天然气净化厂Claus硫磺回收装置硫回收率计算方法

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	严崇荣

	倪伟

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严崇荣 ¹, 倪伟 ², 李洋 ³

1. 中国石油西南油气田公司川中油气矿;
2. 中国石油西南油气田公司开发部;
3. 中国石油西南油气田公司天然气研究院

收稿日期：2014-06-12

作者简介：严崇荣(1963-)，男，四川阆中人，工程师，1986年7月毕业于承德石油学校热工专业，1997年12月毕业于西南石油学院(现西南石油大学)石油化工工艺专业(成人专科)，2006年7月毕业于中国石油大学(华东)石油工程专业(成人本科)。现任职于中国石油西南油气田公司川中油气矿，曾从事天然气净化生产管理及建设工作，现主要从事炼化、净化装置的大修管理工作。E-mail：974176987@qq.com.

摘要：介绍了天然气净化厂Claus硫磺回收装置硫回收率的主导计算公式和带尾气处理装置的总硫回收率计算方法，重点讨论了Claus硫磺回收装置硫回收率主导计算公式中硫磺在尾气中体积分数的确定方法及用氮平衡、碳平衡和硫平衡确定尾气流量的方法。

关键词：硫回收率计算方法氮平衡碳平衡硫平衡

Calculative methods of sulfur recovery rate for Claus sulfur recovery unit

Yan Chongrong¹ , Ni Wei² , Li Yang³

1. Central Sichuan Oil and Gas District, PetroChina Southwest Oil & Gasfield Company, Suining 629000, China;
2. Development Department, PetroChina Southwest Oil & Gasfield Company, Chengdu 610051, China;
3. Research Institute of Natural Gas Technology, PetroChina Southwest Oil & Gasfield Company, Chengdu 610213, China

Abstract: The main calculation formulas of sulfur recovery rate for Claus sulfur recovery unit were introduced, and the calculative methods of total sulfur recovery rate for sulfur recovery unit with tail gas treatment were also presented. The determination of sulfur volume contents in tail gas and tail gas flow rate by calculating the nitrogen balance, carbon balance and sulfur balance were discussed detailedly.

Key Words: sulfur recovery rate calculation method nitrogen balance carbon balance sulfur balance

随着环保要求的日益严格，对硫磺回收装置的性能要求也越来越高^[1]，为了评价硫磺回收装置的运行情况，必须获得准确的硫回收率数据。新建硫磺回收装置的硫回收率达到设计要求后才能进行验收；已建硫磺回收装置在运行一段时间后催化剂活性下降，需要定期或不定期地对硫磺回收过程的气体组成进行分析，根据硫回收率的高低判断是否应更换催化剂^[2]。但由于尾气并不进行计量，对过程气流量进行计量难度更高^[3]，实际上，要获得一套完整的硫磺回收装置气体流量数据是不太现实的。因此，较实际可行的办法是通过系统元素平衡等方法推导出一组能快速、准确地计算硫回收率的公式，用于评价硫磺回收装置的运行情况。

1 硫回收率的主导公式

Claus硫磺回收装置回收率的主导公式见式(1)。

$ \eta {\rm{ = }}\left( {1 - {Q_{{\rm{TGS}}}}/{Q_{{\rm{AGS}}}}} \right) \times 100\% $

(1)

其中，尾气中的硫体积流量见式(2)。

$ {Q_{{\rm{TGS}}}} = {Q_{\rm{w}}}\left( {{{C'}_{{{\rm{H}}_2}{\rm{S}}}} + {{C'}_{{\rm{S}}{{\rm{O}}_2}}} + 2{{C'}_{{\rm{C}}{{\rm{S}}_2}}} + {{C'}_{{\rm{COS}}}} + {{C'}_{\rm{S}}}} \right) $

(2)

进料酸气中的硫体积流量见式(3)。

$ {Q_{{\rm{AGS}}}} = {Q_{\rm{s}}} \times {C_{{{\rm{H}}_2}{\rm{S}}}} = {{Q'}_{\rm{S}}} \times \left( {1 - {H_{\rm{s}}}} \right) \times {C_{{{\rm{H}}_2}{\rm{S}}}} $

(3)

由此可得：

$ \eta {\rm{ = }}\left[ {1 - \frac{{{Q_{\rm{w}}} \times \left( {{{C'}_{{{\rm{H}}_2}{\rm{S}}}} + {{C'}_{{\rm{S}}{{\rm{O}}_2}}} + 2{{C'}_{{\rm{C}}{{\rm{S}}_2}}} + {{C'}_{{\rm{COS}}}} + {{C'}_{\rm{S}}}} \right)}}{{{{Q'}_{\rm{S}}} \times \left( {1 - {H_{\rm{s}}}} \right) \times {C_{{{\rm{H}}_2}{\rm{S}}}}}}} \right] \times 100\% $

(4)

式中，Q_s为酸气体积流量(干基)，m³/h；Q′_s为酸气体积流量(湿基)，m³/h；H_s为酸气中水的体积分数，%；C_H₂S为酸气中H₂S体积分数(干基)，%；C′_H₂S、C′_SO₂、C′_CS₂、C′_COS、C′_S为相应组分在尾气中的体积分数(干基)，%；Q_w为尾气体积流量(干基)，m³/h。

式(1)~式(4)中元素硫在尾气中体积分数(C′_S)以及尾气体积流量(Q_w)无法直接测定，必须通过复杂的计算获得，以下重点介绍C′_s和Q_w的确定方法。

1.1 元素硫在尾气中体积分数的确定

元素硫在尾气中体积分数(C′_s)由实际分析时测定单位体积的尾气中元素硫的质量换算而来。尾气中的元素硫是指液相硫(C′_ls)和气相硫(C′_vs)的总和。液相硫按照相应标准规范^[4]进行分析和计算；气相硫C′_vs可利用该取样点的硫饱和蒸气压和尾气压力计算。但在实际测定过程中，由于气相硫量太少，可忽略不计^[5]，故一般采用硫雾代替总的元素硫C′_s。

$ {{C'}_{\rm{s}}} = {{C'}_{{\rm{ls}}}} + {{C'}_{{\rm{vs}}}} $

(5)

其中：

$ {{C'}_{{\rm{ls}}}} = \frac{{{{C'}_{{\rm{ls}}}} \times 24.04}}{{1000 \times 32.066}} = 0.075 \times {{C'}_{{\rm{ls}}}}\% $

(6)

C′_vs≈0；因此，

$ {{C'}_{\rm{s}}} = 0.075{{G'}_{{\rm{ls}}}} $

(7)

式中，C′_s、C′_ls、C′_vs的单位为体积分数(干基)，%；G'_ls为尾气中液相硫质量浓度(20 ℃，101.325 kPa)，g/m³；24.04为20 ℃时硫的摩尔体积，L/mol；32.066为硫的相对分子质量。

因此，

$ \begin{array}{l} \eta {\rm{ = }}\\ \left[ {1 - \frac{{{Q_{\rm{w}}} \times \left( {{{C'}_{{{\rm{H}}_2}{\rm{S}}}} + {{C'}_{{\rm{S}}{{\rm{O}}_2}}} + 2{{C'}_{{\rm{C}}{{\rm{S}}_2}}} + {{C'}_{{\rm{COS}}}} + 0.075{{C'}_{{\rm{ls}}}}} \right)}}{{{{Q'}_{\rm{s}}} \times \left( {1 - {H_{\rm{s}}}} \right) \times {C_{{{\rm{H}}_2}{\rm{S}}}}}}} \right] \times 100\% \end{array} $

(8)

1.2 尾气体积流量的确定

因硫磺回收装置基本未设置尾气流量计，故尾气体积流量(Q_w)可通过氮平衡法、碳平衡法或硫平衡法计算得出。

1.2.1 氮平衡法

N₂不参与反应，尾气中的N₂流量即进入硫磺回收装置空气中的N₂流量。故通过进硫磺回收装置的N₂量和尾气中的N₂浓度可确定尾气量(Q_w)。通常进入主燃烧炉的还可能有火检、视窗、点火枪、热电偶等的吹扫仪表风、回收鼓风机来的空气或N₂，若相对量较小，可忽略不计；若相对比例较大，则应计入该部分N₂流量^[4]。

$ 进装置\;{{\rm{N}}_2}\;体积流量 = {{Q'}_{\rm{k}}} \times \left( {1 - {H_{\rm{k}}}} \right) \times 78.09 $

(9)

$ 尾气中\;{{\rm{N}}_2}\;体积流量 = {Q_{\rm{w}}} \times {{C'}_{{{\rm{N}}_2}}} $

(10)

因此，

$ {Q_{\rm{w}}} = {{Q'}_{\rm{k}}}\left( {1 - {H_{\rm{k}}}} \right) \times 78.09/{{C'}_{{{\rm{N}}_2}}} $

(11)

式中，Q′_k为进入硫磺回收装置的空气体积流量(湿基)，m³/h；H_k为空气中水的体积分数，%；78.09为空气中N₂体积分数，%；C′_N₂为尾气中N₂体积分数(干基)，%。

将Q_w代入上式，得到式(12)。

$ \eta {\rm{ = }}\left[ {1 - \frac{{{{Q'}_{\rm{k}}} \times \left( {1 - {H_{\rm{k}}}} \right) \times 78.09/{{C'}_{{{\rm{N}}_2}}}}}{{{{Q'}_{\rm{s}}} \times \left( {1 - {H_{\rm{s}}}} \right) \times {C_{{{\rm{H}}_2}{\rm{S}}}}}}\left( {{{C'}_{{{\rm{H}}_2}{\rm{S}}}} + {{C'}_{{\rm{S}}{{\rm{O}}_2}}} + 2{{C'}_{{\rm{C}}{{\rm{S}}_2}}} + {{C'}_{{\rm{COS}}}} + 0.075 \times {{C'}_{{\rm{ls}}}}} \right)} \right] \times 100\% $

(12)

将其中空气与酸气比值(干基)设为R，即：

$ \frac{{{{Q'}_{\rm{k}}} \times \left( {1 - {H_{\rm{k}}}} \right)}}{{{{Q'}_{\rm{s}}} \times \left( {1 - {H_{\rm{s}}}} \right)}} = R $

(13)

因此：

$ \begin{array}{l} \eta {\rm{ = }}\left[ {1 - \frac{{78.09R}}{{{C_{{{\rm{H}}_2}{\rm{S}}}}{{C'}_{{{\rm{N}}_2}}}}}\left( {{{C'}_{{{\rm{H}}_2}{\rm{S}}}} + {{C'}_{{\rm{S}}{{\rm{O}}_2}}} + 2{{C'}_{{\rm{C}}{{\rm{S}}_2}}} + {{C'}_{{\rm{COS}}}} + } \right.} \right.\\ \;\;\;\;\left. {\left. {0.075 \times {{G'}_{{\rm{ls}}}}} \right)} \right] \times 100\% \end{array} $

(14)

式中，η为硫磺回收装置硫回收率，%；R为V(总空气)：V(总酸气)(干基)；C_H₂S为酸气中H₂S体积分数(干基)，%；C′_N₂、C′_H₂S、C′_SO₂、C′_CS₂、C′_COS分别为回收尾气中相应组分的体积分数(干基)，%；G′_ls为尾气中液相硫质量浓度(20 ℃，101.325 kPa)，g/m³。

其中R值的确定可通过利用酸气流量和空气流量、进出回收装置气体组成和酸气组分数据3种方式计算得到。下面逐一介绍这3种方法。

(1) 用酸气流量和空气流量计算：

$ R = \frac{{{{Q'}_{\rm{k}}}\left( {1 - {H_{\rm{k}}}} \right)}}{{{{Q'}_{\rm{s}}}\left( {1 - {H_{\rm{s}}}} \right)}} $

(15)

式中，Q′_k为空气体积流量，m³/h，(湿基)；Q′_s为酸气体积流量，m³/h，(湿基)；H_k为空气中含水量，y/%；H_s为酸气中含水量，y/%。

$ {H_{\rm{s}}} = \frac{{{p_{\rm{w}}}}}{{p + {p_{\rm{O}}}}} $

(16)

式中，p_w为酸气分离器温度下酸气中水的分压(即酸气温度下水的饱和蒸汽压)，kPa；p为酸气分离器表压，kPa；p_O为大气压力，kPa。

$ {H_{\rm{K}}} = \frac{{{p_{{\rm{gw}}}} \times \mathit{\Phi }}}{{{P_{\rm{O}}}}} $

(17)

$ \mathit{\Phi } = \frac{{{p_{{\rm{sw}}}} - A \times {p_{\rm{O}}}\left( {{t_{\rm{g}}} - {t_{\rm{s}}}} \right)}}{{{p_{{\rm{gw}}}}}} $

(18)

式中，Φ为空气相对湿度，%；t_g、t_s分别为空气的干球、湿球温度，℃；p_gw、p_sw为在空气干球、湿球温度下水的饱和蒸汽压，kPa；其中，p_w、p_gw、p_sw可由查表或式(19)、式(20)得出(在类似温度下，式(20)计算误差较小，建议采用式(20)计算)。

$ \ln p = 9.387\;6 - 3826.36/\left( {T - 45.47} \right)\left( {T\;为\;290 \sim 500{\rm{K}}} \right) $

(19)

式中，p为水的饱和蒸汽压，MPa；T为温度，K。

$ {\rm{Log}}\;p = A - \frac{B}{{{\rm{t}} + C}}\;\;\;\left( {{\rm{Antoine}}\;方程} \right) $

(20)

式中，p为水的饱和蒸汽压，mmHg；t为温度，℃。

式(20)中的常数A、B和C的值见表 1。

表 1 常数A、B和C的值 Table 1 Values of constants A, B and C

空气相对湿度计算公式中的干湿表系数A与干湿球传感器的形状、通风速度均有要求，不同型号干湿表在一定通风条件下的A值见表 2。鉴于实际实验室的测量条件有限，建议A值取0.815×10^-3。

表 2 不同型号干湿表在一定通风条件下的A值 Table 2 A-value of different types of psychrometers at appropriate ventilation conditions

在低速、自然通风的条件下，影响A值的主要因素是通风速度，此时，干湿球表A值的计算经验公式见式(21)。

$ A = 0.000\;01 \times \left( {65 + 6.75/v} \right) $

(21)

式中，v为空气流过湿球四周的速度，m/s。

(2) 利用进出硫磺回收装置的气体组成计算

此方法按装置氧(干基)平衡推导R，不适用于燃料气再热方式。

进入装置的氧原子数量以体积流量表示，m³/h。

空气中带入氧的体积流量(Q₁)见式(22)。

$ {Q_1} = {Q_{\rm{k}}} \times \left[ {2 \times \left( {20.95 + 0.03} \right)} \right] = 41.96{Q_{\rm{k}}} $

(22)

式中，Q_k为装置的空气体积流量，m³/h; 20.95为空气中O₂的体积分数，%；0.03为空气中CO₂的体积分数，%。

酸气带入的氧体积流量(Q₂)见式(23)。

$ {Q_2} = {Q_{\rm{s}}} \times 2{C_{{\rm{C}}{{\rm{O}}_2}}} = \frac{{{Q_{\rm{k}}}}}{R} \times 2{C_{{\rm{C}}{{\rm{O}}_2}}} $

(23)

尾气离开装置所带走的氧以体积流量(Q₃)表示，m³/h，见式(24)。

$ \begin{array}{l} {Q_3} = {Q_{\rm{w}}} \times \left( {2{{C'}_{{\rm{S}}{{\rm{O}}_2}}} + 2{{C'}_{{\rm{C}}{{\rm{O}}_2}}} + 2{{C'}_{{{\rm{O}}_2}}} + {{C'}_{{\rm{COS}}}} + {{C'}_{{\rm{CO}}}}} \right) = \\ \frac{{{Q_{\rm{k}}} \times 78.09}}{{{{C'}_{{{\rm{N}}_2}}}}} \times \left( {2{{C'}_{{\rm{S}}{{\rm{O}}_2}}} + 2{{C'}_{{\rm{C}}{{\rm{O}}_2}}} + 2{{C'}_{{{\rm{O}}_2}}} + {{C'}_{{\rm{COS}}}} + {{C'}_{{\rm{CO}}}}} \right) \end{array} $

(24)

酸气中的CH₄和H₂S 100%氧化生成H₂O消耗的氧体积流量见式(25)。

$ {Q_4} = {Q_{\rm{s}}} \times \left( {{C_{{{\rm{H}}_2}{\rm{S}}}} + 2{C_{{\rm{C}}{{\rm{H}}_4}}}} \right) = \frac{{{Q_k}}}{R} \times \left( {{C_{{{\rm{H}}_2}{\rm{S}}}} + 2{C_{{\rm{C}}{{\rm{H}}_4}}}} \right) $

(25)

尾气中尚有少量CH₄和H₂S未氧化，Q₄中多计了这部分氧的体积流量Q₅，见式(26)。

$ {Q_5} = \frac{{{Q_{\rm{k}}} \times 78.09}}{{{{C'}_{{{\rm{N}}_2}}}}} \times \left( {{{C'}_{{{\rm{H}}_2}{\rm{S}}}} + 2{{C'}_{{\rm{C}}{{\rm{H}}_4}}}} \right) $

(26)

尾气中还有少量H₂，而Q₄中按H₂S被100%氧化生成H₂O计算耗氧量，多计了部分耗氧量，这部分氧的体积流量为Q₆。

H₂由H₂S裂解而成，其主反应及副反应如式(Ⅰ)~式(Ⅳ)所示。

$ {{\rm{H}}_2}{\rm{S}} \to {{\rm{H}}_2} + {\rm{S}}\left( {主反应} \right) $

(Ⅰ)

$ {\rm{C}}{{\rm{H}}_4} + 3/2{{\rm{O}}_2} \to {\rm{C}}{{\rm{O}}_2} + {{\rm{H}}_2}{\rm{O}} + {{\rm{H}}_2}\left( {副反应} \right) $

(Ⅱ)

$ {\rm{CO}} + {{\rm{H}}_2}{\rm{O}} \to {\rm{C}}{{\rm{O}}_2} + {{\rm{H}}_2}\left( {副反应} \right) $

(Ⅲ)

$ {\rm{C}}{{\rm{H}}_4} + {\rm{S}}{{\rm{O}}_2} \to {\rm{COS}} + {{\rm{H}}_2}{\rm{O}} + {{\rm{H}}_2}\left( {副反应} \right) $

(Ⅳ)

$ {Q_6} = \frac{{{Q_{\rm{k}}} \times 78.09}}{{{{C'}_{{{\rm{N}}_2}}}}} \times {{C'}_{{{\rm{H}}_2}}} $

(27)

氧平衡:

$ {Q_1} + {Q_2} = {Q_3} + {Q_4} - {Q_5} - {Q_6} $

(28)

$ \begin{array}{*{20}{c}} {41.96{Q_{\rm{k}}} + \frac{{{Q_{\rm{k}}}}}{R} \times 2{C_{{\rm{C}}{{\rm{O}}_2}}} = \frac{{{Q_{\rm{k}}} \times 78.09}}{{{{C'}_{{{\rm{N}}_2}}}}} \times \left( {2{{C'}_{{\rm{S}}{{\rm{O}}_2}}} + 2{{C'}_{{\rm{C}}{{\rm{O}}_2}}} + 2{{C'}_{{{\rm{O}}_2}}} + {{C'}_{{\rm{COS}}}} + {{C'}_{{\rm{CO}}}}} \right) \\+ \frac{{{Q_{\rm{k}}}}}{R} \times \left( {{C_{{{\rm{H}}_2}{\rm{S}}}} + 2{C_{{\rm{C}}{{\rm{H}}_4}}}} \right) - }\\ {\frac{{{Q_{\rm{k}}} \times 78.09}}{{{{C'}_{{{\rm{N}}_2}}}}} \times \left( {{{C'}_{{{\rm{H}}_2}{\rm{S}}}} + 2{{C'}_{{\rm{C}}{{\rm{H}}_4}}}} \right) - \frac{{{Q_{\rm{k}}} \times 78.09}}{{{{C'}_{{{\rm{N}}_2}}}}} \times {{C'}_{{{\rm{H}}_2}}}} \end{array} $

(29)

整理式(29)，得：

$ 41.96{Q_{\rm{k}}} + \frac{{{Q_{\rm{k}}}}}{R} \times \left( {2{C_{{\rm{C}}{{\rm{O}}_2}}} - {C_{{{\rm{H}}_2}{\rm{S}}}} - 2{C_{{\rm{C}}{{\rm{H}}_4}}}} \right) = \frac{{{Q_{\rm{k}}} \times 78.09}}{{{{C'}_{{{\rm{N}}_2}}}}} \times \left( {2{{C'}_{{\rm{S}}{{\rm{O}}_2}}} + 2{{C'}_{{\rm{C}}{{\rm{O}}_2}}} + \\ 2{{C'}_{{{\rm{O}}_2}}} + {{C'}_{{\rm{COS}}}} + {{C'}_{{\rm{CO}}}} - {{C'}_{{{\rm{H}}_2}{\rm{S}}}} - 2{{C'}_{{\rm{C}}{{\rm{H}}_4}}} - {{C'}_{{{\rm{H}}_2}}}} \right) $

(30)

解得：

$ R = \frac{{2{C_{{\rm{C}}{{\rm{O}}_2}}} - {C_{{{\rm{H}}_2}{\rm{S}}}} - 2{C_{{\rm{C}}{{\rm{H}}_4}}}}}{{\left( {2{{C'}_{{\rm{S}}{{\rm{O}}_2}}} + 2{{C'}_{{\rm{C}}{{\rm{O}}_2}}} + 2{{C'}_{{{\rm{O}}_2}}} + {{C'}_{{\rm{COS}}}} + {{C'}_{{\rm{CO}}}} - {{C'}_{{{\rm{H}}_2}{\rm{S}}}} - 2{{C'}_{{\rm{C}}{{\rm{H}}_4}}} - {{C'}_{{{\rm{H}}_2}}}} \right) \times 78.09/{{C'}_{{{\rm{N}}_2}}} - 41.96}} $

(31)

式中，C表示酸气组分体积分数，%；C′表示尾气组分体积分数，%；干空气组成体积分数：N₂：78.09%，O₂：20.95%，Ar：0.93%，CO₂：0.03%。

(3) 利用酸气组分数据计算

此方法仅用于粗略计算，见式(32)。

$ \begin{array}{*{20}{c}} {R = \frac{{{Q_{\rm{k}}}}}{{{Q_{\rm{s}}}}} = \frac{{\left( {\frac{{{C_{{{\rm{H}}_2}{\rm{S}}}}}}{2} + \Sigma \left( {n + \frac{m}{4}} \right){{\rm{C}}_n}{{\rm{H}}_m}} \right)}}{{20.95\% }} = }\\ {\frac{{0.5{C_{{{\rm{H}}_2}{\rm{S}}}} + 2{C_{{\rm{C}}{{\rm{H}}_4}}}}}{{0.2095}}} \end{array} $

(32)

式中，C_H₂S为酸气中H₂S的体积分数，%；Σ(n+$ \frac{\mathit{m}}{4}$)C_nH_m为各种烃类耗氧量(φ)之和，%。

1.2.2 碳平衡法

$ \begin{array}{l} 进硫磺回收装置碳的体积流量 = {Q_{\rm{s}}}\left( {{C_{{\rm{C}}{{\rm{H}}_4}}} + {C_{{\rm{C}}{{\rm{O}}_2}}}} \right)\\ + 0.03{Q_{\rm{k}}} = {{Q'}_{\rm{s}}} \times \left( {1 - {H_{\rm{s}}}} \right)\left( {{C_{{\rm{C}}{{\rm{H}}_4}}} + {C_{{\rm{C}}{{\rm{O}}_2}}}} \right) + 0.03{{Q'}_{\rm{k}}}\\ \left( {1 - {H_{\rm{k}}}} \right) \end{array} $

(33)

$ \begin{array}{l} 出硫磺回收装置碳的体积流量 = {Q_{\rm{w}}}\left( {{{C'}_{{\rm{C}}{{\rm{O}}_2}}} + } \right.\\ \left. {{{C'}_{{\rm{COS}}}} + {{C'}_{{\rm{C}}{{\rm{S}}_2}}} + {{C'}_{{\rm{CO}}}} + {{C'}_{{\rm{C}}{{\rm{H}}_4}}}} \right) \end{array} $

(34)

由进出硫磺回收装置的碳平衡可得：

$ {Q_{\rm{W}}} = \frac{{{{Q'}_{\rm{s}}} \times \left( {1 - {H_{\rm{s}}}} \right)\left( {{C_{{\rm{C}}{{\rm{H}}_4}}} + {C_{{\rm{C}}{{\rm{O}}_2}}}} \right) + 0.03{{Q'}_{\rm{k}}}\left( {1 - {H_{\rm{k}}}} \right)}}{{{{C'}_{{\rm{C}}{{\rm{O}}_2}}} + {{C'}_{{\rm{COS}}}} + {{C'}_{{\rm{C}}{{\rm{S}}_2}}} + {{C'}_{{\rm{CO}}}} + {{C'}_{{\rm{C}}{{\rm{H}}_4}}}}} $

(35)

代入，得式(36)。

$ \eta = \left[ {1 - \frac{{{{Q'}_{\rm{s}}} \times \left( {1 - {H_{\rm{s}}}} \right)\left( {{C_{{\rm{C}}{{\rm{H}}_4}}} + {C_{{\rm{C}}{{\rm{O}}_2}}}} \right) + 0.03{{Q'}_{\rm{k}}}\left( {1 - {H_{\rm{k}}}} \right)}}{{{{Q'}_{\rm{s}}} \times \left( {1 - {H_{\rm{s}}}} \right){C_{{{\rm{H}}_2}{\rm{S}}}}\left( {{{C'}_{{\rm{C}}{{\rm{O}}_2}}} + {{C'}_{{\rm{COS}}}} + {{C'}_{{\rm{C}}{{\rm{S}}_2}}} + {{C'}_{{\rm{CO}}}} + {{C'}_{{\rm{C}}{{\rm{H}}_4}}}} \right)}}\left( {{{C'}_{{{\rm{H}}_2}{\rm{S}}}} + {{C'}_{{\rm{S}}{{\rm{O}}_2}}} + 2{{C'}_{{\rm{C}}{{\rm{S}}_2}}} +\\ {{C'}_{{\rm{COS}}}} + 0.075{{C'}_{{\rm{ls}}}} + 100{p_{\rm{S}}}/{{p'}_{\rm{W}}}} \right)} \right] \times 100\% $

(36)

因空气中CO₂含量较低，可忽略不计。因此，式(36)可简化为式(37)。

$ \eta = \left[ {1 - \frac{{{C_{{\rm{C}}{{\rm{H}}_4}}} + {C_{{\rm{C}}{{\rm{O}}_2}}}}}{{{C_{{{\rm{H}}_2}{\rm{S}}}}\left( {{{C'}_{{\rm{C}}{{\rm{O}}_2}}} + {{C'}_{{\rm{COS}}}} + {{C'}_{{\rm{C}}{{\rm{S}}_2}}} + {{C'}_{{\rm{CO}}}} + {{C'}_{{\rm{C}}{{\rm{H}}_4}}}} \right)}}\left( {{{C'}_{{{\rm{H}}_2}{\rm{S}}}} + {{C'}_{{\rm{S}}{{\rm{O}}_2}}} + 2{{C'}_{{\rm{C}}{{\rm{S}}_2}}} +\\ {{C'}_{{\rm{COS}}}} + 0.075{{C'}_{{\rm{ls}}}} + 100{p_{\rm{S}}}/{{p'}_{\rm{W}}}} \right)} \right] \times 100\% $

(37)

1.2.3 硫平衡法

$ \eta = \left[ {1 - \frac{{S'}}{S}} \right] \times 100\% $

(38)

式中，S′为灼烧炉废气中总硫质量流量(以S计)，kg/h；S为酸气中总硫质量流量(以S计)，kg/h。

$ S' = \left[ {{{C'}_{{\rm{S}}{{\rm{O}}_2}}} \times 0.5 + {{C'}_{{{\rm{H}}_2}{\rm{S}}}} \times 0.94 + {{C'}_{{\rm{C}}{{\rm{S}}_2}}} \times 0.842} \right] \times {Q_{烟气}} $

(39)

$ S = {C_{{{\rm{H}}_2}{\rm{S}}}} \times {Q_{酸气}} \times {\rho _{{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{S}}}} \times 0.94 $

(40)

式中，0.5为SO₂中S元素摩尔分数；0.94为H₂S中S元素摩尔分数；0.842为CS₂中S元素摩尔分数；Q_烟气为烟气体积流量(20 ℃，101.325 kPa)，m³/h；C_H₂S为酸气中H₂S摩尔分数，%；ρ_H₂S为H₂S密度，kg/m³，在20 ℃、101.325 kPa下为1.43 kg/m³；Q_酸气为酸气体积流量(20 ℃，101.325 kPa)，m³/h。

需要说明的是，在以上3种硫回收率计算方法中，氮平衡法和碳平衡法以灼烧前的尾气作为计算终点，而硫平衡法则以灼烧后的烟气作为计算终点。几种计算方法均有一定局限性。对于氮平衡法和碳平衡法，由于液硫脱气通常直接进入尾气灼烧炉，这两种计算方法均忽略了液硫废气中所含有效组分的影响；而对于硫平衡法，由于从酸气到烟气的处理过程时间间隔长，很难同时获取同一时间点的酸气与烟气硫含量数据，故误差较大，尤其是在酸气浓度变化幅度较大时。

2 带尾气处理装置的总硫回收率计算方法

采用硫平衡法，得到如式(41)所示的硫回收率计算公式。

$ {\eta _2} = \frac{{1.346{\eta _1}{{C'}_{\rm{S}}}\left( {1 - {H_{\rm{S}}}} \right){C_{{{\rm{H}}_2}{\rm{S}}}}}}{{1.346{\eta _1}{{C'}_{\rm{S}}}\left( {1 - {H_{\rm{S}}}} \right){C_{{{\rm{H}}_2}{\rm{S}}}} + 0.5{W_{{\rm{S}}{{\rm{O}}_2}}} + 0.94{W_{{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{S}}}}}} $

(41)

式中，η₁、Q′_s、H_s、C_H₂S同硫磺回收装置硫回收率计算；W_SO₂为烟囱排放尾气中SO₂质量流量，kg/h；W_H₂S为烟囱排放尾气中H₂S质量流量，kg/h。

3 结语

利用元素平衡法详细推导出一组能快速、准确地计算天然气净化厂硫回收率的公式，可用于评价硫磺回收装置的运行情况。

参考文献

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