硫磺回收裝置制硫爐配風控制方案

趙鎖 宮春美(山東三維石化工程股份有限公司青島分公司，山東 青島 266071)

0 引言

隨著日益惡化的自然環境，世界各國都制定了越來越嚴格的環保法律及規范，特別是在中國，SO2等大氣污染物的排放要求越來越苛刻，環保要求對石化、煤化工等行業的SO2排放量的指標作出了更加嚴格的要求，同時高含硫的煤、石油等產品的加工也給企業提出了新的環保挑戰。

硫磺回收裝置是煉油廠的重要組成部分，此裝置處理全廠主裝置正常排放的酸性氣，是全廠環保達標的關鍵裝置，因此如何提高化工企業硫磺回收裝置的硫回收率，降低排放氣中的SO2含量，對于環保要求和提升企業的綜合效益都非常的關鍵。

1 克勞斯硫回收工藝簡介

目前硫磺回收裝置工藝路線比較成熟的克勞斯硫回收工藝，制硫部分采用克勞斯部分燃燒法處理酸性氣，此法是將全部原料氣引入制硫燃燒爐，在爐中按制硫所需的O2量嚴格控制配風比，使H2S 在爐中約65%發生高溫反應生成氣態硫磺。未反應的H2S 和SO2再經過轉化器，在催化劑的作用下，進一步完成制硫過程。對于含有NH3和少量烴類的原料氣用該法可將NH3和烴類完全分解為N2、CO2和H2O，使產品硫磺的質量得到保證。部分燃燒法工藝成熟可靠，操作控制簡單，能耗低，是目前國內外廣泛采用的制硫方法。

制硫燃燒爐是硫磺回收裝置的關鍵和核心設備，如何提高它的自動控制水平，是保證制硫燃燒爐能夠充分、高效、穩定的前提條件，它不單單是制硫工藝的核心要素，也是尾氣環保達標排放的關鍵所在。如何對制硫燃燒爐的進爐酸性氣和進爐主風的比例控制方案與進爐副風和H2S/SO2比值儀的串級控制方案優化，就能夠提高硫磺回收裝置的硫回收率。

克勞斯工藝制硫總的反應可以表示為：

在制硫燃燒爐內，上述反應是部分燃燒法的主要反應，反應比率隨爐溫變化而變化，爐溫越高平衡轉化率越高；除上述反應外，還進行以下主反應：

此過程中，無論是上述哪個反應，都是放熱反應，在反應過程中會釋放出大量的熱量，制硫燃燒爐內部的溫度會高達850℃以上(為提高NH3的燃燒和分解，帶有含氨酸性氣的制硫燃燒爐爐膛內的溫度會超過1250℃以上)。

在轉化器中發生以下主反應：

過程氣經過冷凝冷卻后，會分離掉大部分的液硫，并返回到制硫爐處的高溫摻和閥，與制硫燃燒爐內的高溫過程氣進行混合升溫，使之盡量達到轉化器中低溫催化反應所需的最佳反應溫度255℃左右，該方法是建立在原克勞斯工藝的基礎之上，通過改善制硫爐升溫的方法，通過高溫過程氣和低溫過程氣進行有效混合，而實現升溫的要求，從而滿足從制硫過程到尾氣過程的整個全部反應效果，整個過程中只有制硫燃燒爐和尾氣焚燒爐，在中間不需要有任何的提供外部能源的升溫設備，這樣就能夠有效地控制裝置內靜設備的總數量，簡化了操作流程，減少了過程氣的中間過程，能夠實現能耗和投資等方面有效降低。

由上述三個反應式可以看出，在制硫燃燒爐內，H2S 與SO2的比例越接近2:1 時，可保證轉化器中過程氣的硫化物最大限度地轉化為硫磺，因此嚴格控制配風比，使H2S/SO2的比值更加趨近于2:1，是硫回收裝置轉化率的關鍵。

2 制硫爐常用的配風方案

如圖1 所示，該方案是國內大部分克勞斯硫磺回收裝置中最常用的配風方案，其中空氣量的調節分為兩部分：其一是主風量隨酸性氣量變化構成比值控制系統，實現對空氣與酸性氣的配比進行粗調。主風量的比值是根據人工采樣分析酸性氣中的酸性氣組分和其它烴類組分的比值，通過計算得出H2S 轉化成SO2和烴類完全燃燒所需的空氣量，按照空氣量約67%來調節主風量，其二是 H2S/SO2在線比值分析儀與副風流量構成串級調節系統，進一步對空氣與酸性氣的配比進行修正，及時反饋尾氣中未充分燃燒的H2S 的濃度，及時校正反應中所需的空氣量，從而保證過程氣中 H2S/SO2比值始終為2:1。

圖1 制硫爐常用的配風方案

控制方案中主風和副風的控制器各有側重，相互配合，根據H2S/SO2比值分析儀、后面的氧化鋯分析儀、煙道氣SO2分析儀、以及各處的人工采樣點等分析數據，調節空氣供給量，保證反應后的過程氣中H2S/SO2比值趨近于2:1。本控制方案的關鍵是H2S/SO2比值分析儀，當酸性氣濃度在一定范圍內波動時，比值分析儀能夠很好的調節副風的流量，以實現H2S/SO2的比值始終接近于2:1，但是當酸性氣濃度波動較大時，比值分析儀就無法保證精確控制空氣量。所以要解決這個問題，就要實時監測進料酸性氣中H2S 的濃度，來及時調節主風的流量。這就引入了前饋調節和反饋調節的制硫爐調節方案。

3 制硫爐的前饋調節和反饋調節方案

為了使主風流量能夠對酸性氣的流量變化有一個快速反應，在設計的控制器中設置了一個燃燒酸性氣所需空氣流量的前饋控制，此前饋控制中增加了酸性氣中H2S 濃度的測量。

如圖2 所示，該方案在方案1 的基礎上增加了H2S 分析儀，用于酸性氣中H2S 濃度的測量，然后用此H2S 濃度通過與酸性氣流量進行計算，得出相應的需氧量，并反饋給主風進制硫爐的調節器，來實現對主風的流量控制，此種方法能夠很大的避免因酸性氣濃度變化而造成的硫磺回收裝置硫磺轉化率降低。這就是制硫爐的前饋調節和反饋調節方案。

圖2 制硫爐的前饋調節和反饋調節方案

但由于H2S 在線分析儀價格比較高，且維護量較大等因素，目前國內設計的硫磺回收裝置中H2S 在線分析儀的使用量還不是很多，多數硫磺回收裝置都是根據人工采樣來分析酸性氣中的H2S 濃度，然后通過人工計算來修改主風的比例系數K 值。

4 兩種方案的特點

兩種方案總體說來都是比較成熟的控制方案，它們都有著各自的特點，這也直接影響了它們在國內的硫磺回收裝置中的應用實例數量。下面就這兩種方案的特點做一個簡要的總結。

制硫爐常用的配風方案的特點：

(1)控制方案簡單，系統組態更便利；

(2)由于酸性氣中H2S 的濃度是人工采樣分析，在分析過程中能夠同時檢測出酸性氣中各種耗氧氣體的濃度(主要是各種烴類)，從而可以更好的人工計算出主風的比例系數K 值；

(3)會更低裝置的投資及維護成本；

(4)由于在操作過程中人工參與過多，大大增加了誤操作的可能性。

制硫爐的前饋調節和反饋調節方案的特點：

(5)能夠有效防止人為誤操作，減少操作人員的勞動強度，極大地提高生產效率；

(6)響應時間大幅降低，能夠及時的根據H2S 濃度自動調整主風流量；

(7)降低了操作人員經驗、技術水平及工作責任心等的要求；

(8)減少裝置的大幅波動，更好地保證裝置的穩定運行。

5 結語

在實際運行中，影響硫回收裝置硫回收率的因素還有很多，比如裝置進料流量和參數的波動、比值分析儀的使用效果、操作人員的實際操作經驗等，本文只是針對裝置中最關鍵的制硫爐配風方案進行了分析研究。

制硫爐配風方案對硫磺回收裝置的影響很大，采用何種控制方案需要根據項目的投資與收益綜合考慮后決定，它不僅涉及硫磺回收裝置的硫回收率，也涉及到整個工廠的環保工程。因為硫磺回收雖然不是一個主生產裝置，但是本裝置的穩定生產時其它主生產裝置運行的前提條件，現在的全國各地的環保形勢都非常嚴峻，為了整個公司的生產效益和環保要求，加強對硫磺回收裝置的操作和管理勢在必行。