Métodos para resolução de problemas de falha de aquecedores elétricos de gás de processo da planta de utilização de sulfeto de hidrogênio

Atualmente, o refino de petróleo utiliza amplamente unidades para utilização de gás sulfídrico e produção de enxofre granulado pelo método Claus, que inclui uma etapa térmica e uma parte catalítica de três etapas para obtenção de enxofre técnico líquido. Na fase catalítica do processo tecnológico, aquecedores elétricos são frequentemente usados ​​para aquecer o gás do processo (sulfeto de hidrogênio), o que melhora a reação de oxidação do gás nos reatores do processo e permite um maior rendimento de enxofre líquido. Portanto, aquecedores elétricos são uma parte importante e também cara do equipamento de processo. Há um problema na falha frequente do elemento de aquecimento em aquecedores elétricos durante uma emergência ou desligamento planejado do processo. Isso causa paradas frequentes e custos significativos para compra, entrega, instalação, desmontagem e montagem desses equipamentos tecnológicos. O custo de cada aquecedor elétrico é de mais de 1,5 milhão de rublos. Os custos de entrega, desmontagem e instalação chegam a centenas de milhares de rublos. A instalação simples do USGiPGS envolve a descarga de gás sulfídrico para combustão no sistema de queima da empresa, onde é misturado ao gás combustível da rede da planta e alimentado para combustão em queimadores. Este método não garante a combustão completa do gás sulfídrico e uma parcela significativa dele é liberada no ar, o que leva à poluição da atmosfera e do meio ambiente, além de multas para a empresa por parte da fiscalização ambiental.

Existem duas razões principais para este problema: Um sistema imperfeito de bloqueio e sinalização, que não prevê a alteração dos parâmetros de funcionamento dos aquecedores elétricos durante uma parada de emergência. Durante a operação normal da unidade, os aquecedores elétricos operam no modo de aquecimento automático de gás de processo, mantendo a temperatura definida (200–450 °C). Durante um desligamento de emergência, o fornecimento de gás sulfídrico para a planta é interrompido, o que leva a uma interrupção brusca da remoção de calor dos aquecedores elétricos e a um rápido aumento de temperatura nos aquecedores elétricos. Um aumento de temperatura em aquecedores elétricos acima dos padrões tecnológicos (450 °C) leva a uma reação de combustão de resíduos de enxofre neles e, consequentemente, no trato gasoso, o que leva a um aumento ainda mais rápido da temperatura. O sistema automático, que trabalha para reduzir a carga no elemento de aquecimento, não consegue lidar com a taxa de aumento de temperatura e, posteriormente, após a combustão dos resíduos de enxofre, não afeta mais sua regulação. O enxofre queima independentemente da carga do elemento de aquecimento, liberando uma grande quantidade de calor, o que leva à queima. O pessoal do processo precisa fornecer nitrogênio para esta seção de processo da planta, que está conectada ao bloco do reator, para extinguir o fogo e reduzir a temperatura. O fornecimento de nitrogênio é feito exclusivamente em casos de emergência, conforme exemplificado acima. Mas o nitrogênio tem um efeito prejudicial na operação posterior da instalação e na eficiência do catalisador do bloco do reator; ao entrar em contato com o enxofre, forma compostos químicos negativos e uma estrutura viscosa. Toda a situação descrita leva a uma diminuição ainda maior da eficiência dos reatores, à diminuição da vazão em dutos e equipamentos de processo, além da queima de aquecedores elétricos. Isso é a causa de reparos caros e substituição de equipamentos, desgaste rápido do catalisador do reator e sua substituição, além de aumentar o tempo de inatividade da usina para realizar essas obras. Acúmulo excessivo de enxofre elementar após a etapa térmica do processo nas paredes dos gasodutos da planta, inclusive em aquecedores elétricos durante a operação da planta entre paradas programadas para reparo e limpeza de equipamentos. Após o enxofre se acumular nas paredes de tubulações e equipamentos durante uma parada de emergência ou planejada da usina, sua operação é alternada da queima de gás sulfídrico para gás combustível em caldeiras de calor residual. A transição para gás combustível é realizada para manter as temperaturas operacionais no sistema após um desligamento de emergência da planta e para limpar o sistema do trato de gás de resíduos de enxofre durante a operação, bem como antes de um desligamento planejado completo. Se uma grande quantidade de enxofre for depositada em tubulações e dispositivos, ocorrerá um aumento acentuado de temperatura no trato de gás, incluindo aquecedores elétricos, devido à combustão do enxofre ao interagir com o oxigênio no ar de processo fornecido para combustão junto com o gás combustível nas caldeiras de calor residual. Assim, um aumento acentuado de temperatura no caminho do gás e em aquecedores elétricos acarreta a queima do elemento de aquecimento. Fatores que afetam a deposição excessiva de enxofre elementar no sistema: o principal fator é a manutenção inadequada da relação gás sulfídrico-ar de processo durante sua combustão em caldeiras de calor residual; um fator secundário e de reforço é uma violação da integridade da camada isolante de calor em dutos e equipamentos do caminho do gás, o que reduz a temperatura do gás do processo e aumenta a precipitação de enxofre elementar no sistema; um fator importante é a diminuição periódica das cargas de gás sulfídrico para valores mínimos, o que leva a uma diminuição da pressão e da vazão do gás de processo no sistema de passagem do gás, uma desaceleração no fluxo do meio, uma diminuição da temperatura do gás em tubulações e equipamentos. Isso se expressa no aumento da precipitação de enxofre elementar no sistema, principalmente em locais onde a direção do fluxo do meio muda (desvios, cotovelos, etc.) e também é um fator amplificador do principal.

As causas do problema e os métodos para sua eliminação muitas vezes não são descritos nas regulamentações tecnológicas das instalações.

Alteração da lógica de funcionamento das resistências elétricas no sistema de intertravamentos e proteção de emergência dos equipamentos da usina. Isso é caracterizado pela mudança da operação dos aquecedores elétricos para o modo manual e pela desconexão da carga do elemento de aquecimento após um desligamento de emergência da unidade e fechamento automático das válvulas de corte do gás sulfídrico. Isso é descrito pelo desligamento automático de aquecedores elétricos, que é acionado após o sinal do APCS sobre o fechamento das válvulas de desligamento de emergência (por bloqueio) na linha de gás sulfídrico que fornece matéria-prima para a planta. A desativação dos aquecedores elétricos evita a ignição do enxofre devido ao aumento de temperatura acima do normal (200–450 °C) e a queima do elemento de aquecimento, falha sem consequências para sua qualidade de operação posterior e para a instalação como um todo. Isso também elimina o fornecimento de nitrogênio e as consequências que dele decorrem, mesmo em caso de problemas menores, como danos à integridade da camada de isolamento térmico de tubulações e dispositivos. Manutenção correta dos parâmetros estequiométricos (relação entre os volumes de gás e ar na câmara de combustão das caldeiras de recuperação de calor) quando a instalação estiver operando com gás sulfídrico. A proporção padrão de “gás sulfídrico para ar de processo” é de 1:2 a 1:3, mas é bastante arbitrária e requer valores mais específicos até milésimos. Portanto, é necessário monitorar sistematicamente a análise da concentração de gás sulfídrico (96–99,9%), bem como impurezas de hidrocarbonetos (não mais que 3,9%). Essa concentração garante a combustão estável da mistura de gás e ar e a estabilidade de temperaturas ótimas (1300–1350 °C) na câmara de combustão das caldeiras de calor residual. Uma proporção mais aceitável é de 1:2.400 a 1:2.500 para obter as temperaturas necessárias. Outro fator importante são as leituras do analisador de gases de fluxo dos gases residuais da instalação, que dependem diretamente da estequiometria. Ele serve para monitorar o volume de gás sulfídrico, dióxido de enxofre e sua diferença, que é calculado pela fórmula H2S – 2SO2 e deve tender a zero (±0). O padrão para gás sulfídrico de acordo com os regulamentos é de 0 a 0,25% vol., o que também é vago e condicional. A melhor faixa é de leituras de 0 a 0,050 vol%, mas isso nem sempre resulta em leituras de gás sulfídrico/dióxido de enxofre sendo zero devido a imperfeições no processo, matéria-prima e condições. Ao mesmo tempo, as leituras da concentração de gás sulfídrico são as mais importantes para o processo técnico e as condições do equipamento. A manutenção desses parâmetros garante a conversão ideal de gás sulfídrico em enxofre no estágio térmico do processo. Isso é acompanhado por uma grande quantidade de enxofre na saída do gás sulfídrico e uma quantidade menor dele no gás de processo após o estágio térmico, o que por sua vez reduz a precipitação de enxofre no caminho do gás e nos aquecedores elétricos, entre outras coisas. Além disso, é estritamente proibido permitir a ocorrência de fatores secundários e de reforço: Redução das cargas de gás sulfídrico, dependendo da correção do processo tecnológico de dessorção de gás sulfídrico de uma solução contendo amina na unidade de regeneração, que serve como absorvente no processo de remoção de enxofre de produtos petrolíferos. Isso permite o monitoramento contínuo da operação da unidade de regeneração da solução contendo amina. Em caso de diminuição da saturação da solução e da saída de gás sulfídrico, é necessário suspender a operação da planta em cargas próximas aos valores mínimos (abaixo de 250 m3/h) e mudar as caldeiras de calor residual para combustão de gás combustível, evitando assim o acúmulo de enxofre no trato gasoso em cargas próximas ao mínimo. Violação da integridade da camada de isolamento térmico dos equipamentos e tubulações da planta. Para isso, é necessário monitorar constantemente sua condição e, se necessário, tomar medidas para eliminar deficiências o mais rápido possível. Se as condições acima não forem atendidas durante a operação da unidade com gás sulfídrico, então, com um grau maior de probabilidade, o excesso de enxofre depositado nas paredes começa a inflamar quando a unidade é trocada de gás sulfídrico para gás combustível, com um subsequente aumento acentuado nas temperaturas no trator a gás, incluindo aquecedores elétricos. O motivo é a alta temperatura do ambiente (1300–1400 °C na câmara de combustão das caldeiras de calor residual) com maior teor de oxigênio, uma vez que a proporção de “gás combustível para ar de processo” é de 1:5–1:8 (padrão de regulamentações tecnológicas). Essa proporção está em uma faixa bastante ampla e não é regulada com precisão. A proporção ideal no estágio inicial deve ser de 1:4–1:4,5 com uma densidade normal de gás combustível de 0,7 a 1 kg/m3, o que garante o menor teor de oxigênio possível e uma manutenção mais suave e estável das temperaturas no trato de gás dentro dos limites dos padrões do modo de processo. Após eliminar as causas da interrupção temporária da combustão do gás sulfídrico, a planta retorna à sua utilização e produção de enxofre. Durante uma parada planejada da planta, o objetivo é remover o máximo de enxofre possível ao longo de todo o contorno do caminho do processo devido ao fluxo de gás combustível e ar de processo queimados no forno das caldeiras de calor residual, acompanhado por uma grande liberação de calor, devido à qual o enxofre restante em estado líquido é removido do sistema. Ao realizar esta operação tecnológica, é muito importante monitorar as temperaturas do caminho do gás. Com um aumento acentuado da temperatura, mesmo em uma determinada seção do fluxo do processo, é necessário reduzir a relação gás-ar ao mínimo (1:5). Se não houver alterações, reduza para 1:4,5, contrariando as exigências das normas tecnológicas. Foi praticamente comprovado que isso tem o efeito mais eficaz na redução da reação de um aumento acentuado de temperatura sem prejudicar o processo tecnológico. O deslocamento dos resíduos de enxofre é realizado por pelo menos 48 horas. Caso contrário, os resíduos de enxofre não removidos que esfriaram após a parada da planta criarão uma dificuldade ou até mesmo uma ausência completa de fluxo do meio no trato gasoso. Portanto, quando as temperaturas se estabilizam na estequiometria mínima (após 15–20 horas), é necessário aumentar gradualmente a quantidade de ar de processo, aumentando a concentração de oxigênio e o volume do fluxo do meio de 1:5 para 1:6 por mais 10–15 horas. Quando a temperatura no trato de gás estiver próxima do máximo, reduza a quantidade de ar. Se as temperaturas tendem a diminuir, aumente a quantidade de ar. Durante as 10–15 horas restantes de deslocamento do enxofre restante, a proporção deve atingir um valor próximo ao máximo (1:6,5–1:8). Durante a operação da unidade com gás combustível, os aquecedores elétricos devem operar no modo de controle manual com uma carga de 20–30% durante as primeiras 10–15 horas e, quando as temperaturas aumentam acima do normal, são reduzidas a valores mínimos de 0–10%. Durante o tempo restante, a carga aumenta para 50–70% com uma diminuição nas temperaturas no trato gasoso. Trabalhar no modo automático não é estritamente recomendado devido à instabilidade do regime de temperatura e à velocidade de ajuste da carga dos aquecedores elétricos, o que leva ao superaquecimento do elemento de aquecimento e sua falha.

Foi praticamente comprovado que a conformidade com os métodos acima reduz em 90% a probabilidade de aquecedores elétricos queimarem devido ao aumento de temperatura no sistema da planta de processo.

As mudanças acima nas instalações, métodos de controle e manutenção do regime de processo são aplicadas com sucesso na operação da instalação. Eles foram obtidos, testados e comprovados empiricamente e pela experiência pessoal do autor, que se caracteriza pelos seguintes indicadores: Aumento do tempo de operação de aquecedores elétricos em 5 vezes. Redução de custos de compra e substituição de equipamentos em 20% (em termos monetários, mais de 35.000.000 de rublos). Redução do tempo de inatividade da instalação do USGiPGS em 30% ao ano.

Aumentando a eficiência da instalação.