Metodi per risolvere i problemi di guasto dei riscaldatori elettrici del gas di processo dell'impianto di utilizzo dell'idrogeno solforato

Attualmente, nella raffinazione del petrolio vengono ampiamente utilizzate unità per l'utilizzo di gas di idrogeno solforato e la produzione di zolfo granulato mediante il metodo Claus, che comprende una fase termica e una parte catalitica a tre stadi per ottenere zolfo tecnico liquido. Nella fase catalitica del processo tecnologico, vengono spesso utilizzati riscaldatori elettrici per riscaldare il gas di processo (solfuro di idrogeno), il che migliora la reazione di ossidazione del gas nei reattori di processo e consente una maggiore resa di zolfo liquido. Per questo motivo, i riscaldatori elettrici rappresentano una parte importante, ma anche costosa, delle apparecchiature di processo. Esiste un problema nel frequente guasto dell'elemento riscaldante nei riscaldatori elettrici durante un'emergenza o un arresto programmato del processo. Ciò provoca frequenti tempi di fermo e costi significativi per l'acquisto, la consegna, l'installazione, lo smantellamento e il montaggio di queste apparecchiature tecnologiche. Il costo di ogni riscaldatore elettrico è di oltre 1,5 milioni di rubli. I costi di consegna, smantellamento e installazione ammontano a centinaia di migliaia di rubli. La semplice installazione dell'USGiPGS comporta lo scarico di gas di idrogeno solforato destinato alla combustione nel sistema di torce dell'azienda, dove viene miscelato con il gas combustibile proveniente dalla rete dell'impianto e immesso nella combustione nelle torce. Questo metodo non garantisce la combustione completa dell'idrogeno solforato gassoso, che viene in gran parte rilasciato nell'aria, con conseguente inquinamento dell'atmosfera e dell'ambiente, nonché sanzioni per l'azienda da parte dei controlli ambientali.

Le cause principali di questo problema sono due: un sistema imperfetto di blocco e segnalazione, che non prevede la modifica dei parametri di funzionamento dei riscaldatori elettrici durante un arresto di emergenza. Durante il normale funzionamento dell'unità, i riscaldatori elettrici funzionano in modalità di riscaldamento automatico del gas di processo, mantenendo la temperatura impostata (200–450 °C). Durante un arresto di emergenza, l'alimentazione di gas di idrogeno solforato all'impianto viene interrotta, causando una brusca interruzione dell'asportazione di calore dai riscaldatori elettrici e un rapido aumento della temperatura al loro interno. L'aumento della temperatura nei riscaldatori elettrici oltre gli standard tecnologici (450 °C) provoca una reazione di combustione dei residui di zolfo in essi contenuti e di conseguenza nel condotto del gas, il che provoca un aumento ancora più rapido della temperatura. Il sistema automatico, che interviene per ridurre il carico sull'elemento riscaldante, non riesce a far fronte alla velocità di aumento della temperatura e di conseguenza, dopo la combustione dei residui di zolfo, non influisce più sulla sua regolazione. Lo zolfo brucia indipendentemente dal carico dell'elemento riscaldante, rilasciando una grande quantità di calore che porta al burnout. Il personale addetto al processo deve fornire azoto a questa sezione di processo dell'impianto, collegata al blocco del reattore, per spegnere l'incendio e ridurre la temperatura. La fornitura di azoto viene fornita esclusivamente in casi di emergenza, come esemplificato sopra. Ma l'azoto ha un effetto negativo sul funzionamento successivo dell'impianto e sull'efficienza del catalizzatore del blocco reattore; a contatto con lo zolfo forma composti chimici negativi e una struttura viscosa. L'intera situazione descritta porta a un'ulteriore diminuzione dell'efficienza dei reattori, a una diminuzione della portata nelle condutture e nelle apparecchiature di processo, oltre alla combustione dei riscaldatori elettrici. Ciò è causa di costose riparazioni e sostituzioni delle apparecchiature, di rapida usura del catalizzatore del reattore e della sua sostituzione, e aumenta i tempi di fermo dell'impianto per eseguire questi lavori. Accumulo eccessivo di zolfo elementare dopo la fase termica del processo sulle pareti delle condotte del gas dell'impianto, compresi i riscaldatori elettrici durante il funzionamento dell'impianto tra arresti programmati per riparazione e pulizia delle apparecchiature. Dopo che lo zolfo si è accumulato sulle pareti delle condutture e delle apparecchiature durante un'emergenza o un arresto programmato dell'impianto, il suo funzionamento viene commutato dalla combustione di gas di idrogeno solforato a quella di gas combustibile nelle caldaie a recupero di calore. Il passaggio al gas combustibile viene effettuato per mantenere le temperature di esercizio nel sistema dopo un arresto di emergenza dell'impianto e per pulire il sistema del condotto del gas dai residui di zolfo durante il funzionamento, nonché prima di un arresto programmato completo. Se una grande quantità di zolfo si deposita nelle condutture e nei dispositivi, si verifica un forte aumento della temperatura nel condotto del gas, compresi i riscaldatori elettrici, a causa della combustione dello zolfo quando interagisce con l'ossigeno presente nell'aria di processo fornita per la combustione insieme al gas combustibile nelle caldaie a recupero di calore. Pertanto, un brusco aumento della temperatura nel percorso del gas e nei riscaldatori elettrici comporta la bruciatura dell'elemento riscaldante. Fattori che influiscono sull'eccessiva deposizione di zolfo elementare nel sistema: il fattore principale è la non corretta manutenzione del rapporto gas di idrogeno solforato-aria di processo durante la combustione nelle caldaie a recupero di calore; un fattore secondario e di rinforzo è la violazione dell'integrità dello strato termoisolante sulle condotte e sulle apparecchiature del percorso del gas, che riduce la temperatura del gas di processo e aumenta la precipitazione di zolfo elementare nel sistema; Un fattore importante è la diminuzione periodica dei carichi di gas di idrogeno solforato a valori minimi, che porta a una diminuzione della pressione e della portata del gas di processo nel sistema di percorso del gas, a un rallentamento del flusso del mezzo, a una diminuzione della temperatura del gas nelle condotte e nelle apparecchiature. Ciò si esprime in un aumento della precipitazione di zolfo elementare nel sistema, soprattutto nei punti in cui cambia la direzione del flusso del mezzo (bypass, gomiti, ecc.) ed è anche un fattore amplificante di quello principale.

Le cause del problema e i metodi per eliminarlo spesso non sono descritti nelle normative tecnologiche degli impianti.

Modifica della logica di funzionamento dei riscaldatori elettrici nel sistema di interblocchi e protezione di emergenza delle apparecchiature dell'impianto. Ciò è caratterizzato dal passaggio del funzionamento dei riscaldatori elettrici alla modalità manuale e dalla disconnessione del carico dell'elemento riscaldante dopo un arresto di emergenza dell'unità e dalla chiusura automatica delle valvole di intercettazione del gas di idrogeno solforato. Ciò è descritto dallo spegnimento automatico dei riscaldatori elettrici, che viene attivato dopo il segnale APCS sulla chiusura delle valvole di intercettazione di emergenza (mediante blocco) sulla linea del gas di idrogeno solforato che fornisce materie prime all'impianto. La disattivazione dei riscaldatori elettrici impedisce l'accensione dello zolfo dovuta all'aumento della temperatura al di sopra della norma (200–450 °C) e la bruciatura dell'elemento riscaldante, guasto senza conseguenze per la loro futura qualità di funzionamento e per l'installazione nel suo complesso. In questo modo si elimina anche l'apporto di azoto e le relative conseguenze anche in caso di piccoli problemi, come il danneggiamento dell'integrità dello strato di isolamento termico di condotte e apparecchi. Corretto mantenimento dei parametri stechiometrici (rapporto tra volumi di gas e aria nella camera di combustione delle caldaie a recupero di calore) quando l'impianto funziona con gas di idrogeno solforato. Il rapporto standard tra "gas di idrogeno solforato e aria di processo" è compreso tra 1:2 e 1:3, ma è piuttosto arbitrario e richiede valori più specifici, con un'approssimazione di millesimi. Pertanto, è necessario monitorare sistematicamente l'analisi della concentrazione di gas di idrogeno solforato (96-99,9%), nonché delle impurità di idrocarburi (non più del 3,9%). Questa concentrazione garantisce una combustione stabile della miscela di gas e aria e la stabilità delle temperature ottimali (1300–1350 °C) nella camera di combustione delle caldaie a recupero di calore. Un rapporto più accettabile per ottenere le temperature richieste è compreso tra 1:2.400 e 1:2.500. Un fattore importante è anche la lettura dell'analizzatore di portata dei gas di scarico dell'impianto, che dipende direttamente dalla stechiometria. Serve a monitorare il volume di gas di idrogeno solforato, diossido di zolfo e la loro differenza, che viene calcolata utilizzando la formula H2S – 2SO2 e dovrebbe tendere a zero (±0). Secondo la normativa, lo standard per l'idrogeno solforato gassoso è compreso tra 0 e 0,25% vol., valore anch'esso vago e condizionale. L'intervallo migliore è compreso tra 0 e 0,050 vol% di letture, ma ciò non sempre comporta letture di gas di idrogeno solforato/anidride solforosa pari a zero a causa di imperfezioni nel processo, nella materia prima e nelle condizioni. Allo stesso tempo, le letture della concentrazione di gas di idrogeno solforato sono le più importanti per il processo tecnico e le condizioni dell'attrezzatura. Il mantenimento di questi parametri garantisce la conversione ottimale dell'idrogeno solforato gassoso in zolfo nella fase termica del processo. A ciò si accompagna un'elevata quantità di zolfo emesso dal gas di idrogeno solforato e una quantità minore nel gas di processo dopo la fase termica, il che a sua volta riduce la precipitazione dello zolfo nel percorso del gas e nei riscaldatori elettrici, tra le altre cose. Inoltre, è severamente vietato consentire il verificarsi di fattori secondari e di rinforzo: Riduzione dei carichi di gas di idrogeno solforato, in base alla correttezza del processo tecnologico di desorbimento del gas di idrogeno solforato da una soluzione contenente ammina nell'unità di rigenerazione, che funge da assorbente nel processo di rimozione dello zolfo dai prodotti petroliferi. Ciò consente il monitoraggio continuo del funzionamento dell'unità di rigenerazione della soluzione contenente ammina. In caso di diminuzione della saturazione della soluzione e della produzione di gas di idrogeno solforato, è necessario sospendere il funzionamento dell'impianto a carichi prossimi ai valori minimi (inferiori a 250 m3/h) e commutare le caldaie a recupero di calore alla combustione di gas combustibile, evitando così l'accumulo di zolfo nel condotto gas a carichi prossimi al minimo. Violazione dell’integrità dello strato di isolamento termico delle apparecchiature e delle condotte dell’impianto. Per fare ciò è necessario monitorarne costantemente le condizioni e, se necessario, adottare misure per eliminare le carenze il prima possibile. Se le condizioni di cui sopra non vengono soddisfatte durante il funzionamento dell'unità con gas di idrogeno solforato, allora con un grado di probabilità maggiore, lo zolfo in eccesso depositato sulle pareti inizia a incendiarsi quando l'unità passa da gas di idrogeno solforato a gas combustibile, con un conseguente forte aumento delle temperature nel trattore a gas, compresi i riscaldatori elettrici. Il motivo è l'elevata temperatura ambiente (1300–1400 °C nella camera di combustione delle caldaie a recupero di calore) con un elevato contenuto di ossigeno, poiché il rapporto tra "gas combustibile e aria di processo" è di 1:5–1:8 (standard delle normative tecnologiche). Questo rapporto rientra in un intervallo piuttosto ampio e non è regolamentato con precisione. Il rapporto ottimale nella fase iniziale dovrebbe essere 1:4–1:4,5 con una densità normale del gas combustibile da 0,7 a 1 kg/m3, che assicura il più basso contenuto di ossigeno possibile e un mantenimento più regolare e stabile delle temperature nel tratto del gas entro i limiti degli standard della modalità di processo. Dopo aver eliminato le cause dell'arresto a breve termine della combustione del gas di idrogeno solforato, l'impianto torna al suo utilizzo e alla produzione di zolfo. Durante un arresto programmato dell'impianto, l'obiettivo è quello di rimuovere quanto più zolfo possibile lungo l'intero contorno del percorso di processo a causa del flusso di gas combustibile e aria di processo bruciati nel forno delle caldaie a recupero di calore, accompagnato da un grande rilascio di calore, grazie al quale lo zolfo rimanente allo stato liquido viene rimosso dal sistema. Quando si esegue questa operazione tecnologica, è molto importante monitorare le temperature del percorso del gas. Con un forte aumento della temperatura, anche in una certa sezione del flusso di processo, è necessario ridurre al minimo (1:5) il rapporto gas/aria. Se non si verificano modifiche, ridurre a 1:4,5, contrariamente a quanto richiesto dalle normative tecnologiche. È stato praticamente dimostrato che questo è il metodo più efficace per ridurre la reazione a un brusco aumento di temperatura senza danneggiare il processo tecnologico. Lo spostamento dei residui di zolfo viene effettuato per almeno 48 ore. In caso contrario, i residui di zolfo non rimossi e raffreddatisi dopo l'arresto dell'impianto creeranno difficoltà o addirittura la completa assenza di flusso del fluido nel condotto del gas. Pertanto, quando le temperature si stabilizzano alla stechiometria minima (dopo 15–20 ore), è necessario aumentare gradualmente la quantità di aria di processo, incrementando la concentrazione di ossigeno e il volume del flusso del mezzo da 1:5 a 1:6 per altre 10–15 ore. Quando la temperatura nel condotto del gas raggiunge quasi il massimo, ridurre la quantità di aria. Se le temperature tendono a diminuire, aumentare la quantità d'aria. Durante le restanti 10–15 ore di spostamento dello zolfo rimanente, il rapporto dovrebbe raggiungere un valore vicino al massimo (1:6,5–1:8). Durante il funzionamento dell'unità a gas combustibile, i riscaldatori elettrici devono funzionare in modalità di controllo manuale con un carico del 20-30% durante le prime 10-15 ore e quando le temperature aumentano oltre la norma, vengono ridotti a valori minimi dello 0-10%. Nel tempo rimanente il carico aumenta al 50-70% con una diminuzione delle temperature nel tratto gassoso. Il funzionamento in modalità automatica è severamente sconsigliato a causa dell'instabilità del regime di temperatura e della velocità di regolazione del carico dei riscaldatori elettrici, che porta al surriscaldamento degli elementi riscaldanti e al loro guasto.

È stato dimostrato praticamente che il rispetto dei metodi sopra descritti riduce del 90% la probabilità che i riscaldatori elettrici si brucino a causa dell'aumento della temperatura nel sistema dell'impianto di processo.

Le modifiche sopra descritte negli impianti, nei metodi di controllo e nella manutenzione della modalità di processo vengono applicate con successo al funzionamento dell'impianto. Sono stati ottenuti, testati e dimostrati empiricamente e dall'esperienza personale dell'autore, che è caratterizzata dai seguenti indicatori: Aumento di 5 volte del tempo di funzionamento dei riscaldatori elettrici. Riduzione dei costi di acquisto e sostituzione delle attrezzature del 20% (in termini monetari oltre 35.000.000 di rubli). Riduzione del 30% all'anno dei tempi di inattività dell'installazione USGiPGS.

Aumentare l'efficienza dell'impianto.