设计 SRU 热反应堆
Zeeco Inc. 的 Sreeram Krishnan 概述了 SRU 热反应堆成套设备的根本设计原则
S硫是人体中含量第十一多的元素，也是宇宙中含量第十多的元素（霍巴特·M·金，2025）。然而，全球大部分元素态硫都是从硫化氢（H2S）的副产品中回收的。这些设施采用一种称为克劳斯工艺的转化方法，从含硫废气中回收元素硫。通过克劳斯工艺回收的元素硫随后可分销至多个应用领域，例如化肥或化学品生产。
背景信息
克劳斯工艺通过硫回收装置（SRU）进行，该装置由各种工艺容器和成套设备组成，通过缺氧燃烧工艺将H2S气体转化为元素硫，随后将其冷凝成液态，并储存在硫池中以备最终分销。 克劳斯硫磺回收装置通常采用多种不同类型的燃烧设备，例如热反应器、在线加热器和尾气焚烧炉，如图1所示。
图1。 典型的克劳斯法硫磺回收装置（SRU）。
尽管图1中未显示，但克劳斯硫磺回收装置（SRU）内部也设有减压气发生器（RGG）。 RGG通常应用于更复杂的硫磺回收和处理系统中，例如壳牌克劳斯尾气处理（SCOT）工艺，该工艺通常应用于对硫磺回收率（≥ 99.9%）要求更高、对二氧化硫排放量 （≤ 150mg/Nm3）要求更低的设施中。
不过，本文将重点探讨与典型的克劳斯SRU热反应器成套设备（图1中用红色标出的部件）相关的基本设计原则，以及如何运用这些设计原则来确保所有设备以尽可能安全、高效的方式运行。
流程概述
在克劳斯脱硫单元（SRU）中处理的两种最常见的富含H₂S的废气是酸性气体和酸性水剥离器（SWS）气体。图2和图3反映了这些废气流的典型组成。
图2。 典型的酸性气体成分。
图3。 典型酸性水脱气塔（SWS）的气体组分。
需要注意的是，图2和图3中所示的气体成分可能会因具体应用而有所不同。这些图旨在突出各废气中通常存在的较高浓度的H2S和NH3 。
在克劳斯（Claus）SRU热反应器装置内，将H₂S转化为元素硫的主要反应可通过以下化学反应来描述：
- 反应一：向系统中引入足量的空气，将进料酸气中⅓的 H₂S燃烧成SO₂和 H₂O，同时清除气流中可能存在的所有污染物，即NH₃、BTEX等。
H2S+ 3O2 → SO2 + H2O
- 反应二：剩余的⅔ H₂S与反应一中生成的 SO₂ 反应，生成油气 S₂)。
2H2S+SO2 ⇄ 3 S2 + 2H2O
热反应器产生的元素硫随后在余热锅炉中进行淬火处理，然后进入冷凝器，在那里被液化，并收集到带盖的硫池中，待后续分发。热反应器中剩余的烟气仍含有大量可回收的元素硫，随后通过一系列下游的串联加热器、催化反应器和冷凝器，在此过程中进一步回收硫。
尽管克劳斯脱硫装置（Claus SRU）能够去除处理后废气流中大部分的硫，但仍需对通常被称为“尾气”的副产物废气流进行进一步燃烧和销毁。 尾气中含有残留的硫化合物，以及一氧化碳和氢气，所有这些物质在排放前都必须被完全氧化。这一过程由尾气焚烧炉完成，该设备将废弃副产物完全燃烧并销毁，使其排放水平达到可接受标准，然后才将其释放到大气中。
关键设计考虑因素
为了优化整个克劳斯选择性还原装置（SRU）的整体效率和性能，必须对热反应器系统中的以下关键设计要素进行评估和实施。
混音动态
在热反应器装置的设计中，必须考虑采用强力混合装置，以确保克劳斯硫磺回收装置（SRU）的整体性能。由于必须在亚化学计量比（缺氧）条件下运行，因此不能使用过量的空气来弥补混合效率不足的问题。 如前所述，反应一和反应二必须在精心平衡的化学计量比下进行，以获得最佳的H₂S与SO₂ 比例，从而最大限度地提高 元素硫的收率。混合不充分可能会导致分层现象，使得 不同区域的H₂S和SO₂比例 失衡，从而 阻碍向元素硫的理想转化。
基于这些原因，静态混合装置（如节流环和/或格栅壁）通常被应用于热反应器炉膛中。 此外，在SRU热反应器燃烧器中，通常还会考虑采用其他混合装置（如酸气和燃烧空气的自旋稳定叶片组件），以进一步确保实现适当的混合和湍流。建议进行额外的CFD分析，以评估热反应器组件内的速度分布，从而进一步验证混合动力学，如图4所示。
图4。 SRU热反应堆内部速度分布的CFD模型。
烟灰的形成
烟尘的形成是热反应器组件内混合动力学不良可能导致的负面后果之一。混合不充分可能会导致热反应器内部形成某些区域或区域，其中所含的烃类无法接触到足量的氧气。因此，这些烃类无法完全氧化为二氧化碳，也 无法部分氧化为一氧化碳，从而增加了烟尘形成的可能性。 下游 SRU 催化反应器内的积炭也可能降低整个克劳斯 SRU 的总体效率，从而降低硫的总体回收潜力。过多的积炭还会导致冷凝液态硫产品出现肉眼可见的变色，使其在分销或销售时吸引力降低。
为了防止出现上述情况，信誉良好的SRU设计公司会对SRU热反应器组件内部横截面上的乙炔（C2H2）浓度进行计算流体动力学（CFD）分析。以往的实验数据表明，只有当C2H2的摩尔 分数大于10-8时， 设备内部才会 产生肉眼可见的积炭。
氧分层
SRU热反应器或管线式加热器组件出口处存在 未反应的O₂ 是不希望看到的，因为它可能会与克劳斯SRU下游的H₂S或冷凝硫发生反应，从而导致SO₂浓度 升高，并降低硫回收效率。 未反应的氧气还可能引发系统内的硫火，给人员和设备安全带来额外风险。基于上述原因，建议进行额外的CFD分析，以模拟SRU热反应器组件内部各位置的O₂浓度分布 。
均匀的温度分布
为了优化克劳斯SRU的整体性能，评估SRU热反应器炉膛内的温度分布曲线至关重要。反应一和反应二必须在适当的温度和停留时间下进行，以确保每项反应能够完全进行。温度会影响每项反应的平衡产物，从而影响整个系统中元素硫的总体回收率。
热反应器内特定区域或地带（尤其是燃烧器前端附近）出现的温度分层，可能会导致混合不充分或不均匀，从而降低元素硫的潜在产率。热反应器炉膛内任意位置的烟气温度，取决于当地反应物化学计量比的平衡温度。放热反应能的释放也受氧气供应量的限制。 氧浓度较高的区域温度往往较高，可能导致内部耐火材料和/或燃烧器部件受损。 系统内峰值火焰温度的均匀性管理主要依赖于热反应器燃烧器内的混合装置。燃烧器的空气动力学设计和惰性气体注入可用于降低峰值温度，特别是在可能使用富氧气流运行的系统中。可利用CFD模型验证热反应器燃烧器和炉膛横截面上的温度分布均匀性，如图5所示。
图5。 SRU热反应堆内部温度等值线的高精度CFD模型。
污染物销毁去除率销毁去除率（DRE）
必须在热反应器内彻底消除NH3、BTEX及其他残留烃类等有害杂质，以避免对下游的克劳斯脱硫装置（SRU）造成损害。热反应器出口处的NH3 可能会与SO2发生反应，从而形成硫酸铵盐。这些盐类随后可能沉淀，导致下游催化反应器堵塞或结垢，并产生与前文所述烟尘形成类似的后果。 基于这些原因，必须在氧气含量受限的还原性气氛中彻底清除这些污染物。
建议采用高性能混合装置，并将热反应器的工作温度设定在1250°C（2370°F）以上，以进一步确保这些污染物在热反应器装置出口处得到充分销毁。此外，还可以通过掺烧天然气或将工艺气体注入炉膛的不同区域，来提高需要 销毁NH3的 区域的炉温。
燃烧器的调火范围
热反应器内的燃烧器压降为气体充分混合提供了必要的混合能量。如前所述，混合不足会导致性能受限。向系统输入质量最多的流体是燃烧空气和工艺气体流。这两股流体必须共同提供足够的混合能量，以确保在该克劳斯脱硫装置（Claus SRU）典型的流量和组分波动范围内，无论在何种给定运行条件下都能顺利运行。
防止回燃
回燃是与热反应器组件内低运行率相关的另一个常见问题。通过燃烧器喉部保持适当流速，可限制燃烧器内部组件接触下游热反应器炉膛产生的任何意外辐射，从而防止这些组件受损。
自旋稳定式燃烧器的空气动力学特性会自然形成一个中央再循环区，类似于龙卷风或台风的“眼”。该再循环区会将炉内气体吸回燃烧器前端，从而可能损坏内部组件。无论燃烧器喉部流速如何，保持喷嘴的最小流量也有助于防止损坏。
在某些情况下，热反应器装置内的运行条件可能会导致流经燃料气体喷嘴或酸性气体注入器的流量微乎其微甚至完全停止。 在这些情况下，可使用蒸汽作为替代方法，以维持喷射器内的最低流速，从而替代工艺气体或燃料气。如图6所示，还可利用安装在SRU热反应器炉膛（PFurnace）和燃烧器燃烧空气入口喷嘴（PCombustion Air）上的差压变送器，监测燃烧器两端的压降，作为防止回燃的额外预防措施。
图6。 SRU热反应堆燃烧器和炉膛内的临界压力测量。
总结
SRU热反应器装置必须在任何给定的炼油厂或天然气加工厂中，既要最大限度地提高硫回收率，又要将克劳斯SRU产生的SOx排放量 降至最低。 克劳斯SRU内的所有成套设备必须经过精心设计和操作，以确保其运行符合工艺许可方的规定。鉴于SRU热反应器成套设备必须特别考虑的关键设计原则和特征，对于与SRU成套设备的详细设计、制造或操作相关的任何具体问题，务必咨询值得信赖且经验丰富的SRU供应商。