酸性氣燃燒爐控制系統(tǒng)
硫磺回收裝置中酸性氣燃燒爐的控制,酸性氣燃燒爐是硫磺回收裝置的關(guān)鍵設(shè)備之一,其操作參數(shù)控制是關(guān)系到Claus工藝硫回收率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。介紹了酸性氣燃燒爐控制方案,包括比值控制系統(tǒng)、串級(jí)控制系統(tǒng)、比值分析儀的工作原理及安裝注意事項(xiàng),以及安全聯(lián)鎖邏輯。
1概述隨著煉油廠處理原油能力的增加,原油品種呈現(xiàn)多樣化,產(chǎn)生含H2S的酸性氣的氣量和組分也在不斷的變化。從煉油廠的蒸餾、催化裂化、加氫精制、加氫改質(zhì)、延遲焦化等工序分離出來的氣體,通過氣分脫硫、重油催化脫硫、重油催化污水汽提、富氣脫硫、催化凈化污水汽提工藝,*終得到φ(H2S)=75%~90%的酸性氣。硫磺回收裝置就是以這種酸性氣為原料,通過一個(gè)高溫?zé)岱磻?yīng)和若干個(gè)催化反應(yīng)生成硫,再經(jīng)冷凝、分離,即達(dá)到回收硫的目的。由于H2S氣體具有高溫、易燃、易爆、劇毒等特點(diǎn),因此其回收工藝自動(dòng)控制的準(zhǔn)確性、可靠性和安全性格外重要。
2酸性氣燃燒爐的控制方案
目前煉油廠硫磺回收主要采用的是克勞斯(Claus)工藝。常規(guī)克勞斯硫磺回收工藝是由一個(gè)熱反應(yīng)段和若干個(gè)催化反應(yīng)段組成,即含H2S的酸性氣在酸性氣燃燒爐內(nèi)用空氣進(jìn)行不*燃燒,嚴(yán)格控制風(fēng)量(即空氣量),使1/3的H2S燃燒后生成的SO2;滿足n(H2S)/n(SO2)≈2,2/3的H2S和SO2在高溫下反應(yīng)生成硫,剩余的H2S和SO2進(jìn)入催化反應(yīng)段,在催化劑作用下繼續(xù)反應(yīng)生成硫;生成的硫經(jīng)冷凝、分離即為成品硫。由此可見,克勞斯硫磺回收工藝控制的*關(guān)鍵環(huán)節(jié)即控制酸性氣燃燒爐中各反應(yīng)物即空氣、酸性氣及SO2的量及反應(yīng)環(huán)境。
2.1控制方案
通常酸性氣燃燒爐的控制方案見圖1。

圖1 酸性氣燃燒爐的控制方案
圖1中,各種儀表符號(hào)表示如下:
在酸性氣燃燒爐的控制方案中,通過主串級(jí)控制系統(tǒng)AIC7402控制FIC7401C的設(shè)定值,流量控制器FIC7401B控制空氣流量,F(xiàn)IC7401C控制n(H2S)/n(SO2)≈2,FIC7402控制燃料氣流量,以期達(dá)到*佳反應(yīng)條件,從而獲得*高的硫回收率,且使尾氣凈化工段的負(fù)荷*小,即控制酸性氣燃燒爐的尾氣的φ(H2S)-2φ(SO2)=0%。因此控制供給酸性氣燃燒爐燃燒器(FA-7401A)的空氣量在*合適的范圍是十分重要的。如FA-7401A空氣不足將產(chǎn)生過剩H2S,空氣過量引起SO2過剩,這二者都將導(dǎo)致Claus工段硫回收減少。
合適的空氣總量是通過對(duì)主空氣流量的比值控制和對(duì)較小量的副空氣流量的串級(jí)控制這二者的組合來達(dá)到的,后者提供精細(xì)的空氣量調(diào)節(jié)。
2.2比值控制系統(tǒng)
為了**控制進(jìn)入酸性氣燃燒爐燃燒器的空氣流量,空氣管道分為一主一副兩路并聯(lián)設(shè)置,且兩路管道上均設(shè)置了流量測(cè)量系統(tǒng)。主空氣管路流量隨著酸性氣和燃料氣的質(zhì)量流量變化而變化,組成比值控制系統(tǒng)。而副空氣流量隨著尾氣中φ(H2S)-2φ(SO2)的值變化而變化,組成串級(jí)控制系統(tǒng)。
1.酸性氣流量測(cè)量系統(tǒng)
為了對(duì)流量的變化有一個(gè)快速反應(yīng),在硫磺回收裝置的入口處設(shè)置了尾氣凈化再循環(huán)酸性氣和原料酸性氣混合總管流量測(cè)量系統(tǒng),計(jì)量?jī)x及其對(duì)應(yīng)的測(cè)量參數(shù)如下:

其中,F(xiàn)T7401A為文丘里管流量計(jì);酸性氣摩爾質(zhì)量通過HIC7401手動(dòng)輸入。
FY7401A輸出的酸性氣質(zhì)量流量計(jì)算式如下:

其中,pa為大氣壓力,取101.35 k Pa;Z1為酸性氣質(zhì)量流量的修正因子,1。
2.燃料氣流量測(cè)量系統(tǒng)
同理,酸性氣燃燒爐燃燒器燃料氣管道也設(shè)置了流量測(cè)量系統(tǒng),計(jì)量?jī)x及其對(duì)應(yīng)的測(cè)量參數(shù)如下:
其中,燃料氣流量計(jì)一般為孔板流量計(jì),用于測(cè)量燃料氣的體積流量;燃料氣摩爾質(zhì)量通過HIC7404手動(dòng)輸入。同時(shí),去酸性氣燃燒爐燃燒器的燃料氣控制閥有一個(gè)*小停止位置限位,用于控制去酸性氣燃燒爐燃燒器的燃料氣流量不低于*小值,以避免燃燒器熄火。該閥門的*小輸出限位由FIC7402輸出信號(hào)控制。
FY7402A輸出的燃料氣質(zhì)量流量計(jì)算式如下:

其中,Z2為燃料氣質(zhì)量流量的修正因子,1。
3.空氣流量測(cè)量系統(tǒng)
主空氣管道設(shè)置了體積流量計(jì)FT7401B、壓力計(jì)PT7402B、溫度計(jì)TT7405B,用來計(jì)算主空氣質(zhì)量流量的實(shí)際值;副空氣管道設(shè)置了體積流量計(jì)FT7401C、壓力計(jì)PT7402B、溫度計(jì)TT7405B,用來計(jì)算副空氣質(zhì)量流量的實(shí)際值。空氣流量計(jì)采用文丘里管流量計(jì)。
根據(jù)理論上空氣/燃料氣的質(zhì)量流量比m1(即燃燒1 kg/h燃料氣所需的空氣流量)由HIC7403手動(dòng)輸入和FY7402A輸出的燃料氣質(zhì)量流量,通過FY7402B計(jì)算出燃燒燃料氣所需的空氣質(zhì)量流量qm31。同理,根據(jù)理論上空氣/酸性氣的質(zhì)量流量比m2由HIC7402手動(dòng)輸入和FY7401A輸出的酸性氣質(zhì)量流量,通過FY7401A計(jì)算出與酸性氣燃燒所期望的空氣質(zhì)量流量qm32。這兩個(gè)計(jì)算值之和即為理論上供給酸性氣燃燒爐燃燒器(FA7401A)所需的空氣總量,故FY7401C輸出的空氣總流量qm3總=qm31+qm32。
4.對(duì)理論空氣需要量的偏置值
在正常操作工況下,理論上副管道流量大約是總空氣流量的7.5%即可滿足工藝要求。但由于酸性氣組分改變而引起燃燒酸性氣所需的空氣需要量的變動(dòng),則空氣總需要量也是變動(dòng)的。為了保證副空氣管道的空氣流量足夠且在整個(gè)操作范圍保持不變,這里引入一個(gè)固定的對(duì)理論空氣需要量的偏置值。對(duì)于不正常操作,總空氣流量產(chǎn)生了波動(dòng),為了保持副管道流量占總空氣流量的比率不變,則副空氣流量的偏置值應(yīng)是可調(diào)整的。
本方案中,副空氣管道控制閥的副空氣流量即FIC7401C輸出的副空氣流量qm3副由BIAS設(shè)定,F(xiàn)IC7401B主空氣流量的設(shè)定值則由FY7401D計(jì)算輸出:qm3主=qm3總-qm3副。
5.對(duì)空氣/燃料氣比例的校正
從圖1中可以看出,由于燃料氣控制器FIC7402是根據(jù)FY7402B輸出的空氣需要量qm31來控制燃料氣的流量,這就意味著燃料氣控制回路已經(jīng)對(duì)不同的溫度、壓力和實(shí)際密度下的燃料氣的摩爾質(zhì)量作了校正。在相同的空氣需要量的設(shè)定值下,F(xiàn)IC7402也對(duì)不同的燃料氣組分引起的變化進(jìn)行了校正。然而,根據(jù)測(cè)量的燃料氣摩爾質(zhì)量計(jì)算得到空氣/燃料氣的質(zhì)量流量比是在假定只有烷烴組分變化的條件才正確的。故對(duì)于不同的氮或烯烴含量時(shí),其計(jì)算比例與實(shí)際比率會(huì)有偏差,這需要操作人員通過HIC7403進(jìn)行手動(dòng)校正,也可以由串級(jí)主控制器AIC7402來加以校正。
2.3串級(jí)控制系統(tǒng)
在HIC7402上由操作人員設(shè)置的空氣/酸性氣比例是固定的理論值和其實(shí)際需要值之間存在偏差。在燃料氣控制回路,F(xiàn)Y7402B計(jì)算得到的空氣/燃料氣比例值和其實(shí)際需要值之間也存在偏差。這些理論值與實(shí)際值的偏差不進(jìn)行糾正,會(huì)造成酸性氣燃燒爐內(nèi)H2S的燃燒不能達(dá)到理想效果,使硫磺不能*回收,造成去反應(yīng)器的尾氣中含有過多的H2S或SO2。
將從第三硫冷凝器到捕集器之間管線中尾氣中φ(H2S)-2φ(SO2)的實(shí)際值作為被控變量,當(dāng)φ(H2S)-2φ(SO2)≠0時(shí),則串級(jí)控制器AIC7402按計(jì)算的燃燒空氣流量偏差提供一個(gè)合適的校正流量值作為輸出信號(hào),調(diào)整副空氣管道上的空氣流量控制器FIC7401C副空氣流量qm3副的設(shè)定值,以控制酸性氣燃燒爐內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)達(dá)到理想狀態(tài),*終實(shí)現(xiàn)過程氣中φ(H2S)-2φ(SO2)=0的目的。
FIC7401C設(shè)置了副空氣流量超出了設(shè)計(jì)極限的高、低報(bào)警,當(dāng)其發(fā)出副空氣流量值太高或太低的報(bào)警時(shí),意味著HIC7402給定的空氣/酸性氣比例不合適,應(yīng)當(dāng)手動(dòng)調(diào)整,使副空氣管道的空氣流量回到設(shè)計(jì)值。因?yàn)檎{(diào)整過程中的存留時(shí)間,串級(jí)主控制器AIC7402有一個(gè)不可忽略的死區(qū)時(shí)間,這個(gè)死區(qū)時(shí)間取決于硫磺回收裝置的管路負(fù)荷。為了確保串級(jí)主控制器AIC7402在整個(gè)操作范圍內(nèi)是穩(wěn)定的,必須要適應(yīng)裝置負(fù)荷。
2.4比值分析儀
酸性氣和空氣由于介質(zhì)操作壓力低,流量測(cè)量一般選用文丘里管流量計(jì),燃料氣由于介質(zhì)操作壓力較高,流量測(cè)量可以選用孔板流量計(jì)[1]。文丘里管流量計(jì)和孔板流量計(jì)均為普通測(cè)量?jī)x表,而測(cè)量H2S和SO2濃度的比值分析儀則為特殊測(cè)量?jī)x表。
針對(duì)連續(xù)地監(jiān)測(cè)克勞斯硫磺回收裝置尾氣流路中的H2S和SO2的濃度及其比值的需要,這里以某廠家的880-NSL型H2S/SO2比值分析儀(以下簡(jiǎn)稱比值分析儀)為例,介紹其工作原理及安裝注意事項(xiàng)。
2.4.1工作原理
比值分析儀由電子箱、爐箱和光度計(jì)箱組成,且光度計(jì)箱集中地放置一個(gè)模塊化光學(xué)組件。這些箱子都組裝在一塊共同的后板上,整個(gè)組件直接安裝在管道上。這種安裝方式可以直接從工藝管線取出樣品氣體,并使其經(jīng)樣品探管返回到工藝管線。
比值分析儀的核心部件是一個(gè)多波長(zhǎng)、無散射的紫外光光譜儀,用于測(cè)量四路互不干涉的紫外光吸收率。其中三路用于測(cè)量硫化氫、二氧化硫和硫蒸氣的體積分?jǐn)?shù),第四路波長(zhǎng)作為參比基準(zhǔn)以補(bǔ)償和修正由于石英窗不干凈、光強(qiáng)變化和其他干擾對(duì)測(cè)量精度的影響。在比值分析儀中,一束由氙燈發(fā)出的紫外閃爍光能通過樣氣室再進(jìn)入檢測(cè)器,完成一系列計(jì)算包括把測(cè)量吸收率轉(zhuǎn)化成φ(H2S)和φ(SO2),該測(cè)量值可根據(jù)硫蒸氣吸收率、樣氣溫度和樣氣壓力自動(dòng)修正。
2.4.2安裝注意事項(xiàng)
1.安裝比值分析儀時(shí),樣品管線的焊接短管必須與尾氣管道水平段的頂部成90°角垂直安裝,焊接短管上需安裝一個(gè)孔徑1″的蒸汽夾套球閥。
2.樣品管線要確保內(nèi)部沒有凝固的硫,分析器的探管(外徑1/2″)將穿過蒸汽夾套球閥的內(nèi)孔,留下環(huán)徑1/4″的環(huán)狀空間供樣品返回。如果這個(gè)環(huán)狀空間被硫堵塞,可能會(huì)導(dǎo)致取樣探管功能不佳,不能準(zhǔn)確測(cè)量樣品流量。
3.為了將工藝氣體的損失減至*小,通常在分析器在樣品管線上安裝就位后再安裝取樣探管。取樣探管安裝完成后必須打開蒸汽夾套球閥。
4.安裝比值分析儀時(shí)應(yīng)根據(jù)其外形尺寸大小,考慮安裝空間的同時(shí)還需注意保留操作空間,以便比值分析儀的操作和維護(hù)。
3酸性氣燃燒爐的安全聯(lián)鎖
酸性氣燃燒爐內(nèi)的主要原料是硫化氫。硫化氫是一種有強(qiáng)烈臭雞蛋味的氣體,是強(qiáng)烈的神經(jīng)毒物,對(duì)黏膜有強(qiáng)烈的刺激作用,一旦發(fā)生硫化氫泄漏,就會(huì)產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。
在生產(chǎn)過程中,若發(fā)生酸性氣燃燒爐火焰熄滅、風(fēng)機(jī)停車、廢熱鍋爐液位低低、爐膛壓力高高、酸性氣流量低低、空氣流量低低、酸性氣分液罐液位高高、燃料氣壓力低低中的任何一種情況,必須采取安全聯(lián)鎖措施,快速關(guān)閉酸性氣切斷閥、燃料氣切斷閥和空氣切斷閥等,以便在緊急情況下使酸性氣燃燒爐安全停車。
酸性氣燃燒爐的安全聯(lián)鎖邏輯如圖2所示。
根據(jù)對(duì)硫磺回收裝置所做的安全等級(jí)評(píng)估報(bào)告,硫磺回收裝置需設(shè)置安全儀表系統(tǒng)SIS,以上安全聯(lián)鎖均應(yīng)由安全儀表系統(tǒng)SIS實(shí)施完成。

圖2 酸性氣燃燒爐的安全聯(lián)鎖邏輯示意
4結(jié)束語
當(dāng)今世界對(duì)清潔燃料的需求和環(huán)保要求日益嚴(yán)格,世界各國(guó)對(duì)硫磺回收技術(shù)的研究和改進(jìn)都做了大量的工作,無論工藝流程、設(shè)備結(jié)構(gòu)、控制方案以及儀表選型等多方面都有了很大發(fā)展與改進(jìn)。酸性氣燃燒爐的控制也正日益朝著高度自動(dòng)化方向發(fā)展,實(shí)現(xiàn)了*大可能提高硫回收率,降低排放尾氣中SO2含量這一目標(biāo),為企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。