Methoden voor het oplossen van problemen met het falen van elektrische verwarmers van procesgas van de waterstofsulfide-gebruiksinstallatie

Momenteel wordt in de olieraffinage op grote schaal gebruik gemaakt van units voor het gebruik van waterstofsulfidegas en de productie van gegranuleerde zwavel volgens het Claus-procédé. Dit procédé omvat een thermische fase en een katalytisch deel in drie fasen voor het verkrijgen van vloeibare technische zwavel. In de katalytische fase van het technologische proces worden vaak elektrische verwarmers gebruikt om het procesgas (waterstofsulfide) te verwarmen. Dit verbetert de gasoxidatiereactie in de procesreactoren en zorgt voor een hogere opbrengst aan vloeibare zwavel. Elektrische verwarmers vormen daarom een ​​belangrijk, maar ook duur, onderdeel van de procesapparatuur. Er is sprake van een probleem doordat het verwarmingselement in elektrische verwarmingstoestellen vaak uitvalt tijdens een noodgeval of geplande stopzetting van het proces. Dit veroorzaakt vaak stilstand en aanzienlijke kosten voor de aanschaf, levering, installatie, demontage en montage van deze technologische apparatuur. De kosten van elke elektrische kachel bedragen meer dan 1,5 miljoen roebel. De kosten voor levering, demontage en installatie bedragen honderdduizenden roebels. De eenvoudige installatie van USGiPGS houdt in dat waterstofsulfidegas wordt afgevoerd voor verbranding in het fakkelsysteem van het bedrijf. Daar wordt het gemengd met brandstofgas uit het netwerk van de fabriek en naar de fakkels geleid voor verbranding. Deze methode garandeert geen volledige verbranding van waterstofsulfidegas en een aanzienlijk deel ervan komt in de lucht terecht, wat leidt tot vervuiling van de atmosfeer en het milieu en tot boetes voor het bedrijf vanwege milieutoezicht.

Er zijn twee hoofdredenen voor dit probleem: Een onvolmaakt systeem voor blokkering en signalering, dat niet voorziet in de mogelijkheid om de bedrijfsparameters van elektrische verwarmingselementen te wijzigen tijdens een noodstop. Tijdens de normale werking van de unit werken de elektrische verwarmers in de automatische procesgasverwarmingsmodus, waarbij de ingestelde temperatuur (200–450 °C) wordt gehandhaafd. Tijdens een noodstop wordt de toevoer van waterstofsulfidegas naar de fabriek stopgezet. Hierdoor stopt de warmteafvoer via de elektrische verwarmers abrupt en stijgt de temperatuur in de elektrische verwarmers snel. Een temperatuurverhoging in elektrische verwarmingstoestellen boven de technologische normen (450 °C) leidt tot een verbrandingsreactie van zwavelresten in de toestellen en bijgevolg in het gastraject, wat leidt tot een nog snellere temperatuurstijging. Het automatische systeem, dat de belasting van het verwarmingselement vermindert, kan de snelheid van de temperatuurstijging niet aan en heeft daardoor, na verbranding van de zwavelresten, geen invloed meer op de regeling ervan. Zwavel verbrandt ongeacht de belasting van het verwarmingselement, waarbij een grote hoeveelheid warmte vrijkomt, wat tot doorbranden leidt. Het procespersoneel moet stikstof toevoeren aan dit procesgedeelte van de fabriek, dat in verbinding staat met het reactorblok, om de brand te blussen en de temperatuur te verlagen. De levering van stikstof wordt uitsluitend in noodgevallen uitgevoerd, zoals hierboven aangegeven. Maar stikstof heeft een nadelig effect op de verdere werking van de installatie en de efficiëntie van de katalysator in het reactorblok; wanneer het in contact komt met zwavel, vormt het negatieve chemische verbindingen en een viskeuze structuur. De gehele beschreven situatie leidt tot een verdere afname van de efficiëntie van de reactoren, een afname van de stroomsnelheid in pijpleidingen en procesapparatuur en bovendien tot het doorbranden van elektrische verwarmers. Dit leidt tot dure reparaties en vervanging van apparatuur, snelle slijtage van de katalysator in de reactor en vervanging hiervan, en tot langere stilstandtijden van de fabriek om deze werkzaamheden uit te voeren. Overmatige ophoping van elementair zwavel na de thermische fase van het proces op de wanden van de gasleidingen van de fabriek, met inbegrip van elektrische verwarmers tijdens de werking van de fabriek tussen geplande stilstanden voor reparatie en reiniging van de apparatuur. Nadat zwavel zich heeft opgehoopt op de wanden van pijpleidingen en apparatuur tijdens een noodgeval of geplande sluiting van de fabriek, wordt overgeschakeld van het verbranden van waterstofsulfidegas naar het verbranden van gasvormige brandstoffen in afvalwarmteketels. De overgang naar stookgas wordt uitgevoerd om de bedrijfstemperaturen in het systeem te handhaven na een noodstop van de installatie en om het gasleidingsysteem te reinigen van zwavelresten tijdens de werking, maar ook vóór een volledige geplande stopzetting. Als er een grote hoeveelheid zwavel wordt afgezet in pijpleidingen en apparaten, vindt er een scherpe temperatuurstijging plaats in het gastraject, inclusief elektrische verwarmers, vanwege de verbranding van zwavel in reactie met zuurstof in de proceslucht die samen met het brandstofgas in de afvalwarmteketels wordt aangevoerd voor verbranding. Een sterke temperatuurstijging in het gastraject en bij elektrische verwarmers leidt dus tot doorbranding van het verwarmingselement. Factoren die de overmatige afzetting van elementaire zwavel in het systeem beïnvloeden: de belangrijkste factor is het onjuist handhaven van de verhouding tussen waterstofsulfidegas en proceslucht tijdens de verbranding in afvalwarmteketels; een secundaire en versterkende factor is een schending van de integriteit van de warmte-isolerende laag op pijpleidingen en apparatuur van het gaspad, waardoor de temperatuur van het procesgas daalt en de neerslag van elementaire zwavel in het systeem toeneemt; een belangrijke factor is de periodieke afname van de waterstofsulfidegasbelasting tot minimale waarden, wat leidt tot een afname van de druk en de stroomsnelheid van het procesgas in het gaspadsysteem, een vertraging van de stroming van het medium en een daling van de gastemperatuur in leidingen en apparatuur. Dit uit zich in een toename van de neerslag van elementaire zwavel in het systeem, met name op plaatsen waar de stroomrichting van het medium verandert (bypasses, ellebogen, etc.) en is ook een versterkende factor van de hoofdstroomrichting.

De oorzaken van het probleem en de methoden om het op te lossen, worden vaak niet beschreven in de technologische voorschriften van de installaties.

Wijziging van de werkingslogica van elektrische verwarmers in het systeem van vergrendelingen en noodbeveiliging van de installatie-uitrusting. Dit wordt gekenmerkt door het overschakelen van de werking van elektrische verwarmingselementen naar de handmatige modus en het loskoppelen van de belasting van het verwarmingselement na een noodstop van het apparaat en het automatisch sluiten van de afsluitkleppen voor het waterstofsulfidegas. Dit wordt gekenmerkt door de automatische uitschakeling van elektrische verwarmers, die in werking treedt nadat het APCS-signaal over het sluiten van de noodafsluiters (door blokkering) op de waterstofsulfidegasleiding die de grondstoffen naar de fabriek voert, wordt afgegeven. Door elektrische verwarmingselementen uit te schakelen wordt voorkomen dat zwavel ontbrandt bij een temperatuurstijging boven de norm (200–450 °C) en dat het verwarmingselement doorbrandt en uitvalt, zonder dat dit gevolgen heeft voor de verdere werking van de verwarmingselementen en de installatie als geheel. Hierdoor wordt ook bij kleine problemen, zoals aantasting van de integriteit van de thermische isolatielaag van pijpleidingen en apparaten, de toevoer van stikstof en de daaruit voortvloeiende gevolgen geëlimineerd. Correct onderhoud van de stoichiometrieparameters (de verhouding van gas- en luchtvolumes in de verbrandingskamer van afvalwarmteketels) wanneer de installatie op waterstofsulfidegas werkt. De standaardverhouding van “waterstofsulfidegas tot proceslucht” bedraagt ​​1:2 tot 1:3, maar is tamelijk willekeurig en vereist specifiekere waarden tot op duizendsten. Daarom is het noodzakelijk om de analyse van de concentratie waterstofsulfidegas (96-99,9%) en koolwaterstofverontreinigingen (niet meer dan 3,9%) systematisch te controleren. Deze concentratie zorgt voor een stabiele verbranding van het gas-luchtmengsel en stabiliteit van de optimale temperaturen (1300–1350 °C) in de verbrandingskamer van afvalwarmteketels. Een acceptabelere verhouding is 1:2.400 tot 1:2.500 om de gewenste temperaturen te verkrijgen. Van belang zijn ook de meetwaarden van de flowgasanalysator van de restgassen van de installatie, die rechtstreeks afhankelijk zijn van de stoichiometrie. Het wordt gebruikt om het volume waterstofsulfidegas, zwaveldioxide en hun verschil te controleren, dat wordt berekend met de formule H2S – 2SO2 en naar nul (±0) moet neigen. De norm voor waterstofsulfidegas ligt volgens de regelgeving tussen 0 en 0,25% vol., wat eveneens vaag en voorwaardelijk is. Het beste bereik ligt tussen 0 en 0,050 vol% metingen, maar dit resulteert niet altijd in nulwaarden voor waterstofsulfidegas/zwaveldioxide vanwege onvolkomenheden in het proces, de grondstof en de omstandigheden. Tegelijkertijd zijn de metingen van de waterstofsulfidegasconcentratie het belangrijkst voor de technische staat van het proces en de apparatuur. Door deze parameters te handhaven, wordt een optimale omzetting van waterstofsulfidegas in zwavel gegarandeerd tijdens de thermische fase van het proces. Dit gaat gepaard met een grote hoeveelheid zwaveluitstoot uit waterstofsulfidegas en een kleinere hoeveelheid ervan in het procesgas na de thermische fase, wat op zijn beurt de zwavelneerslag in het gaspad en elektrische verwarmers vermindert, naast andere factoren. Bovendien is het ten strengste verboden om het optreden van secundaire en versterkende factoren toe te staan: Vermindering van de waterstofsulfidegasbelasting, afhankelijk van de correctheid van het technologische proces van desorptie van waterstofsulfidegas uit een aminebevattende oplossing in de regeneratie-eenheid, die dient als absorptiemiddel in het proces van het verwijderen van zwavel uit aardolieproducten. Hierdoor is continue controle van de werking van de regeneratie-eenheid voor aminehoudende oplossingen mogelijk. Als de verzadiging van de oplossing en de uitstoot van waterstofsulfidegas afnemen, is het noodzakelijk om de werking van de installatie bij belastingen dichtbij de minimale waarden (onder 250 m3/h) te onderbreken en de afvalwarmteketels over te schakelen op verbranding van brandstofgas, waardoor de ophoping van zwavel in het gastraject bij belastingen dichtbij de minimale waarden wordt voorkomen. Schending van de integriteit van de thermische isolatielaag van de apparatuur en de pijpleidingen van de installatie. Om dit te bereiken, is het noodzakelijk om de toestand ervan voortdurend te controleren en, indien nodig, maatregelen te nemen om tekortkomingen zo snel mogelijk te verhelpen. Indien aan bovenstaande voorwaarden niet is voldaan tijdens de werking van de eenheid op waterstofsulfidegas, is de kans groot dat de overtollige zwavel die zich op de wanden afzet, ontbrandt wanneer de eenheid van waterstofsulfidegas wordt overgeschakeld naar stookgas, met als gevolg een sterke temperatuurstijging in de gastractor, inclusief elektrische verwarmingselementen. De reden hiervoor is de hoge omgevingstemperatuur (1300–1400 °C in de verbrandingskamer van afvalwarmteketels) met een verhoogd zuurstofgehalte, aangezien de verhouding “brandstofgas tot proceslucht” 1:5–1:8 bedraagt ​​(norm van technologische voorschriften). Deze verhouding ligt vrij ruim en is niet nauwkeurig gereguleerd. De optimale verhouding in de beginfase moet 1:4–1:4,5 zijn, met een normale brandstofgasdichtheid van 0,7 tot 1 kg/m3. Dit zorgt voor het laagst mogelijke zuurstofgehalte en een soepelere, stabielere handhaving van de temperaturen in het gastraject binnen de grenzen van de normen voor de procesmodus. Nadat de oorzaken van de kortstondige stop van de verbranding van waterstofsulfidegas zijn weggenomen, schakelt de fabriek weer over op het benutten en produceren van zwavel. Bij een geplande stilstand van de fabriek is het doel om zoveel mogelijk zwavel langs het gehele traject van het proces te verwijderen door de stroming van brandstofgas en proceslucht die in de oven van de afvalwarmteketels wordt verbrand. Daarbij komt een grote warmteafgifte kijken, waardoor de resterende zwavel in vloeibare toestand uit het systeem wordt verwijderd. Bij het uitvoeren van deze technologische handeling is het van groot belang om de temperaturen in het gastraject te bewaken. Bij een sterke temperatuurstijging, zelfs in een bepaald gedeelte van de processtroom, is het noodzakelijk om de gas/luchtverhouding tot een minimum te beperken (1:5). Indien er geen wijzigingen zijn, terugbrengen naar 1:4,5, in strijd met de eisen van de technische voorschriften. In de praktijk is bewezen dat dit het meest effectieve effect heeft om de reactie van een sterke temperatuurstijging te verminderen, zonder het technologische proces te schaden. Het verdringen van zwavelresten duurt minimaal 48 uur. Anders zullen de niet-verwijderde zwavelresten die zijn afgekoeld nadat de installatie is stilgelegd, problemen veroorzaken of zelfs een complete afwezigheid van de doorstroming van het medium in het gastraject. Wanneer de temperaturen zich na 15–20 uur stabiliseren op de minimale stoichiometrie, is het daarom noodzakelijk om de hoeveelheid proceslucht geleidelijk te verhogen. Daarbij wordt de zuurstofconcentratie en het volume van de mediumstroom gedurende nog eens 10–15 uur verhoogd van 1:5 naar 1:6. Wanneer de temperatuur in het gastraject bijna het maximum bereikt, verminder dan de hoeveelheid lucht. Als de temperatuur daalt, vergroot dan de hoeveelheid lucht. Tijdens de resterende 10–15 uur waarin de resterende zwavel wordt verdrongen, moet de verhouding een waarde bereiken die dicht bij het maximum ligt (1:6,5–1:8). Tijdens de werking van de unit op brandstofgas moeten elektrische verwarmers in de handmatige regelmodus werken met een belasting van 20-30% gedurende de eerste 10-15 uur, en wanneer de temperaturen boven de norm stijgen, worden ze verlaagd tot minimale waarden van 0-10%. In de resterende tijd neemt de belasting toe tot 50–70%, waarbij de temperaturen in het gastraject dalen. Werken in de automatische modus wordt ten zeerste afgeraden vanwege de instabiliteit van het temperatuurregime en de snelheid van de aanpassing van de belasting van de elektrische verwarmingselementen, wat leidt tot oververhitting van het verwarmingselement en hun uitval.

Uit praktijkonderzoek is gebleken dat het naleven van bovenstaande methoden de kans op het doorbranden van elektrische verwarmingselementen door een temperatuurstijging in het procesinstallatiesysteem met 90% verkleint.

Bovenstaande wijzigingen in de installaties, regelmethoden en het onderhoud van het proces worden succesvol toegepast in de werking van de installatie. Ze zijn empirisch verkregen, getest en bewezen door de persoonlijke ervaring van de auteur, die zich kenmerkt door de volgende indicatoren: Verlenging van de bedrijfstijd van elektrische verwarmingstoestellen met een factor 5. Vermindering van de kosten voor aankoop en vervanging van apparatuur met 20% (in geld uitgedrukt meer dan 35.000.000 roebel). Vermindering van de downtime van de USGiPGS-installatie met 30% per jaar.

Verhoging van de efficiëntie van de installatie.