MART控制系統在硫磺回收裝置的應用

丁延彬（大慶石化公司煉油廠）

MART控制系統在硫磺回收裝置的應用

丁延彬（大慶石化公司煉油廠）

硫磺回收裝置生產運行水平直接影響裝置尾氣S02能否達標排放，酸性氣分液罐壓力調節和氣風比調節困難是提高操作平穩率及降低尾氣S02排放濃度的重要影響因素。北京信廣華科技有限公司與大慶石化公司煉油廠針對生產運行情況進行了SMART控制新技術的研究與開發，解決了煉油廠硫磺回收裝置尾氣排放的問題，提高了硫磺回收裝置的自動化控制水平和運行平穩性，保證了尾氣排放達到國家標準GB/T16297—1996的要求，減少了對龍鳳地區乃至大慶地區的環境污染，具有顯著的社會效益。

硫磺回收裝置 SMART控制系統 提高硫磺轉化率 環保

近年來，隨著人們環境保護意識的加強以及各大煉油廠處理高硫原油（如俄羅斯原油）情況的不斷增多，國內各煉油廠對硫磺回收也越來越重視，引進了先進的硫磺回收裝置，或者采用國內最新研究成功的硫磺回收技術，以滿足“大氣污染物綜合排放標準”對SO2排放強度和排放濃度的要求。目前，常見的技術有常規克勞斯法、超級克勞斯法、亞露點法、SCOT法、SULFREEN法、亞硫酸法，以及CLAUSPOL硫回收尾氣處理工藝。1800t/a硫磺回收裝置自2004年開工以來，煙囪尾氣SO2排放濃度始終超過國家標準GB/T16297—1996的要求。為了解決尾氣SO2排放濃度超標問題、提高硫磺回收裝置運行的穩定性、降低操作人員勞動強度、達到節能降耗的目的，北京信廣華科技有限公司與大慶石化公司煉油廠針對硫磺回收車間的生產運行情況進行了SMART控制新技術的研究與開發。2008年1月中旬，該套技術應用于生產。

1 工藝流程

1.1 制硫部分

上游裝置來酸性氣經酸性氣分液罐脫液后，進入制硫燃燒爐，根據制硫反應需氧量，通過比值調節嚴格控制進爐空氣量，經燃燒將酸性氣中的烴類等有機物全部分解。在爐內約65%（體積分數）的H2S進行高溫克勞斯反應轉化為硫，余下的H2S中有1/3轉化為SO2，燃燒時所需空氣由制硫爐鼓風機供給。自制硫燃燒爐排出的高溫過程氣一小部分通過高溫摻合閥調節一、二級轉化器的入口溫度,其余部分進入一級冷凝冷卻器冷卻至160℃，在一級冷凝冷卻器管程出口，冷凝下來的液體硫磺與過程氣分離，自底部流出進入硫封罐；未冷凝的過程氣經高溫摻合閥調節至232℃進入一級轉化器，在催化劑的作用下進行反應，過程氣中的H2S和SO2轉化為元素硫。反應后的氣體進入二級冷凝冷卻器，過程氣溫度由308℃冷卻至160℃，二級冷凝冷卻器冷凝下來的液體硫磺，在管程出口與過程氣分離，自底部流出進入硫封罐，未冷凝的過程氣再經高溫摻合閥調節至224℃進入二級轉化器，過程氣在催化劑的作用下繼續進行反應，反應后的過程氣進入三級冷凝冷卻器，溫度從250℃冷卻至160℃。一、二、三級冷凝冷卻器殼程產生0.4MPa（G）的蒸汽自用。在三級冷凝冷卻器管程出口，冷凝下來的液體硫磺與過程氣分離，自底部流出進入硫封罐；頂部出來的制硫尾氣經尾氣分液罐分液后進入尾氣處理部分。匯入硫封罐的液硫自流進入液硫儲罐，經循環脫氣處理，液硫中的有毒氣體被脫出，送至尾氣焚燒爐焚燒。脫氣后的液硫用液硫泵送至硫磺成型機造粒、稱重、包裝后即為產品硫磺。

1.2 尾氣加氫部分

制硫尾氣自尾氣分液罐出來進入尾氣加熱器，與尾氣焚燒爐出口的高溫煙氣換熱，溫度升到300℃，混氫后進入加氫反應器，在CT6-5B尾氣加氫催化劑的作用下進行加氫、水解反應，使尾氣中的SO2、S2、COS、CS2還原、水解為H2S。反應后的高溫氣體進入尾氣急冷塔下部，與急冷水逆流接觸，水洗冷卻至40℃。尾氣急冷塔使用的急冷水，用急冷水泵自急冷塔底部抽出，經急冷水冷卻器冷卻至40℃后返急冷塔循環使用。為了防止設備腐蝕，需在急冷水中注入NH3，以調節其pH值保持在7～8。急冷降溫后的尾氣自急冷塔頂出來進入尾氣吸收塔。自醇胺再生系統來的MDEA貧胺液（40%的MDEA胺液）進入尾氣吸收塔上部，與尾氣急冷塔來的尾氣逆流接觸，尾氣中的H2S被吸收。自塔頂出來的凈化尾氣（總硫≤300×10-6），進入尾氣焚燒爐，在600℃高溫下，將凈化尾氣中殘留的硫化物焚燒生成SO2，剩余的H2和烴類燃燒成CO2和H2O；焚燒后的高溫煙氣經過尾氣加熱器回收熱量后，煙氣溫度降至463℃，再摻入冷空氣混合降溫至350℃左右由煙囪排入大氣。吸收H2S后的MDEA富液，經富液泵送返醇胺再生系統進行溶劑再生。

2 裝置運行存在的問題

2.1 酸性氣分液罐壓力調節困難

由于煉油廠煉油能力的提高，脫除的硫含量相應增加，造成1800t/a硫磺回收裝置超負荷運行。因此，酸性氣分液罐壓力受上游裝置酸性氣流量的影響，壓力波動比較大，酸性氣量與工業風主風量的串級不能投用，操作人員很難調節。如果壓力超過允許范圍（≤0.07MPa），或排到火炬去燃燒，污染大氣；或限制汽提及再生裝置的酸性氣排出量，影響2套裝置的運行穩定，也容易影響后續污水處理裝置的安全運行。

2.2 氣風比調節困難

氣風比指酸性氣量與空氣量之比。反應轉化器的反應機理要求過程氣中H2S/SO2的比例為2/1，這是提高轉換率、保證尾氣加氫單元平穩操作的重要條件。氣風比偏高或偏低，對燃燒爐和轉換器都有影響。

2.2.1 對燃燒爐的影響

當空氣量偏多時，會使過多的H2S燃燒生成SO2，放出的熱量增加，可能造成爐膛超溫及催化劑床層積硫過氧著火；同時，進入轉化器的過程氣中SO2過剩，影響加氫反應器的溫度、反應效果，易造成急冷塔的填料堵塞。另外，過剩的氧及硫酸鹽類是催化劑的毒物，影響催化劑的活性和壽命。

當空氣量偏少時，剩余的H2S增多，生成的SO2及放出的熱量減少，爐溫降低，同時進入轉化器的過程氣中H2S過剩。另外，原料氣中的烴類不能完全燃燒，會有積碳生成，影響硫磺的質量及催化劑的活性和壽命。

2.2.2 對轉換器的影響

上述兩種情況使進入轉化器的過程氣中或者SO2偏多，或者H2S偏多，都會導致轉化器內硫成分轉化成硫的轉化率降低，制硫尾氣中的硫含量過高，煙囪中SO2排放超標。

3 SMART控制系統控制方案

應用SMART（智能）復雜控制器，其中包括采用復雜控制策略的壓力控制器和氣風比控制器。SMART應用于本項目的具體實現方案如圖1所示。

圖1 硫磺回收裝置復雜控制結構

利用DCS系統中的OPC實現復雜控制器和DCS之間的數據交換，復雜控制器從DCS中接收過程參數，經過運算得到控制數據送給DCS，由DCS實現過程控制。

3.1 壓力控制

分液罐有來自64×104t/a酸性水汽提裝置、72×104t/a酸性水汽提裝置、醇胺再生裝置的三路進料，進料量的變化會引起分液罐壓力變化，并造成整個裝置運行的波動。采用壓力控制器控制分液罐的壓力在允許范圍內，使制硫燃燒爐進料量相對平穩。

3.2 氣風比控制

采用復雜控制策略，依據制硫尾氣在線分析儀表AIC5101對H2S和SO2組分的分析結果，通過氣風比控制器調節風量保證制硫尾氣中的H2S/SO2＝2/1。對H2S/SO2比的控制主要由副進風量FIC5103實現，主進風量FIC5102主要實現對酸性氣流量FIC5101的跟蹤，跟蹤比例依據FIC5103的實際值緩慢調整，使FIC5103保持在量程的50%左右，最終實現燃燒爐出口、一級二級轉化器內的H2S/SO2比都是2/1的目標。制硫燃燒爐、一級轉化器、二級轉化器達到最佳反應條件，降低后續尾氣加氫處理部分的負荷，尾氣達標排放。

3.3 氣風比控制與DCS連接

復雜控制器與DCS的連接方案如圖2所示。

圖2 復雜控制器與DCS連接方案

1800t/a硫磺回收裝置DCS是橫河CENTUM-CS3000系統，系統配有OPC服務器。復雜控制器通過Ethernet與OPC服務器相連，通過OPC通訊方式實現與DCS系統的數據交換。

4 SMART控制使用效果

4.1 SMART控制技術投用前后煙囪尾氣排放分析對比

環保指標（國家標準GB/T16297—1996）：尾氣中SO2含量≤960mg/m3。

SMART控制技術前后的煙囪尾氣（硫磺尾氣）見表1、表2。

表1 SMART控制技術之前的煙囪尾氣

*采樣分析時間：2007年1月1日至12月31日

表2 SMART控制技術之后的煙囪尾氣

SMART控制技術之后的煙囪尾氣分析全部達到國家排放標準GB/T16297—1996。

4.2 SMART控制技術投用前后在線分析儀趨勢對比

SMART控制技術投用前在線分析儀趨勢見圖3、圖4。

圖3

圖4

SMART控制技術投用后在線分析儀趨勢見圖5、圖6。

圖5

圖6

通過對比可以看出，SMART控制新技術投用后，H2S與SO2比值可以調整在2.0～3.0范圍內，即1800 t/a硫磺回收裝置制硫燃燒爐、一級轉化器、二級轉化器達到最佳反應條件，提高了硫磺轉化率。

酸性水汽提裝置抽出的酸性氣流量波動影響SMART控制系統的投用，需要對酸性水汽提裝置汽提操作進行優化。

5 結束語

該套技術的研究與應用成功，解決了大慶石化公司煉油廠硫磺回收裝置尾氣排放的問題，提高了硫磺回收裝置的自動化控制水平。此技術在國內同類裝置上屬于首創，實現了制硫燃燒爐、反應器在最佳反應條件下運行，提高硫磺轉化率至99.5%以上，年可增產硫磺165t，創造經濟效益約80萬元；降低裝置排入大氣中的總排硫量，年可節約環保排放費用1萬元；延長裝置安全運行周期及催化劑的使用壽命，折算后年可節約制硫催化劑費用3萬元；年節約處理部分循環酸性氣的0.8MPa蒸汽約4000t，創造經濟效益約37萬元，合計121萬元；尾氣排放達到國家標準GB/T16297—1996的要求，減少了對龍鳳地區乃至大慶地區的環境污染，社會效益顯著。

10.3969/j.issn.2095-1493.2012.010.012

2012-06-12）

丁延彬，工程師，2002年畢業于大慶石油學院，從事煉油工藝研究工作，E-mail：dybin309@sina.com，地址：黑龍江省大慶市龍鳳區大慶石化公司煉油廠硫磺回收車間，163711。