一种适用于克劳斯炉的整套热力计算方法与流程

本发明属于化工热力计算领域，具体涉及一种适用于克劳斯炉的热力计算方法。

背景技术：

克劳斯炉采用克劳斯法进行硫回收，硫回收工艺由脱酸蒸胺工序来的酸气，经压力调节，在工序的系列装置中将硫化氢中提出出来，同时将氨和氰化氢催化分解。硫化氢首先在克劳斯炉中转化，大约是1/3硫化氢和空气进行燃烧形成二氧化硫，然后生成的二氧化硫与硫化氢再反应，大约2/3硫化氢反应后生成硫。紧接着通过各级换热设备冷却燃烧过后的气体，在液硫池冷凝回收气体中的硫磺回收气体中的硫磺。然后剩余气体经过第一级和第二级加氢进料反应器进行多级反应回收剩余的硫磺。

通常硫磺回收装置的硫回收率可达95％以上，因此要实现高硫磺回收率的技术要点有两个方面。第一，保证含硫化氢的酸性气与空气或者氧气的流量比合适，如果流量比不合适，将会造成硫化氢或者二氧化硫化学反应配比失调，硫磺回收率会降低。第二，保证燃烧器的稳定正常运行，如果燃烧器内部元件出现烧损，则会对硫磺的回收产生很大的影响。参考普光气田引进的克劳斯炉，叶片部件和燃烧钝体等容易发生烧损。因此对克劳斯炉进行热力计算得出合适的结构参数和进出口参数，不仅可以提高硫回收率，还可以有效控制部件的温度从而防止烧损。

在以往的研究中，没有特别适用于克劳斯炉的一套热力计算方法，也没有相应的热平衡，热对流，热辐射模型，这使得设计克劳斯燃烧器及其运行参数的时候，难以预先确定合适尺寸和热参数，从而难以获得最优的设计方案。

技术实现要素：

针对上述现有研究中存在的缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种适用于克劳斯炉的整套热力计算方法，用于克劳斯炉硫磺回收系统的设计计算和校核计算。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种适用于克劳斯炉的整套热力计算方法，包括如下步骤：

步骤1：首先对克劳斯炉燃料的热物性进行计算，克劳斯炉的燃料主要有燃气和酸性气两部分，燃气的燃烧起到炉膛预热的作用，后续工况主要是酸性气的燃烧；基于酸性气完全反应的假设，对酸性气成分进行分析，如表1所示：h2o占6.96％，co2占41.58％，cos占0.01％，h2s占58.68％，ch4占0.22％，ch4s占0.01％，其中甲醇硫和羟基硫成分由于含量很少，相应的化学反应产热也很少，不计入燃料热值计算，酸气的应用基低位发热量为qd＝126.5co+108.1h2+359.6ch4+636.3c2h6+910.8c3h8+236.9h2s＝13985.265kj/kg；同理，通过计算得出燃气的应用基低位发热量为35003.816kj/kg；

表1燃料成分列表

在对克劳斯炉的燃料成分元素分析的基础上，假设燃料完全燃烧，根据化学平衡原理对其燃烧所需理论空气量和完全燃烧产物进行计算，如表2所示：

表2理论空气量和完全燃烧产物计算

基于已有可查的热物性参数即n2、o2、co2、h2o、so2、h2s、s，对酸气燃烧后的烟气焓、粘性系数、pr数、导热系数热力计算的关键热物性参数进行推算；根据分子量近似理论，气态硫的粘性系数，普朗特数pr和导热系数用硫化氢的代替；根据得到的燃烧产物比例n2：co2：h2o：s＝0.623：0.0644：0.125：0.1876，使用混合工质热物性推算的方法得出温度区间100℃～2000℃下的混合烟气焓表、混合烟气粘性系数表，混合烟气普朗特数表和混合烟气导热系数表，为了从温度直接快速地获取混合烟气的焓值h、混合烟气粘性系数μ、混合烟气普朗特pr、混合烟气导热系数λ计算所需的关键热物性参数，利用“多项式拟合”得出温度与所需热物性的函数关系，同样的也可以根据多组分气体的热物性求出多组分气体的温度，拟合得出公式如下：

h＝0.001t²+8.7477t-41.67，λ＝0.0061t+2.2021，μ＝0.0035t+1.6107,pr＝-4×10^-10t³+7×10^-7t²-0.0002t+0.7932；

步骤2：接着为了得出克劳斯炉的酸气消耗量，需要建立克劳斯炉整体热平衡模型，依据锅炉原理和输入锅炉热量即步骤1计算所得酸气的应用基低位发热量，选取烟气排放温度θpy、过量空气系数α进而确定五个热量损失：排烟热损失q2、化学不完全燃烧热损失q3、机械不完全燃烧热损失q4、散热损失q5和排渣热损失q6；根据克劳斯炉的额定供热量qyx计算其酸气消耗量，其中qr＝qd，qd是酸气的应用基低位发热量，qr为燃料在炉膛的燃烧热量，η为扣除各项热损失后的锅炉热效率，酸气消耗量b＝(100qyx×100)/(η×qr)；

步骤3：为了完成克劳斯炉传热计算，需要计算各换热面面积；对克劳斯炉的各换热结构包括余热锅炉、硫冷凝器、加氢进料反应器换热面的结构进行分析，各换热面结构均与纵向冲刷的管式换热器接近，管程走燃烧后的烟气，壳程走水蒸气或水，因此建立克劳斯炉换热面结构简化计算模型来计算换热面的面积；换热面面积h＝nπdl，其中d为换热管道直径，l为热交换管道长度，n为换热管根数；烟气有效辐射层厚度为s＝0.9d(4/π×s1s2/d²-1)，其中s1，s2分别为横向节距和纵向节距；烟气通流面积近似等于管壳截面积减去换热管总截面面积ay＝π(d²-nd²)/4，d为管壳直径；

步骤4：在完成换热面面积计算后，需要建立克劳斯炉对流换热模型和辐射换热模型计算各换热面的换热量：通过进出口烟温和步骤1中混合烟气焓值h计算公式求得烟气热平衡放热量；通过进出口水蒸气温度求出对数温压δt；基于纵向管式冲刷换热方式和管式换热理论，选用烟气侧对流放热系数的计算公式为

αd＝0.023(λ/dl)(wydl/μ)^0.8pr^0.4ctclcw

其中λ为混合烟气导热系数，μ为混合烟气粘性系数，pr为混合烟气普朗特数，这三项热物性参数根据平均烟温通过步骤1近似计算得出；dl为受热面通道当量直径，wy为烟气流速，ct为烟气温度调节系数，cl为受热面长度修正系数，cw为烟气成分调节系数；辐射换热系数由近似求出，ay为烟气黑度，tpj为平均绝对烟温，thb为灰壁绝对温度；通过烟气侧的对流换热系数和辐射换热系数计算得到总传热系数k；分别计算每个换热面传热量qc＝khδt/b，其中h为步骤3计算得出的换热面面积，b为步骤2得出的酸气消耗量；烟气热平衡放热量用于检验传热量计算值的误差；

步骤5：最后一步需要建立克劳斯炉热平衡总校验模型完成热量校核：燃烧炉膛中未设置类似水冷壁的换热面，与水蒸气的换热从余热锅炉第一段开始，所以需要根据进入余热锅炉第一段前烟气的热焓来估算炉膛部分的散热量，炉膛部分散热百分比为qs＝100(1-i′/qr)，其中i′为余热锅炉第一段的进口烟焓，qr为燃料在炉膛的燃烧热量。热平衡总校验过程包括的热量有：燃烧炉膛散热量qs、余热锅炉第一段换热量q1、余热锅炉第二段换热量q2、第一级硫冷凝器换热量q3、第一级加氢进料反应器换热量q4、第二级硫冷凝器换热量q5、第二级加氢进料反应器换热量q6和末级硫冷凝器换热量q7；在气包引出的高压蒸汽对第一级和第二级加氢进料反应器进行加热，所以整体热平衡校验时克劳斯法回收硫磺的总吸热量应当减去这两部分的热量；总吸热量q＝qs+q1+q2+q3-q4+q5-q6+q7,平衡误差为100(qrη/100-q)/qr，其中qr为燃料在炉膛的燃烧热量，其值等于酸气的应用基低位发热量，η为锅炉效率。

和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

(1)本发明可专用于克劳斯法回收硫磺工艺流程的换热面面积，换热系数及换热介质热物性和燃烧烟气热物性计算；

(2)本发明既可以对整个克劳斯硫磺回收流程进行热量计算，也可以针对某个特定的换热面进行热量计算；

(3)本发明能够根据结构参数和进出口物料参数变化，预测各设备的热负荷变化；

(4)本发明计算框架的模块化使其修改和应用更加便利。

附图说明

图1是克劳斯炉热力计算的物理模型示意图。

图2克劳斯燃烧炉膛的结构示意图。

图3克劳斯硫磺回收总体换热流程的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如图1所示为克劳斯炉热力计算的物理模型，包括了所有的计算内容，本实施例一种适用于克劳斯炉的整套热力计算方法，包括如下步骤：

步骤1：首先对克劳斯炉燃料的热物性进行计算，克劳斯炉的燃料主要有燃气和酸性气两部分，燃气的燃烧起到炉膛预热的作用，后续工况主要是酸性气的燃烧；基于酸性气完全反应的假设，对酸性气成分进行分析(mol％)：h2o占6.96％，co2占41.58％，cos占0.01％，h2s占58.68％，ch4占0.22％，ch4s占0.01％，其中甲醇硫和羟基硫成分由于含量很少，相应的化学反应产热也很少，不计入燃料热值计算，酸气的应用基低位发热量为qd＝126.5co+108.1h2+359.6ch4+636.3c2h6+910.8c3h8+236.9h2s＝13985.265kj/kg。同理，通过计算可得出燃气的应用基低位发热量为35003.816kj/kg。实际送入的空气量一般大于利用化学平衡计算的理论空气量，此处选取过量空气系数为1.1，同样假设燃料中可燃物被全部燃尽，对受热面的烟气特性进行计算。根据算出的燃烧产物成分比例，算出烟气密度，再用密度乘以体积得到烟气质量。使用气体燃料生成气的密度公式：

其中

不同于常规化石燃料(石油，天然气，煤炭)，克劳斯炉燃烧产物热物性无法从现有资料得到，为了给进一步传热计算和数值模拟计算提供基础的热物性数据，需要在对克劳斯炉的燃料成分元素分析的基础上，基于已有可查的热物性参数即n2、o2、co2、h2o、so2、h2s、s，对酸气燃烧后的烟气焓、粘性系数、pr数、导热系数等热力计算的关键热物性参数进行推算。根据分子量近似理论，气态硫的粘性系数，普朗特数pr和导热系数用硫化氢的代替；根据得到的燃烧产物比例，使用混合工质热物性推算的方法得出温度区间100℃～2000℃下的混合烟气烟焓表、混合烟气粘性系数表，混合烟气普朗特数表和混合烟气导热系数表。混合气体粘性系数推算如下：

μm为常压下气体混合物的粘度，μi为常压下纯i组分的粘度，mi为混合物i组分的分子量，yi混合物中i组分的摩尔分数。

因为气体普朗特数都小于1，一般都接近于1，所以可以用摩尔比加权算出混合气体的普朗特数。燃烧后混合气体普朗特数按照用下式进行计算：

混合气体导热系数推算如下：

λm为常压下混合气体的导热系数；λi为常压下i组分的导热系数；mi为i组分气体的分子量；yi为混合气体中i组分的摩尔分数。

基于纯物质数据，结合燃气和酸气燃烧产物成分推算多组分气体的焓值，制作烟焓表，用于受热面的换热计算。根据燃气燃烧产物成分(n2：o2：co2：h2o＝0.715:0.018:0.09:0.176)和酸性气燃烧产物成分(n2：o2：co2：h2o：s＝0.623:0.001:0.0644:0.125:0.1876)，加权热容再乘以温度即可得到节点温度的焓值。

实际多组分气体的热物性参数是温度的函数，但不完全是线性函数，所以为了从温度直接快速地获取混合烟气焓值h、混合烟气粘性系数μ、混合烟气普朗特数pr、混合烟气导热系数λ计算所需的关键热物性参数，利用多项式拟合得出温度与所需热物性的函数关系，同样的也可以根据多组分气体的热物性求出多组分气体的温度：

h＝0.001t²+8.7477t-41.67

μ＝0.0035t+1.6107

pr＝-4×10^-10t³+7×10^-7t²-0.0002t+0.7932

λ＝0.0061t+2.2021

步骤2：接着为了得出克劳斯炉的酸气消耗量，需要建立克劳斯炉整体热平衡模型，依据锅炉原理和输入锅炉热量即步骤1计算所得酸气燃料低位发热量，选取烟气排放温度θpy、过量空气系数α进而确定五个热量损失：排烟热损失q2、化学不完全燃烧热损失q3、机械不完全燃烧热损失q4、散热损失q5和排渣热损失q6；根据克劳斯炉的额定供热量qyx计算其酸气消耗量，其中qr＝qd，qd是酸气的应用基低位发热量，qr为燃料在炉膛的燃烧热量，η为扣除各项热损失后的锅炉热效率，酸气消耗量b＝(100qyx×100)/(η×qr)；

步骤3：为了完成克劳斯炉传热计算，需要计算各换热面面积；对克劳斯炉的各换热结构包括余热锅炉、硫冷凝器、加氢进料反应器换热面的结构进行分析，各换热面结构均与纵向冲刷的管式换热器接近，管程走燃烧后的烟气，壳程走水蒸气或水，因此建立克劳斯炉换热面结构简化计算模型来计算换热面的面积；换热面面积h＝nπdl，其中d为换热管道直径，l为热交换管道长度，n为换热管根数；烟气有效辐射层厚度为s＝0.9d(4/π×s1s2/d²-1)，其中s1，s2分别为横向节距和纵向节距；烟气通流面积近似等于管壳截面积减去换热管总截面面积ay＝π(d²-nd²)/4，d为管壳直径；

步骤4：在完成换热面面积计算后，需要建立克劳斯炉对流换热模型和辐射换热模型计算各换热面的换热量：通过进出口烟温和步骤1中混合烟气焓值h计算公式求得烟气热平衡放热量；通过进出口水蒸气温度求出对数温压δt；基于纵向管式冲刷换热方式和管式换热理论，选用烟气侧对流放热系数的计算公式为

αd＝0.023(λ/dl)(wydl/μ)^0.8pr^0.4ctclcw

其中λ为混合烟气导热系数，μ为混合烟气粘性系数，pr为混合烟气普朗特数，这三项热物性参数根据平均烟温通过步骤1近似计算得出；dl为受热面通道当量直径，wy为烟气流速，ct为烟气温度调节系数，cl为受热面长度修正系数，cw为烟气成分调节系数；辐射换热系数由近似求出，ay为烟气黑度，tpj为平均绝对烟温，thb为灰壁绝对温度；通过烟气侧的对流换热系数和辐射换热系数计算得到总传热系数k；分别计算每个换热面传热量qc＝khδt/b，其中h为步骤3计算得出的换热面面积，b为步骤2得出的酸气消耗量；烟气热平衡放热量用于检验传热量计算值的误差；

步骤5：最后一步需要建立克劳斯炉热平衡总校验模型完成热量校核：如附图2所示，燃烧炉膛中未设置类似水冷壁的换热面，与水蒸气的换热从余热锅炉第一段开始，所以需要根据进入余热锅炉第一段前烟气的热焓来估算炉膛部分的散热量，炉膛部分散热百分比为qs＝100(1-i′/qr)，其中i′为余热锅炉第一段的进口烟焓，qr为燃料在炉膛的燃烧热量；如附图3换热总流程所示，热平衡总校验过程包括的热量有：燃烧炉膛散热量qs、余热锅炉第一段换热量q1、余热锅炉第二段换热量q2、第一级硫冷凝器换热量q3、第一级加氢进料反应器换热量q4、第二级硫冷凝器换热量q5、第二级加氢进料反应器换热量q6和末级硫冷凝器换热量q7；在气包引出的高压蒸汽对第一级和第二级加氢进料反应器进行加热，所以整体热平衡校验时克劳斯法回收硫磺的总吸热量应当减去这两部分的热量。总吸热量q＝qs+q1+q2+q3-q4+q5-q6+q7,平衡误差为100(qrη/100-q)/qr，其中qr为燃料在炉膛的燃烧热量，其值等于酸气的应用基低位发热量，η为锅炉效率。