Główne powody konieczności wprowadzania tych zmian to zaostrzające się wymagania prawne dotyczące emisji zanieczyszczeń do atmosfery, wykorzystywanie bardziej zasiarczonych surowców, jak również przerób do pełnowartościowych produktów coraz cięższych frakcji ropy naftowej. W konsekwencji zwiększa się całkowita ilość gazów kwaśnych kierowanych do instalacji Clausa, ale również zawartość zanieczyszczeń, takich jak: amoniak, merkaptany, cyjanki i związki aromatyczne (BTX), które muszą być wyeliminowane. By sprostać tym wyzwaniom, należy wybierać i wdrażać niezawodne i ekonomicznie efektywne technologie utylizacji, takie jak proponowana przez firmę FLUOR technologia wzbogacania tlenem (Oxygen Enrichment Technology), polegająca na zastąpieniu tlenem azotu w powietrzu dostarczanym do pieca reakcyjnego Clausa, w klasycznej instalacji SRU (Sulfur Recovery Unit).
    Technologia ta została wdrożona przez FLUOR na skalę przemysłową w połowie lat 80. ubiegłego wieku i obecnie pracuje ponad 200 takich instalacji. Rozwiązanie może być zastosowane zarówno w instalacjach już istniejących, jak i w nowo projektowanych, a jego elastyczność pozwala na dostosowanie procesu do konfiguracji instalacji, składu gazu zasilającego, wymaganej wydajności i dostępnej powierzchni zabudowy. Zwiększenie wydajności instalacji i równoczesne osiągnięcie wyższej temperatury spalania w piecu reakcyjnym sprzyja destrukcji zanieczyszczeń zawartych w oczyszczanym gazie.
    W tabeli 1 przedstawiono możliwy do uzyskania wzrost wydajności instalacji SRU dla różnego udziału tlenu w powietrzu zasilającym piec reakcyjny Clausa.

Tab. 1. Wzrost wydajności instalacji SRU dla różnego udziału tlenu w powietrzu zasilającym piec reakcyjny Clausa

 Ekonomika technologii
•    Nakłady kapitałowe dla nowych instalacji
    Podstawową korzyścią zastosowania technologii wzbogacania tlenem jest zmniejszenie nakładów inwestycyjnych wynikające ze zmniejszenia rozmiarów aparatury, a w efekcie całej instalacji SRU.
    Czynnikiem generującym koszty jest konieczność dostarczania tlenu do procesu spalania. Jego wpływ na całkowity bilans inwestycji może być różny, od marginalnego, gdy tlen można pozyskać z instalacji już istniejącej, aż po decydujący o opłacalności przedsięwzięcia - gdy koszty obejmują budowę nowej, dedykowanej instalacji tlenowej.
Podstawowe obliczenia wydatków kapitałowych dla 20-letniego cyklu życia instalacji SRU o wydajności 1000 ton siarki na dobę (tS/d) wykazały, iż zastosowanie technologii wzbogacania tlenem i zastąpienie czterech linii po 250 tS/d tradycyjnego Clausa - instalacją zbudowaną z dwóch linii po 500 tS/d pozwala na obniżenie łącznych wydatków inwestycyjnych i operacyjnych nawet o 40%.

Instalacja kompleksu aminowosiarkowego (KAS), Rafineria Gdańska, Grupa LOTOS S.A.

•    Koszty modernizacji instalacji istniejących
    Technologia wzbogacania tlenem zastosowana w tradycyjnej instalacji Clausa zapewnia zwiększenie wydajności siarki, bez ponoszenia wydatków związanych z budową nowej linii / instalacji SRU. W tabeli 2 porównano koszty kapitałowe zwiększenia wydajności SRU/TGTU o 100 tS/d poprzez budowę nowej tradycyjnej instalacji oraz modernizację z zastosowaniem technologii wzbogacania tlenem.
    Wdrożenie technologii przy niskim stopniu wzbogacenia tlenem może być realizowane bez postoju instalacji. Dla wyższych stężeń tlenu, gdy wymagana jest wymiana palnika i modyfikacja rurociągów, modernizacja może być zrealizowana w czasie normalnych postojów technologicznych.

Zalety procesowe i operacyjne
•    Skuteczna destrukcja zanieczyszczeń
    Ważnym zadaniem pieca reakcyjnego Clausa jest eliminacja zanieczyszczeń występujących w gazach kwaśnych kierowanych do SRU.
    Benzen, toluen, ksylen (BTX) to zanieczyszczenia, które powodują zakoksowanie i dezaktywację katalizatora w reaktorach Clausa, wzrost oporów hydraulicznych i pogorszenie jakości uzyskiwanej siarki. Zniszczenie BTX-ów następuje w temperaturze ok. 1200°C, co w tradycyjnym Clausie uzyskiwane jest przez współspalanie gazu opałowego, a przez to zwiększone powstawanie niepożądanych produktów ubocznych: COS i CS2. Wzbogacanie tlenem zapewnia oczekiwaną temperaturę, ograniczając ich powstawanie
    Rozbudowa hydrorafinacji i hydrokrakingu w rafineriach spowodowały wzrost stężenia amoniaku, którego usunięcie ma zasadnicze znaczenie dla niezawodnego działania i ochrony antykorozyjnej całej instalacji SRU. Warunkiem rozkładu amoniaku jest zapewnienie temperatury w piecu reakcyjnym na poziomie ok. 1500^oC, co w technologii wzbogacania tlenem nie jest problemem do uzyskania.

Tab. 2. 1) Ceny z USA (II kwartał 2009 r.) bez uwzględnienia eskalacji, kosztów licencji i katalizatorów. 2) Kalkulacja nie uwzględnia kosztów budowy dedykowanej instalacji tlenowej.

 •    Poprawa stopnia odzysku siarki
    Ograniczenie zawartości azotu w powietrzu kierowanym do pieca reakcyjnego zmniejsza całkowitą objętość gazu kierowanego do procesu, a w efekcie powoduje wzrost ciśnienia cząstkowego H2S, co prowadzi do zwiększenia stopnia konwersji w reaktorach katalitycznych i finalnie do wzrostu stopnia odzysku siarki.
•    Poprawa charakterystyki operacyjnej
    Technologia wzbogacenia w tlen zwiększa elastyczność instalacji poprzez dostosowanie ilości dostarczanego tlenu do stężeń wprowadzanych zanieczyszczeń. W konsekwencji wzrasta odporność instalacji na zaburzenia ruchowe związane ze zmianą natężenia przepływu gazu zasilającego lub zmianą koncentracji zawartych w nim zanieczyszczeń.

Rys. 1. Obraz rozkładu temperatur uzyskany w modelu CFD dla zasilania powietrzem

 Modelowanie pracy pieca Clausa
    Zarówno projektowanie nowych, jak i modernizacja istniejących pieców reakcyjnych, jest wspomagana oprogramowaniem komputerowym CFD (Computational Fluid Dynamics), pozwalającym na zamodelowanie przestrzeni pieca, stworzenie profili temperatury i prędkości gazów oraz identyfikację niebezpiecznych ekstremów temperaturowych. Modelowanie w CFD umożliwia ocenę zachowania układu w warunkach pracy i jego odpowiedzi na zmiany parametrów. Jest to niewątpliwie lepsza metoda niż konstruowanie jednostek doświadczalnych i badania testowe.
    Przykład zamodelowania, analizy wyników i podjęcia decyzji dla nowej konstrukcji palnika przedstawiono poniżej.
    Na pierwszej ilustracji przedstawiono prognozowany przez CFD rozkład temperatur gazu na powierzchni wykładziny ogniotrwałej przy zasilaniu palnika powietrzem. Przewidywany pik temperatury gazu wynosi 1703 °C (3097°F).
    Wzbogacenie w tlen do 27% w zasymulowanym układzie przewiduje maksimum temperatury na poziomie 1931°C (3508°F) i rozkład temperatur jak na ilustracji poniżej.
    W obu przypadkach nowa konstrukcja palnika generuje niedopuszczalnie wysoką dla wykładzin ogniotrwałych temperaturę i jest nie do przyjęcia. Jednak uzyskany obraz pozwala na określenie możliwych kierunków modyfikacji palnika, mających na celu obniżenie temperatury ścian komory.

Rys. 2. Obraz rozkładu temperatur uzyskany w modelu CFD dla zasilania powietrzem wzbogaconym w tlen

Podsumowanie
    Eksploatowanie coraz bardziej zasiarczonych złóż ropy naftowej, ograniczenia zawartości związków siarki w produktach finalnych, zwiększenie głębokości przerobu ropy oraz rosnące wymagania dotyczące ochrony środowiska, spowodowały konieczność poszukiwania technologii umożliwiających zwiększenie wydajności instalacji utylizacji gazów kwaśnych oraz podnoszących stopień odzysku siarki w instalacjach SRU. Rozwiązaniem spełniającym te oczekiwania jest technologia wzbogacania tlenem opracowana i wdrożona przez firmę FLUOR.
    Wzbogacanie tlenem powietrza zasilającego piec reakcyjny Causa umożliwia zmniejszenie wielkości aparatury instalacji SRU, co w projekcie nowej jednostki przekłada się na zmniejszenie kosztów inwestycyjnych, a w modernizowanych instalacjach stanowi atrakcyjną ekonomicznie opcję zwiększenia wydajności.
    Ta sprawdzona technologia poprawia również funkcjonowanie SRU poprzez podniesienie skuteczności destrukcji szkodliwych zanieczyszczeń i zmniejszenie oporów hydraulicznych instalacji. Użycie oprogramowania do modelowania warunków pracy pieca reakcyjnego już na etapie projektowania pozwala na uniknięcie problemów eksploatacyjnych w całym cyklu życia instalacji.

    Duża elastyczność technologii decyduje o tym, że może być ona stosowana w nowych i istniejących instalacjach, a stopień wzbogacenia w tlen jest dobierany indywidualnie i optymalizowany w zależności od składu gazu zasilającego, konfiguracji instalacji, wymaganej wydajności i dostępności powierzchni zabudowy.

 

Literatura

 V. Wong, A. Sanchez, J. Flowers and T. Chow; Fluor Energy and Chemicals. D. Sikorski and N. Roussakis; HEC Technologies. Key Design Features For A Successful SRU Operation Implemented with Oxygen Enrichment Technology; Brimstone Conference 2010.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Autor:  dr inż. Barbara Domalik, Projektant procesowy firmy FLUOR,
Thomas K. Chow, Expert ds. technologii siarkowych firmy FLUOR

Artykuł sponsorowany został opublikowany w magazynie "Chemia Przemysłowa" nr 4/2011