡流量计基本上无需任何维护,就可以保持高精度的测量效果,而传统标准孔板流量计则需要定期维护清洗的繁重工作量。
  经济节能:多孔平衡流量计由于具有较高的测量精度,所以可作为贸易计量结算使用,从而节约了因计量不准确而造成的贸易结算损失;多孔平衡流量计的永久性压损小。因此,就节约了流体介质在输送过程中的能量损失,从而也就降低了成本;前后管道的直管段长度要求比较短,也就节省了工艺管道材料和施工费用;长期稳定性运行,无边缘磨损,延长了检定周期,节约了检定费用。
3 多孔平衡流量计在酸性气测量中的应用
  酸性气流量测量的准确性对硫磺回收装置至关重要,它直接关系到整个装置硫磺的转化效率以及后路尾气达标排放。但是,在实际应用中,对酸性气(特别是含氨酸性气)的流量测量始终是硫磺装置的难点问题。由于含氨酸性气的工艺组分的特殊性,H2S组分仅占到总量的三分之一不到,剩下的三分之二主要是水汽、氨气以及少量的氢烃类物质组分,并且NH3在接近85℃有水分存在的情况下,极容易形成铵盐结晶。常规标准孔板流量计对含氨酸性气进行测量时,孔板节流孔对含氨酸性气进行阻拦,极易在孔板节流孔中心产生铵盐集结现象;并且,含氨酸性气在管道壁由于受到管道阻力的影响,流体介质在靠近管壁附近流速减慢,这样也极易形成铵盐集结现象,从而,孔板流量计的正取压口附近产生的铵盐就会对取压信号形成干扰,含氨酸性气流过节流孔后,产生的涡流也向管壁作波动性发散,也会对孔板流量计的负取压口信号产生干扰。因此,孔板流量计的测量精度也就会大打折扣。而多孔平衡流量计采用多孔对称设计技术,使得含氨酸性气能够顺利通过节流孔流过,从而避免了铵盐集结的可能性,铵盐无法集结也就对多孔平衡流量计取压信号的干扰大大降低,也提高了酸性气流量测量的精度。
多孔平衡流量计测酸性气现场图示
  在本项目中含氨酸性气测量所采用多孔平衡流量计的正负取压口都是DN25的法兰连接形式,一旦引压管线出现故障,可以直接和测量本体部分隔离开来,并且上端的引压管线也采用特定倾斜自流角度设计理念,即使含氨酸性气存在气液两相情况下也不会聚集,再加上多孔平衡流量计测量部分本体以及引压管线都用蒸汽伴热形式,从而保证含氨酸性气一直保持在气相状态,含氨酸性气也就无法形成铵盐结晶的可能性。另外,为了便于日后维护方便和人员的安全性出发,在多孔平衡流量计的正负引压管线上设置有三通,一路为引压管线,一路为日常吹扫维护管线,这样设计既有利于仪表日常维护,也不影响装置日常正常生产。最后,也是最关键的一个决定性因素,就是含氨酸性气流量测量的流量计的前后直管段受现场场地的限制,原设计的前后直管段相当短(前5D,后2D),再加上当初含氨酸性气流量测量选用的是V锥流量计,而由于V锥流量计先天设计缺陷,测量本体的锥体容易脱落,存在很大的安全风险。因此,本次对含氨酸性气流量测量的V锥流量计进行更新,就必须考虑前后直管段限制和流量计测量本体的安全性,经过综合性技术分析和安全评估,本次更新含氨酸性气流量测量的V锥流量计进行重新选型,最终决定选用多孔平衡流量计,多孔平衡流量计的技术特点既满足流量计前后直管段限制,又能确保流量计测量本体的安全性,还能满足新的环保排放标准对硫磺装置含氨酸性气流量测量的可靠性、稳定性和测量精度的苛刻性能要求。
4? 结束语
  酸性气流量测量的准确性,特别是含氨酸性气的流量准确测量对硫磺回收装置至关重要,它直接关系到整个装置硫磺的转化效率以及后路尾气达标排放。本文正是基于含氨酸性气的工艺特性以及现场对仪表设备的特殊要求,采用了多孔平衡流量计,彻底解决了硫磺装置含氨酸性气流量难以准确测量的难点。通过一年多的实践证明,硫磺回收装置反应燃烧炉在采用合理成熟的工艺流程,并结合含氨酸性气流量的稳定准确性测量数值作保障,装置硫磺的转化效率得到了大大地提升,同时装置尾气也能够长期保持稳定的达标排放。

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