比值分析儀在Claus燃燒爐上的控制應用

徐偉清 袁 焱 中石化南京工程有限公司 南京 211100

硫磺回收裝置是石油化工行業一個重要的生產、環保裝置。目前的硫磺回收工藝主要是以克勞斯(Claus)工藝[1]為主，上游裝置來的酸性氣在Claus燃燒爐內部分燃燒反應，再經過冷凝、Claus反應，生成硫磺和尾氣，尾氣經過焚燒、吸收SO2達標后排放。硫磺回收裝置的核心就是Claus燃燒爐的燃燒控制，根據酸性氣，嚴格配給O2量，尾氣中H2S與SO2比值達到Claus反應的最佳配比為2∶1，進而使整個裝置硫的轉化率達到最高，因此H2S/SO2比值的控制和在線分析是硫磺回收裝置的控制關鍵點。本文結合比值分析儀在某硫磺回收裝置中的控制應用，分析總結了比值分析儀在設計選型、安裝調試、投運及維護等方面遇到的問題和解決方法，以便能在實際生產過程中為其他設計者提供參考和借鑒。

1 比值分析儀系統組成及測量原理[2]

為了使Claus燃燒爐的酸性氣與空氣(氧氣)充分混合，完成化學反應，助燃空氣(氧氣)的配風量需隨著酸性氣流量以及H2S與SO2比值外給定而隨動控制，比值分析儀主要分析硫磺回收裝置尾氣中H2S與SO2的濃度，通過計算，參與酸性氣燃燒配風控制，以達到最佳燃燒效果。

由于尾氣中含有硫蒸汽，容易堵塞比值分析儀采樣管，故目前應用的比值分析儀一般都采用探頭直接插入尾氣管道的方式。比值分析儀系統主要由采樣系統(探頭)、公用工程輔助系統、光譜分析系統等組成，見圖1。

圖1 比值分析儀系統組成示意圖

1.1 采樣系統組成及原理

比值分析儀采樣系統主要由采樣探頭、進樣夾套球閥組成，探頭內置“除霧”室、抽提室、測量流通池等。

1.1.1 探頭采樣原理

探頭采樣原理見圖2。

圖2 比值分析儀探頭采樣原理圖

探頭內置“除霧”室，“除霧”室通入低壓蒸汽。樣品氣在儀表空氣抽提的作用下，沿著探頭向上流動，在流動過程中，樣品氣經過“除霧”室，樣品氣中大部分的硫蒸汽被冷卻液化成液態硫磺，并在重力作用下滴落至工藝管道中，同時合格完整的樣品氣繼續上升，流動至探頭頂部的流通池中，紫外光穿過樣品氣后，通過光纖將光信號傳送至光譜分析系統，最后樣品氣在抽提作用下，返回到工藝管道中，隨工藝介質流向下游。

1.1.2 采樣系統特點

(1)直接安裝

探頭直接安裝在工藝管道上，樣品氣只在探頭內部流動，不會進入到光譜分析系統和輔助系統，這樣既保護了分析儀內部的電子元件，也保護了操作人員的安全。

(2)自動除霧

有效利用低壓蒸汽所產生的溫度梯度除去樣品氣中的單質硫，探頭內置“除霧”室，通入低壓蒸汽，由于元素硫是尾氣中所有組份露點最低的，通過輔助系統，將低壓蒸汽溫度維持在硫的露點溫度(129 ℃)以下，樣品氣中的硫元素除霧作用后冷凝，受重力作用返回工藝管道。

(3)原位測量

紫外光與樣品氣之間的相互作用點就在探頭頂部的流通池中。流通池采用高壓蒸汽伴熱，加熱流通池，并且保證樣品氣中殘留的硫不會冷凝而污染光學窗口；探頭通過光纖與光譜分析系統連接，樣品氣不需要進入分析系統，大大縮短了采樣流程，分析儀響應時間也大大縮短。

(4)探頭部分無電子元件

(5)樣品直接返回工藝管道

探頭內置的抽提室，使樣品氣沿著探頭本體路徑上升，在流通池中與紫外光相互作用，然后在抽提作用下再下降回到工藝管道中，整個流程無樣品預處理及排放。

1.2 公用工程輔助系統

公用工程輔助系統主要由各種氣路以及控制氣路的壓力表、流量計、閥門組成。其主要作用是：

(1)將入口的一路蒸汽總管分為兩路，輔助系統為探頭本體內的“除霧”室調節一路低壓蒸汽壓力和溫度，使蒸汽壓力維持在90～120kPa之間，溫度129℃以下，若溫度大于129℃，樣品氣中的單質硫不會冷凝成液態硫，含硫樣氣進入流通池，會造成鏡片污染；另一路為探頭頂部的流通池伴熱及鏡片吹掃調節高壓蒸汽，確保樣氣中沒有固態硫析出。

(2)將進口一路儀表風分為兩路，第一路作為抽提器的動力源，控制抽提流速，第二路用于吹掃光譜分析系統機箱和電子元件。

(3)提供蒸汽故障反吹功能，蒸汽故障的情況下，使流通池與樣品隔離，并用護氣吹掃流通池。

1.3 光譜分析系統

比值分析儀光譜分析系統是利用被測氣體對紫外光的吸收與被測氣體濃度成線性關系的原理，實現對被測氣體濃度的測量、顯示及通訊。光譜分析系統包含氙燈光源、光譜儀、人機界面、電源模塊、數據處理單元等。

某品牌比值分析儀采用UV-Vis 紫外可見光譜儀，光譜范圍為200-800nm，采用這個波長范圍是利用硫磺回收裝置尾氣中H2S和SO2在該紫外波長范圍內都有強而明顯的吸收曲線。光譜分析系統測量原理見圖3。

圖3 某品牌比值分析儀測量原理圖

氙燈光源發出的紫外光匯聚進入光纖，通過光纖傳輸到流通池，紫外光穿過流通池時經被測氣體吸收，進出流通池的紫外光產生了強度差(即吸光度)，被測氣體的吸光度與其濃度成正比。吸光度通過光纖傳輸到光譜儀，在光譜儀內部經過光柵分光，將不同的吸光度信號，分成各組分波長，產生一個實時的吸光度光譜，獲得氣體的連續吸收光譜信息，并由陣列傳感器將分光后的光信號轉換為電信號，傳送到數據處理單元進行處理，計算出不同組份的濃度值。

2 比值分析儀控制應用

下面以某硫磺回收裝置為例，圍繞Claus燃燒爐燃燒控制，從比值分析儀的設計選型、安裝調試、投運維護等方面著手，分析某品牌比值分析儀在該裝置的實際應用。

2.1 基于H2S/SO2比值分析儀的燃燒控制回路

本裝置主要處理上游裝置過來的酸性氣，制硫部分采用部分燃燒和兩級Claus制硫工藝，生成的液硫送至液硫成型廠房，產生的尾氣進行熱焚燒，焚燒后的煙氣經熱量回收后，再經氨吸收工藝吸收煙氣中的SO2，凈化后的煙氣經煙囪高空排放。為了精確地控制Claus燃燒爐配風流量，進入燃燒器的全部燃燒空氣(氧氣)分為兩路：主風和微風，其控制方案回路見圖4。

(1)主風控制回路是一個串級控制回路，根據進料酸性氣流量，計算出燃燒反應時需要的空氣(氧氣)量，圖4中FY-A為酸性氣燃燒耗氣量計算模塊。把計算得到的耗氣量的80%～90%作為串級給定值來調節主空氣流量。 進料酸性氣耗氣量計算方法如下:

圖4 基于H2S/SO2比值分析儀的燃燒控制回路

FY-A=α×β×FI

式中，FY-A為需要的空氣(氧氣)量；FI為進料酸性氣量；α為進料酸性氣中H2S組分的含量；β為1Nm3/h 100%H2S燃燒需要空氣(氧氣)量。

(2)微風控制主要是對配風控制起微調作用，在尾氣捕集器出口設置H2S/SO2比值分析儀，測量H2S和SO2數值，將H2S-2SO2的線性換算值(控制H2S-2SO2目標值為零)，與酸性氣燃燒反應計算所需耗氣量的10%～20%疊加，即圖4中FY-B模塊，作為微風控制回路的主被控變量，微風流量為副被控變量，形成串級控制回路來調節微風。FY-B計算方法如下：

FY-B=k×(FY-A)×θ+ε×AI

式中，FY-A為需要的空氣(氧氣)量；FY-B為微風控制回路FIC-B給定值；k為與酸性氣燃燒反應所需耗氣量(取值10%～20%)；θ為配比系數(根據項目實際情況調整)；ε為配比系數(根據項目實際情況調整)；AI為H2S-2SO2的線性換算值。

H2S/SO2比值分析儀響應速度很快，H2S/SO2比值即使發生很小的偏移，微風量都能及時得到隨動調節。將尾氣中H2S/SO2的比例控制在2∶1，尾氣中H2S或SO2的微小變化都會導致后續尾氣處理單元負荷的增加，只有H2S/SO2達到最佳比例才能獲得最大的硫轉化率。這臺H2S/SO2比值分析儀是整個硫磺回收裝置高效、穩定運行的關鍵儀表，因此其正確選型、安裝和定期維護非常重要。

2.2 設計選型

過程分析儀的分析原理、測量范圍、精確度、靈敏度、響應時間、重復性等技術指標，應滿足工藝過程的要求，且技術先進，性能穩定可靠，操作維護簡便[3]。測量H2S/SO2比值的方法很多，其原理和儀表結構形式也不盡相同，目前應用成熟的H2S/SO2比值分析儀多數為國外品牌，主要是美國AMETEK公司的880-NSL、美國AAI公司的TLG-837、加拿大Galvanic公司的942-TG等，每款產品都有各自的特點，比如：有的分析儀探頭與光譜分析系統一體化，有的分析儀探頭與光譜分析系統分離，通過光纖軟連接，安裝較靈活方便，在選用時要結合工藝生產要求和項目實際情況等因素去考慮。

2.2.1 H2S/SO2比值分析儀選型的原則

為保證H2S/SO2比值分析儀滿足工藝條件，且能長期平穩、安全、有效運行，分析儀在選型時需滿足如下原則：

(1)防止含硫尾氣堵塞取樣管線，H2S/SO2比值分析儀應采用管道直接取樣，采樣氣體必須直接返回工藝管線，不得放空，采樣探頭的連接形式為法蘭連接，采樣系統應使采樣管線盡量短，并充分考慮采樣管線的防堵措施，尤其是在分析儀故障或停運情況下采樣系統的防堵措施。

(2)根據硫磺回收裝置尾氣中含有硫蒸汽以及尾氣各組分特性，H2S/SO2比值分析儀宜采用紫外光吸收原理[3]。

(3)H2S/SO2比值分析儀能連續測量尾氣中的H2S含量、SO2含量、H2S/SO2比值、H2S-2SO2，且具備輸出四路4～20mADC信號至裝置DCS系統。

(4)分析儀應具備抗堵塞反吹特性，并能輸出儀表故障報警信號至裝置DCS系統。

(5)H2S/SO2比值分析儀光源壽命不低于5年，免除經常更換光源對測量的影響和減少備件的庫存。

(6)H2S/SO2比值分析儀的防護等級和防爆等級需符合裝置的要求。

2.2.2 主要技術指標

根據本裝置工藝條件，確定以下技術指標：

(1)測量范圍：

H2S：0V%～2V%(范圍可調)；SO2：0V%～1V%(范圍可調)；H2S/SO2：0～5(范圍可調)；H2S-2SO2：-5V%～5V%(范圍可調)；

(2)分析儀參數：

響應時間 (T90)：<10 秒；精度：H2S：≤2% F.S、SO2：≤2% F.S、H2S-2SO2：≤0.2% F.S；重復性：≤1% F.S；零點漂移(24小時)：<0.5%。

2.2.3 與其他專業的條件關系

分析儀廠商確定之后，需按照技術協議及廠商條件向相關專業提出分析儀正常運行所需的公用工程條件。

(1)向工藝及配管專業提蒸汽條件:比值分析儀需要一路1.0MPa、150℃飽和蒸汽進入分析儀公用工程輔助系統，由輔助系統將蒸汽分為三路：一路蒸汽用于探頭冷指，使得上升樣氣中的大部分含硫蒸汽冷凝成液態硫返回到工藝管道中；一路高壓蒸汽用于探頭頂部蒸汽伴熱，確保沒有固態硫析出；最后一路蒸汽用于進樣夾套球閥伴熱以及機柜的保溫。

(2)向電氣專業提用電條件: 一路220VAC,50HZ,1000W普通電源。

(3)儀表空氣條件：一路儀表風吹掃，壓力0.4～0.7MPa；儀表空氣條件在項目前期整個裝置統一規劃，向工藝專業提出儀表空氣的溫度、壓力、用量、質量要求等條件時，一并考慮比值分析儀的儀表空氣用量要求。

(4)分析儀帶分析柜，提條件給配管及結構專業，考慮安裝維護空間及荷載。

2.3 安裝調試存在的問題以及解決方案

在某項目中，由于比值分析儀供貨商未按設計文件要求的分工界面供貨，比值分析儀探頭、輔助系統、光譜分析系統均零散供貨至現場，且未配裝帶齊所有安裝材料，造成比值分析儀安裝幾經折騰，主要問題如下：

(1)某比值分析儀探頭上接口較多，在連接公用工程介質及與輔助系統、光譜系統時難免會出現失誤。由于此分析儀要求進入總管的是1.0MPa的飽和蒸汽，以確保經過輔助系統至探頭頂部的伴熱蒸汽品質。但裝置無法提供飽和蒸汽，為防止因伴熱影響探頭正常工作，將蒸汽管路稍作改動：單獨提供一路1.0MPa蒸汽從探頭H口， I口出，確保伴熱蒸汽品質；蒸汽總管壓力改為 0.4MPa，分別用于探頭除霧蒸汽與根部夾套球閥的伴熱。其余管路根據探頭以及分析柜上的字母標識連接。經與比值分析儀現場服務工程師多次溝通，形成安裝方案見圖5。

圖5 某品牌比值分析儀安裝示意圖

(2)進出分析柜的光纖孔是現場開孔，今后需明確分析系統集成商在制造過程中開孔，并做好密封處理。現場開孔程序復雜，且孔的大小與光纖不能完全匹配，漏空處用膠泥封住，存在破壞分析柜整體正壓通風防爆結構的風險。

(3)現場有機柜保溫的蒸汽進出口，但是在安裝手冊上無此安裝說明，現場指導安裝的工程師也建議在當地環境下無需機柜保溫，最終用法蘭蓋將開口盲住。今后需明確要求分析系統集成商按實際情況設計分析柜。

(4)由于分析儀各個組成部分是現場安裝的，所有的伴熱管線未提前做好保溫絕熱措施，并且忽略了此項工作，后期在開車投運前檢查時才發現管線未做好保溫絕熱措施，后由現場保溫施工人員完成保溫絕熱工作。

(5)比值分析儀調試前，檢查所有條件：啟動蒸汽伴熱，并確保蒸汽滿足要求；啟動儀表風，調節儀表風壓力；給系統上電，等待探頭預熱兩個小時以上，溫度達到150℃左右，即可開機進行系統調試。調試過程中發現由于除霧低壓蒸汽與球閥保溫共用一路伴熱及疏水, 除霧低壓蒸汽出口壓力低于蒸汽冷凝總管壓力，導致整個除霧低壓蒸汽回路被短路，管路無蒸汽流。為避免除霧失效，引起含硫尾氣堵塞取樣管路，將除霧低壓蒸汽F出口單獨排放，解決了該問題。

2.4 開車投運及日常維護

2.4.1 開車投運

按照比值分析儀投運要求，做好開車前準備工作，開車成功后將分析儀投運。以某品牌比值分析儀為例，投運時出現了一些問題：

(1)比值分析儀現場人機界面上有讀數，但DCS畫面無法顯示實測值，在現場運行“iotest”程序，現場給定一個輸出，給定的輸出能夠在DCS畫面顯示，由此判定是通道出現了故障。為此排查整個回路的接線及卡件，把I/O底板電源模塊摘除后，信號傳輸正常。這是由于分析儀已經單獨供了220VAC的UPS電源，電源線和信號線是分開的，信號輸出是無源輸出，底板帶電反而干擾信號傳輸。

(2)光譜能量偏低，導致測量數據亂跳。首先檢查探頭頂部高壓蒸汽質量，排除探頭鏡片污染導致的能量低。然后在現場人機界面上根據調整波段調整光譜能量，將光譜能量調整至1000～60000之間，調整后數據顯示穩定。

比值分析儀正式投運后，開車階段記錄的數據見表1。

表1 某品牌比值分析儀開車階段分析數據

由表1可以得出結論： H2S/SO2的值逐步趨近于2，開車投料初始階段，由于上游裝置來料流量不穩定，操作人員操作經驗不足，比值分析儀未投自動，H2S未能充分燃燒，濃度偏大，但隨著運行狀態的穩定，克勞斯反應參數趨于合理，H2S-2SO2的數值在零附近振蕩，達到工藝控制H2S與SO2比值2∶1的目的。該儀表在裝置運行以來，在燃燒控制中發揮了極大的作用，控制有效精確。

2.4.2 日常維護

日常維護主要包括：觀察分析儀人機界面中紫外光強度是否正常；檢查公用工程輔助系統的溫度、壓力是否滿足要求；定期檢查測量池透光鏡片是否被污染；定期清洗探頭、更換光源燈工作。

3 注意事項及改進之處

設計過程中的每一個環節對儀表的正常工作都有著重要的影響，注意事項和改進之處如下：

(1)在設計中要充分理清工藝流程需求，根據相關檢測儀表的測量原理、運行條件，選擇安全可靠、技術先進、性價比高的儀表。

(2)明確對比值分析儀的技術要求，與廠家簽訂技術協議時，需明確分析儀公用工程需求及交界面，并保持與其他相關專業的溝通和條件傳遞，確保滿足分析儀需求的公用工程條件，若不能滿足，則應共同商定其他可行方案，在技術協議中明確方案并形成書面文字，同時將形成的方案落實到各專業設計圖紙中，為后期施工安裝打好基礎。

(3) 明確要求分析儀必須集成一體密閉機柜供貨，并應提供分析儀安裝所需的全部附件，包括：管路、管件、法蘭、安裝托架等，裝配好全部的配管及接線，構成完整的系統供貨至現場；公用工程采用箱體固定的標準接入，不得散件到貨現場組裝；若實在無法滿足整體發貨的要求，則需提供詳細的安裝圖紙和所有的安裝材料，并提供現場安裝指導。

(4)要求分析儀廠家提供詳細的供貨節點計劃和各環節驗收工作，設計應全程參與，做好FAT工作，保證技術協議上的細節落到實處，避免現場施工過程中出現不必要的麻煩和更改。

(5)熟悉相關規范和程序文件，重視細節、改變固有的設計習慣，具體問題具體對待，總結經驗教訓，舉一反三。

4 結語

在硫磺回收裝置Claus燃燒爐應用比值分析儀參與燃燒配風控制，可有效提高硫的轉化率和回收率，從比值分析儀在某硫磺回收裝置的控制應用情況來看，響應時間快、測量準確、運行穩定，能夠較好地滿足克勞斯工藝控制需求，對提高硫的轉化率、保證裝置的平穩運行、保護環境等方面起到了重要作用。