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)、串級控制系統(tǒng)、比值分析儀的工作原理及安裝注意事項，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，通過一個高溫?zé)岱磻?yīng)和若干個催化反應(yīng)生成硫，再經(jīng)冷凝、分離，即達到回收硫的目的。由于H2S氣體具有高溫、易燃、易爆、劇毒等特點，因此其回收工藝自動控制的準(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熱反應(yīng)段和若干個催化反應(yīng)段組成，即含H2S的酸性氣在酸性氣燃燒爐內(nèi)用空氣進行不*燃燒，嚴格控制風(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，各種儀表符號表示如下:
在酸性氣燃燒爐的控制方案中，通過主串級控制系統(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主空氣流量的比值控制和對較小量的副空氣流量的串級控制這二者的組合來達到的，后者提供精細的空氣量調(diào)節(jié)。
2.2比值控制系統(tǒng)
為了**控制進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，組成串級控制系統(tǒng)。
1．酸性氣流量測量系統(tǒng)
為了對流量的變化有一個快速反應(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量系統(tǒng)，計量儀及其對應(yīng)的測量參數(shù)如下:
其中，F(xiàn)T7401A為文丘里管流量計;酸性氣摩爾質(zhì)量通過HIC7401手動輸入。
FY7401A輸出的酸性氣質(zhì)量流量計算式如下:
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)置了流量測量系統(tǒng)，計量儀及其對應(yīng)的測量參數(shù)如下:
其中，燃料氣流量計一般為孔板流量計，用于測量燃料氣的體積流量;燃料氣摩爾質(zhì)量通過HIC7404手動輸入。同時，去酸性氣燃燒爐燃燒器的燃料氣控制閥有一個*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輸出信號控制。
FY7402A輸出的燃料氣質(zhì)量流量計算式如下:
其中，Z2為燃料氣質(zhì)量流量的修正因子，1。
3．空氣流量測量系統(tǒng)
主空氣管道設(shè)置了體積流量計FT7401B、壓力計PT7402B、溫度計TT7405B，用來計算主空氣質(zhì)量流量的實際值;副空氣管道設(shè)置了體積流量計FT7401C、壓力計PT7402B、溫度計TT7405B，用來計算副空氣質(zhì)量流量的實際值。空氣流量計采用文丘里管流量計。
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手動輸入和FY7402A輸出的燃料氣質(zhì)量流量，通過FY7402B計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手動輸入和FY7401A輸出的酸性氣質(zhì)量流量，通過FY7401A計算出與酸性氣燃燒所期望的空氣質(zhì)量流量qm32。這兩個計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，則空氣總需要量也是變動的。為了保證副空氣管道的空氣流量足夠且在整個操作范圍保持不變，這里引入一個固定的對理論空氣需要量的偏置值。對于不正常操作，總空氣流量產(chǎn)生了波動，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計算輸出:qm3主=qm3總-qm3副。
5．對空氣/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)對不同的溫度、壓力和實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也對不同的燃料氣組分引起的變化進行了校正。然而，根據(jù)測量的燃料氣摩爾質(zhì)量計算得到空氣/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。故對于不同的氮或烯烴含量時，其計算比例與實際比率會有偏差，這需要操作人員通過HIC7403進行手動校正，也可以由串級主控制器AIC7402來加以校正。
2.3串級控制系統(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際需要值之間存在偏差。在燃料氣控制回路，F(xiàn)Y7402B計算得到的空氣/燃料氣比例值和其實際需要值之間也存在偏差。這些理論值與實際值的偏差不進行糾正，會造成酸性氣燃燒爐內(nèi)H2S的燃燒不能達到理想效果，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)的實際值作為被控變量，當(dāng)φ(H2S)-2φ(SO2)≠0時，則串級控制器AIC7402按計算的燃燒空氣流量偏差提供一個合適的校正流量值作為輸出信號，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)達到理想狀態(tài)，*終實現(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)計極限的高、低報警，當(dāng)其發(fā)出副空氣流量值太高或太低的報警時，意味著HIC7402給定的空氣/酸性氣比例不合適，應(yīng)當(dāng)手動調(diào)整，使副空氣管道的空氣流量回到設(shè)計值。因為調(diào)整過程中的存留時間，串級主控制器AIC7402有一個不可忽略的死區(qū)時間，這個死區(qū)時間取決于硫磺回收裝置的管路負荷。為了確保串級主控制器AIC7402在整個操作范圍內(nèi)是穩(wěn)定的，必須要適應(yīng)裝置負荷。
2.4比值分析儀
酸性氣和空氣由于介質(zhì)操作壓力低，流量測量一般選用文丘里管流量計，燃料氣由于介質(zhì)操作壓力較高，流量測量可以選用孔板流量計[1]。文丘里管流量計和孔板流量計均為普通測量儀表，而測量H2S和SO2濃度的比值分析儀則為特殊測量儀表。
針對連續(xù)地監(jiān)測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(以下簡稱比值分析儀)為例，介紹其工作原理及安裝注意事項。
2.4.1工作原理
比值分析儀由電子箱、爐箱和光度計箱組成，且光度計箱集中地放置一個模塊化光學(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多波長、無散射的紫外光光譜儀，用于測量四路互不干涉的紫外光吸收率。其中三路用于測量硫化氫、二氧化硫和硫蒸氣的體積分數(shù)，第四路波長作為參比基準(zhǔn)以補償和修正由于石英窗不干凈、光強變化和其他干擾對測量精度的影響。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入檢測器，完成一系列計算包括把測量吸收率轉(zhuǎn)化成φ(H2S)和φ(SO2)，該測量值可根據(jù)硫蒸氣吸收率、樣氣溫度和樣氣壓力自動修正。
2.4.2安裝注意事項
1．安裝比值分析儀時，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。如果這個環(huán)狀空間被硫堵塞，可能會導(dǎo)致取樣探管功能不佳，不能準(zhǔn)確測量樣品流量。
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．安裝比值分析儀時應(yīng)根據(jù)其外形尺寸大小，考慮安裝空間的同時還需注意保留操作空間，以便比值分析儀的操作和維護。
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。硫化氫是一種有強烈臭雞蛋味的氣體，是強烈的神經(jīng)毒物，對黏膜有強烈的刺激作用，一旦發(fā)生硫化氫泄漏，就會產(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)對硫磺回收裝置所做的安全等級評估報告，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)今世界對清潔燃料的需求和環(huán)保要求日益嚴格，世界各國對硫磺回收技術(shù)的研究和改進都做了大量的工作，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。酸性氣燃燒爐的控制也正日益朝著高度自動化方向發(fā)展，實現(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)濟和社會效益。
