硫磺回收自控裝置主要控制邏輯設計應用

徐揚(上海河圖工程股份有限公司武漢分公司，湖北 武漢 430000)

1 概述

隨著我國國民經濟持續、快速發展，能源需求量明顯加大，原油進口數量逐年增加，尤其是含硫原油進口量大幅上升。隨著進口原油資源重質化和硫含量不斷增高，加工深度和產品質量要求不斷提高以及對環保要求日趨嚴格，硫在原油加工過程中存在極大的危害，如不及時將其脫除將嚴重腐蝕設備，影響裝置的長周期運行。同時硫的存在也嚴重影響產品質量，各國對油品中的硫含量均有嚴格的標準。我國對與油品中含硫含量的排放量相關規定：

在GB 18352.6—2016(簡稱：國六標準)《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》中，環保指標進一步加嚴，其中硫含量從50×10-6降到10×10-6以下。

GB 31570—2015 《石油煉制工業污染物排放標準》中，對SO2排放濃度有嚴格規定。工藝加熱爐SO2排放量<50 mg/m3；催化裂化催化劑再生煙氣SO2排放量<50 mg/m3；酸性氣回收裝置SO2排放量<100 mg/m3。

因此必須對煉油過程中的硫進行脫除并加以回收，以減輕或避免其直接排放造成的環境污染。

硫磺回收裝置的作用就是對煉油過程中產生的含有硫化氫的酸性氣，采用適當的工藝方法回收并形成副產物硫磺，實現清潔生產，變廢為寶，降低污染，保護環境的目的。同時滿足產品質量要求、降低腐蝕，實現裝置長周期安全生產等諸多方面要求。

2 主要工藝簡述

2.1 CLAUS 部分

2.1.1 熱反應階段

酸性氣燃燒爐，簡稱：酸爐。將含有H2S 的酸性氣和由鼓風機來的預熱至160 ℃的空氣在燃燒爐內進行不完全燃燒，酸性氣進料中約有1/3 的H2S 酸爐中與預熱空氣燃燒轉化成SO2。嚴格控制風量，使H2S燃燒后生成的SO2量滿足H2S/SO2分子比等于或接近2,剩余2/3 的H2S 和SO2在高溫下反應生成元素硫。靠重力經專用的硫封排至液硫槽。

反應化學式如下[1]：

酸爐是Claus 法制硫工藝中最重要的設備。酸爐由酸性氣燃燒器和爐膛組成。

酸性氣燃燒器是酸性氣燃燒爐中的核心設備，其性能直接影響裝置的硫回收率及產品質量，燃料氣，酸性氣，助燃空氣通過燃燒器，以一定的形式混入后噴入火嘴及爐膛發生燃燒反應。

2.1.2 催化反應段

離開制硫燃燒爐的燃燒產物在余熱鍋爐中冷卻到330 ℃，產生高壓飽和蒸氣。

離開制硫燃燒爐余熱鍋爐的過程氣在一級硫冷凝器中冷卻到170 ℃左右。同時在冷凝器中產生低壓蒸氣。燃燒爐中產生的液硫在冷凝器中冷凝，一級硫冷凝器出口管箱設有除霧器，脫除過程氣中夾帶的像霧一樣的液硫。靠重力經專用的硫封排至液硫槽。

離開冷凝器的過程氣進入隨后經內部產生的飽和高壓蒸氣在加熱器內加熱至235 ℃，進入相關的一級轉化器(一轉), 在此繼續進行H2S 和SO2的Claus反應，直到在出口條件下達到平衡。

離開一轉的過程氣約310 ℃，進入二級硫冷凝器中冷卻到170 ℃左右。同時在冷凝器中產生低壓蒸氣。產生的蒸氣送至內部低壓飽和蒸氣總管。一轉反應器產生的液硫在冷凝器中冷凝，二級硫冷凝器出口管箱設有除霧器，脫除過程氣中夾帶的像霧一樣的液硫。靠重力經專用的硫封排至液硫槽。

過程氣隨后送至二轉入口加熱器，由內部產生的飽和高壓蒸氣加熱至210 ℃進入二級轉化器，在此繼續進行H2S 和SO2的Claus 反應，直到在出口條件下達到平衡。

離開二級轉化器的過程氣溫度231 ℃，進入三級硫冷凝器的管程進行最后的冷卻，回收二級轉化器中產生的液硫。靠重力經專用的硫封排至液硫槽。

離開三級硫冷凝器的過程氣進入尾氣捕集器，尾氣捕集器進一步脫除過程氣中液硫霧氣。捕集到的硫靠重力經專用的硫封排至液硫槽，剩余過程氣送至尾氣處理裝置部分。

2.2 加氫部分

離開三級硫冷凝器的尾氣溫度約130 ℃，加熱到適當溫度后進入加氫反應器進行加氫反應和水解反應。在催化劑作用下，過程氣中的硫及硫化物幾乎全部轉變成H2S。

2.3 急冷吸收再生部分

2.3.1 急冷部分

離開加氫反應器的過程氣進入急冷塔，將過程氣冷卻，過程氣中含有的水絕大部分冷凝下來。溫度降低有利于H2S 在氨液吸收塔中的吸收。

為了達到理想的操作條件，設有H2/H2S 分析儀檢測離開急冷塔的過程氣中殘留的H2/H2S 含量，確保Claus 部分產生的尾氣中含有還原反應所需的氫氣。

2.3.2 吸收部分

離開急冷塔的過程氣溫度39 ℃，進入氨液吸收塔。吸收塔中的吸收介質貧氨液能脫除進料氣體中含有的全部H2S 和8%左右的CO2。處理后的過程氣體進入尾氣焚燒爐。吸收塔塔頂出口管線上設有分析儀進行H2S 監測。

貧氨液在吸收塔中吸收過程氣生成富氨液后送至氨液再生部分。

2.3.3 氨液再生部分

吸收了H2S 和CO2的富氨液預熱后，送至氨液再生塔。在氨液再生塔中利用再沸器中產生的水蒸汽，從富氨液中提取所吸收的H2S。再生塔酸性氣作為原料返回Claus 部分，再生后的貧氨液返回吸收塔循環使用。

2.4 尾氣焚燒部分

各方來的排放氣經尾氣焚燒爐(簡稱：尾爐) 進行熱焚燒，使硫化物焚燒為SO2，焚燒爐煙道經蒸汽過熱器和余熱鍋爐冷卻到約350 ℃后經煙囪排放至大氣。煙囪配有CEMS 分析儀用于監測排放污染物含量是否超標。

3 自控聯鎖保護邏輯及復雜控制回路設計

裝置設有聯鎖保護邏輯及復雜控制回路程序，保證裝置平穩有序生產。復雜控制回路程序包括酸性氣焚燒爐配風控制、尾爐配風控制、余熱鍋爐三沖量控制以及聯鎖保護邏輯。

3.1 酸性氣焚燒爐配風控制

自酸性水氣提裝置來酸性氣與裝置內再生酸性氣混合進入酸性氣燃燒器中。燃燒空氣由燃燒爐鼓風機供給，進入主燃燒器的全部燃燒空氣被分為2 部分：主風控制；微風控制。其中主風控制約占總風量的80%～90%，微風控制約占總風量的10%～20%。

3.1.1 主風控制

圖1為主風控制示意圖。

圖1 酸性氣焚燒爐主風控制圖

在酸性氣燃燒工況下，將酸性水汽提酸性氣流量值經比值運算器運算后計算得出所需的燃燒空氣摩爾數，再生酸性氣流量值經比值運算器計算得出所需的對應燃燒空氣摩爾數。兩路酸性氣所需的對應燃燒空氣摩爾數之和為酸性氣燃燒工況下的所需空氣摩爾數總和。將該總和的瞬時值除以該總和的最大值并乘以100%轉換成百分比值。

燃料氣燃燒工況，燃料氣流量值經比值運算器計算得出燃料氣流量所需的燃燒空氣摩爾數。將該瞬時值除以該總和的最大值并乘以100%轉換成百分比值。

操作人員通過選擇相對應的工況，將所選擇值乘以主風量控制回路SP 的刻度值后作為主風控制回路的給定值，繼而控制主風控制閥開度來調節主路空氣量。

主風控制的目的在于，嚴格把控風量，保證高的硫轉化率。使酸性氣中1/3 的H2S 燃燒生成SO2, 剩余的H2S 與SO2反應轉化成單質硫。

過量的氧會造成與單質硫反應生成SO2,降低硫的轉化率。氧含量不足時，燃燒物質中的烴化物不能完全燃燒，會造成結焦、污染硫，嚴重時會造成爐膛后堵塞，必須停車處理。結焦的碳黑還會污染催化反應工段的催化劑。

3.1.2 微風控制

圖2所示為微風控制示意圖。

圖2 酸性氣焚燒爐微風控制圖

根據設置在尾氣捕集器出口管線上的H2S/SO2比值分析儀調節微風空氣量。目的使捕集器出口管線上的H2S/SO2比值為2, 來控制風量。比值太高或太低都不利于催化反應段的硫轉化率，從而導致尾氣中的H2S 和SO2含量大幅增加，不利于硫的轉化。需要注意的是在主回路控制中需將公式H2S/SO2=2 變換為H2S-2SO2=0 來計算。

該復雜控制目的在于：

(1)使進入燃燒器的酸性氣中1/3 的H2S 燃燒反應生成SO2，使60%～70%的H2S 在燃燒爐中轉化為硫。(2)提高燃燒溫度，對硫轉化有利。(3)燃燒反應氣中的所有烴類。(4) 溫度越高越可以抑制副反應CS2的產生，利于硫回收。燃燒器達到1 300 ℃時，就不會產生CS2。(5)完全分解酸性氣中的氨，在燃燒器達到1 300～1 350 ℃的情況下，NH3分解后可保證過程氣中NH3的含量小于15×10-6。(6) 如需補充燃料氣進行助燃，可通過選擇模式來完成燃燒過程。(7)H2S 與空氣非完全燃燒，與空氣(O2)比例控制，燃燒目標是使過程氣中H2S/SO2達成2∶1 關系。在這樣的比例關系下過程氣在催化轉化時會得到較高的硫轉化率。

3.2 尾爐配風控制

各工段來排放氣在尾爐進行熱焚燒，使硫化物焚燒產生SO2排放濃度符合國家排放標準。

該控制主要根據燃料氣的流量經比值運算器計算得出所需的對應燃燒空氣摩爾數。將該值乘以燃燒空氣控制回路SP 的刻度值后作為燃燒空氣控制回路給定值，繼而控制燃燒空氣控制閥開度來調節焚燒爐空氣量[2]。尾爐配風控制圖如圖3 所示。

圖3 尾爐配風控制圖

3.3 余熱鍋爐三沖量控制

硫磺回收裝置中設有余熱鍋爐來回收生產過程中產生的余熱。為控制汽包進水量采用了三沖量液位控制方案，目的是為避免虛假液位對汽包控制的影響。余熱鍋爐三沖量控制圖如圖4 所示。

4 聯鎖保護邏輯

設置恰當的聯鎖停車邏輯，可以降低裝置惡性事故發生的概率，避免重大人身傷害，重大設備損壞的事故發生[3]。

4.1 CLAUS 聯鎖停車邏輯

聯鎖條件：

(1) 酸爐入口主風流量低低報警(a)；(2) 酸爐汽包液位低低報警(a)；(3)酸爐硫冷凝器液位低低報警(a)；(4)酸爐壓力低低報警(a)；(5)酸爐壓力高高報警(b)；(6)酸爐主火焰故障(a)；(7)酸爐入口酸性氣流量低低報警(c)；(8)酸爐酸性氣分液罐流量液位高高報警(c)；(9)酸爐入口燃料氣流量低低報警(d)；(10)燃料氣分液罐流量液位高高報警(d)；(11) 酸爐長明燈火焰故障(e)；(12) 酸爐長明燈燃料氣壓力低低報警(e)；(13)酸爐長明燈空氣壓力低低報警(e)；(14)尾爐停車-一般延時啟動(a)。

聯鎖條件(a)觸發聯鎖時，將導致CLAUS 全停車。聯鎖結果為：(1)酸爐酸性氣閥切斷；(2)酸爐燃料氣閥切斷；(3)酸爐空氣閥切斷；(4)酸爐氮氣閥打開；(5)酸爐燃急冷蒸汽閥切斷；(6)酸爐長明燈燃料氣閥切斷。

聯鎖條件(b)觸發聯鎖時，除氮氣吹掃閥不動作外，其余閥門均聯鎖動作，將導致Claus 全停車。聯鎖結果為：(1)酸爐酸性氣閥切斷；(2)酸爐燃料氣閥切斷；(3)酸爐空氣閥切斷；(4)酸爐氮氣閥打開；(5)酸爐燃急冷蒸汽閥切斷；(6)酸爐長明燈燃料氣閥切斷；(7)酸爐長明燈空氣閥切斷；(8)酸爐燃料氣線氮氣閥打開。

聯鎖條件(c)觸發聯鎖時，當處于酸性氣操作工況下，將導致Claus 全停車，否則不停車。聯鎖結果為：(1)酸爐酸性氣閥切斷；(2)酸爐燃料氣閥切斷；(3)酸爐空氣閥切斷；(4) 酸爐氮氣閥打開；(5) 酸爐急冷蒸氣閥切斷；(6) 酸爐長明燈燃料氣閥切斷；(7) 酸爐長明燈空氣閥切斷；(8)酸爐燃料氣線氮氣閥打開。

聯鎖條件(d)觸發聯鎖時，當處于燃料氣操作工況下，將導致Claus 全停車，否則不停車。聯鎖結果為：(1)酸爐酸性氣閥切斷；(2)酸爐燃料氣閥切斷；(3)酸爐空氣閥切斷；(4) 酸爐氮氣閥打開；(5) 酸爐急冷蒸汽閥切斷；(6) 酸爐長明燈燃料氣閥切斷；(7) 酸爐長明燈空氣閥切斷；(8)酸爐燃料氣線氮氣閥打開。

聯鎖條件(e)觸發聯鎖時，當裝置僅剩長明燈火火焰時，該條件觸發將導致CLAUS 全停車。聯鎖結果為：(1)酸爐酸性氣閥切斷；(2)酸爐燃料氣閥切斷；(3)酸爐空氣閥切斷；(4)酸爐氮氣閥打開；(5)酸爐急冷蒸汽閥切斷；(6) 酸爐長明燈燃料氣閥切斷；(7) 酸爐長明燈空氣閥切斷；(8)酸爐燃料氣線氮氣閥打開。

當酸爐主火焰正常時，該條件觸發不會引起CLAUS 全停車，僅導致聯鎖結果：(1) 酸爐長明燈燃料氣閥切斷；(2) 酸爐長明燈空氣閥切斷；(3) 酸爐燃料氣線氮氣閥打開。

4.2 尾氣焚燒聯鎖停車邏輯

聯鎖條件：(1)尾爐溫度高高報警(a)；(2)蒸氣過熱器流量低低報警(a)；(3)蒸氣過熱器溫度高高報警(a)；(4) 尾爐氣包液位低低報警(a)；(5) 燃料氣分液罐流量液位高高報警(a)；(6)尾爐空氣流量低低報警(a)；(7)尾爐空氣壓力低低報警(a)；(8)尾爐燃料氣壓力低低報警(a)；(9)尾爐主火焰故障(a)；(10)尾爐長明燈火焰故障(b)；(11) 尾爐長明燈燃料氣壓力低低報警(b)；(12)尾爐長明燈空氣壓力低低報警(b)。

聯鎖條件(a)觸發聯鎖時，將導致尾氣焚燒全停車。聯鎖結果為：(1)尾爐燃料氣閥切斷；(2)尾爐空氣閥置為吹掃開度；(3) 尾爐長明燈燃料氣閥切斷；(4)尾爐長明燈空氣閥切斷；(5)尾爐燃料氣線氮氣閥打開；(6) 關閉鍋爐給水至減溫器切斷閥；(7) 關閉蒸汽總管來補氣切斷閥。

聯鎖條件(b)觸發聯鎖時，當裝置僅剩長明燈火火焰時，該條件觸發將導致尾氣焚燒全停車。聯鎖結果為：(1) 尾爐燃料氣閥切斷；(2) 尾爐空氣閥置為吹掃開度；(3) 尾爐長明燈燃料氣閥切斷；(4) 尾爐長明燈空氣閥切斷；(5) 尾爐燃料氣線氮氣閥打開；(6) 關閉鍋爐給水至減溫器切斷閥；(7)關閉蒸汽總管來補氣切斷閥。

當尾爐主火焰正常時，該條件觸發不會引起尾氣焚燒全停車，僅導致聯鎖結果為：(1)尾爐長明燈燃料氣閥切斷；(2) 尾爐長明燈空氣閥切斷；(3) 尾爐燃料氣線氮氣閥打開。

通常，停車邏輯中還設有手動緊急停車按鈕。方便操作人員在緊急狀況下操作。此按鈕應設置一定權限，避免誤操作。

5 結語

本方案通過采用國際領先的工藝技術，并適當引進專利技術、工藝包和關鍵設備，使得裝置在適應性和可操作性、硫回收率、產品質量、能耗指標等方面均達到了新的較高水平。