硫回收裝置中比值分析儀存在的問題和解決方法

陳 怡 莊 際 張新華 陳力鈞

(南化集團研究院)

硫回收裝置中比值分析儀存在的問題和解決方法

陳 怡 莊 際 張新華 陳力鈞

(南化集團研究院)

總結了硫回收裝置中H2S/SO2比值分析儀使用中存在的問題，從儀表現狀到工藝參數關聯，逐個進行分析，針對性提出了有助于硫回收裝置中H2S/SO2分析儀的選擇和使用的相關辦法。

H2S/SO2分析儀 煤化工 “克勞斯”硫回收裝置

隨著環保理念日益深入人心和國家對環保法規的嚴格落實，以及煤化工裝置規模的不斷擴大，硫回收裝置在煤化工領域的作用愈發重要。硫回收“克勞斯”工藝要求控制H2S和SO2的比值為2∶1，從而達到理想的硫磺收率，減少廢氣排放。要達到H2S與SO2的合理比值，必須正確測量該參數，而實現該參數測量的分析儀，筆者從現狀、與工藝參數關聯和運行維護3個方面出發，就比值分析儀在使用過程中存在的這3個方面的問題進行分析，并提出一些解決方法[1,2]。

1 硫回收裝置比值分析儀的現狀

硫回收裝置比值分析儀的目的是測量“克勞斯”硫反應器后出硫捕集器的工藝氣體中的H2S與SO2濃度之比。從理論上講，一臺H2S分析儀和一臺SO2分析儀或一臺雙參數(H2S和SO2)分析儀都可以實現H2S與SO2的比值測量。目前市場中有多種H2S、SO2分析儀可供選擇來完成此項任務。但這些分析儀都會遇到一個硫回收裝置上不可回避的問題，就是工藝被測氣體中同時存在高溫飽和硫蒸氣和水蒸氣。這些高溫飽和硫蒸氣和水蒸氣在測量取樣過程、工藝變化過程和開停車過程中都有可能發生硫蒸氣和水蒸氣的遇冷析出。這些析出的硫和水如果積存在分析儀的傳感器上，對分析儀的測量可能是致命的[3]。因而選用的H2S與SO2的比值分析儀必須具有防止硫蒸氣和水蒸氣冷凝析出的功能，目前許多分析儀不能正常工作的原因，多是這個問題。目前適合硫回收裝置上選配的比值分析儀有以下幾種。

美國AMETEK 880和南化集團研究院的UV-Ⅱ比值分析儀均具有防止硫蒸氣和水蒸氣冷凝析出的功能。分析儀均采用紫外光度吸收法，采用相對簡單的濾光片加光電管作為接收元件。其特點是結構簡單，其長壽命的頻閃氙燈和可靠的防硫、防水設計是相當成熟和有效的。其周期工作的設計思路更有效保證了分析儀的長期穩定工作，目前使用廠家較多[4～6]。

加拿大 Galvanic943 硫磺比值分析儀和美國AAI的TLG837為“克勞斯”工藝設計了全新的全光譜光纖紫外尾氣分析儀系統，該系統可有效進行多組分的同時測量，提高了分析儀的用途。分析部分包括氘燈、樣品測量氣室和用CCD陣列作為紫外光檢測器的分光光度計。樣品測量氣室為一個額定長度的光通路，尾氣樣品流經氣室，光源通過光纖將紫外光送至氣室。光穿過氣室的氣體空間后，第2根光纖將光傳至分光光度計，CCD陣列把光轉換為電信號送至計算機從而得到分光光度計的光譜數據，計算出主要反應物H2S和SO2的濃度和及其他多種數據。分析儀與尾氣管相連，防止硫蒸氣的凝結。該系統的顯著特點是使用光纖和紫外CCD陣列檢測器這兩項新技術。但這種防硫技術仍有待于在實踐中驗證[7]。

目前也有一些用戶采用在線色譜來解決此問題[8]。例如將國產HZ3000型系列工業色譜儀應用于硫磺回收裝置尾氣在線測量。它采用帶反吹氣路的多柱系統方案，用主分離柱分析H2S和SO2的同時，吹掉H2O、S等雜質，可延長主分離柱和檢測器的壽命，儀表可運行半年以上。其取樣部分采用了內外兩層蒸汽加熱結構，內部為帶掛板和絲網的除硫器，使硫在除硫器內充分析出，其次是用蒸汽伴熱樣品管線，防止硫的凝結。采樣后分析器的樣品管線也要用熱風吹掃，柱系統用熱載氣吹掃。從已使用的情況看，防硫除硫效果不佳，分析儀數據重現性較差。

目前從各廠使用情況看，美國AMETEK 880分析儀相對比較成熟，分析儀的數據比較穩定和可靠，分析儀的運行經驗也比較多。其他類型的比值分析儀多因缺少可靠的防止硫蒸氣和水蒸氣的冷凝析出功能，而不能長期穩定運行。

2 比值分析儀測量值與工藝參數的關聯問題

在硫回收裝置中使用H2S/SO2比值分析儀的目的是控制“克勞斯”硫反應器后出硫捕集器的工藝氣體中H2S與SO2的比值,反饋調節燃燒爐空氣量以達到合理的H2S與SO2的比值。當燃燒爐出口氣體中H2S與SO2的比值為2∶1時，能獲得最佳效果[9]。使得硫回收率最大，H2S和SO2的排放最小。

但在實際使用中 H2S與SO2的比值并不一定是2∶1，其值隨裝置和工藝狀態是有一定變化的。同時比值分析儀提供的比值數據也存在一定的偏差，這些需要在生產中不斷摸索和調整。H2S與SO2的比值會受到以下多因素的影響：

a. 反應器溫度，有時為了保證H2S燃燒溫度不低于預定值，加大了空氣量，從而使SO2濃度偏高,使H2S與SO2的比值偏離2∶1；

b. 反應物料中H2S量偏小或H2S濃度偏低，進料沒有達到設計值，從而無法保證空氣量，這也會使H2S與SO2的比值偏離2∶1；

c. 從尾氣放空的安全考慮，對沒有尾氣加氫的流程，為了防止放空煙窗中的H2S濃度過高，人為加大空氣量，壓低放空煙窗中的H2S濃度；

d. 分析儀本身的誤差，使H2S與SO2的比值偏離2∶1。

因而目前關于實際操作中的H2S和SO2比值應控制于何值，是可以討論的，但應在1～3之間，這樣不會大幅偏離，具體值可根據裝置的操作情況而定，無需強求比值一定為2∶1。但無論H2S與SO2比值的高低， H2S和SO2的濃度與比值之間都存在一定的相關性[10]。

筆者提取了UV-Ⅱ型H2S/SO2比值分析儀在山東某化工廠“克勞斯”硫回收裝置中應用的數據，繪制圖1所示的曲線。分析儀安裝于二段反應器的硫冷凝器后，尾氣焚燒爐前的帶蒸汽加套工藝管道上。

圖1 H2S、SO2濃度及比值與時間序列關系

從圖1可以看出，隨著時間的變化，H2S濃度和SO2濃度變化呈相反趨勢，即H2S濃度增加時，SO2濃度減少，SO2濃度增加時，H2S濃度減少，反之亦同，這符合“克勞斯”反應。因為在“克勞斯”反應中，SO2是由H2S部分燃燒產生的，通過控制加入空氣量的多少可以控制SO2的產生比例，在原料氣濃度一定和生產工藝穩定的條件下，SO2生成量的增長必然帶來H2S剩余量的減少，反之亦然。故在“克勞斯”硫回收中改變配風量的大小時，經常可以看到 H2S濃度增長SO2濃度減少和SO2濃度增長H2S濃度減少的現象。在生產過程中隨空氣量的變化，H2S濃度和SO2濃度相反變化，則說明爐內的燃燒在可控范圍內，一旦H2S濃度和SO2濃度其中一個為零或一個變化而一個不變，則需要檢查相關工藝設備或者比值分析儀本身。

分析儀剛投運時H2S與SO2的比值變化比較大，工藝生產人員在運行一段時間，掌握一定規律后，分析儀運行日趨穩定，H2S與SO2的比值向2或某一值收窄，說明工藝設備運行趨于穩定。

將H2S濃度與SO2濃度之和作為y軸，將H2S與SO2的比值作為x軸，繪制成圖2。可以看到，當比值在1～3之間時，H2S濃度與SO2濃度之和呈最小值，此外H2S濃度與SO2濃度之和呈增大的趨勢。這也符合“克勞斯”制硫反應理想摩爾比的條件，即H2S與SO2的摩爾配比維持在2∶1時，硫的轉化率最高，剩余H2S和SO2的量最小，反之則有增大的趨勢。

圖2 H2S、SO2的濃度之和與比值的關系

自投運近一年來，工藝裝置穩定運行，分析儀表除正常的自動吹掃外，無人工清理，也無硫積聚的跡象，儀器運行正常。H2S與SO2的比值控制在0.5∶1.0左右，偏離了理論的2∶1。但SO2濃度、H2S濃度、H2S與SO2的比值與燃燒爐的配風緊密相關，滿足了生產的控制要求。

3 比值分析儀使用和維護中存在的問題與解決方法

目前國內許多硫回收裝置均配置了比值分析儀，特別是中石油和中石化系統中的大部分硫回收裝置均配置了AMETEK 880比值分析儀，但并非所有的AMETEK分析儀均取得滿意效果，相當一部分的分析儀存在各種問題，主要有以下幾方面：

a. 正壓配風系統工作不正常。比值分析儀的正壓防爆系統除了正壓防爆安全功能外，還有一個重要的作用是利用干凈的正壓儀表風防止現場的腐蝕性氣體進入儀表內部，影響內部件的使用壽命。許多工廠正壓防爆風壓力工作不正常，運行一段時間后，儀表故障明顯增加，分析儀內部腐蝕明顯，原因就是如此。因此必須重視分析儀的正壓防爆系統的正常工作，同時嚴格儀表風的除水、除塵凈化要求。

b. 內部溫度控制不正常。比值分析儀正常除硫、除水的主要工作原理是利用工藝樣氣在不同溫度下飽和度不同的原理。當樣氣溫度下降時樣氣中的硫和水會因過飽和而析出，當樣氣溫度上升時，原低溫下的飽和硫和水就會成為不飽和狀態。不飽和的樣氣就不易析出，也就不會影響儀表工作。因此比值分析儀內部的樣氣是在不同的溫度區域中經過，每一個區域的溫度都是嚴格控制的。任何一個溫度點的溫度控制不準確，都會影響除硫、防水的效果。因此在比值分析儀日常檢查中，要注意儀表內部各溫度的要求，及時調整設定值。

c. 儀表工作周期設置不正確。比值分析儀從輸出信號上看是一個連續在線測量儀表，但實際上其內部是分周期工作的，一般最少包括測量、吹掃、校驗3個周期。每個周期的長短是可根據用戶的需要作適當調整的。需要在信號的滯后、分析儀的零點漂移、光學測量系統的凈化之間作出平衡考慮，分配給不同的時間長度。不恰當的時間分配會引起分析儀的工作不正常。這方面需詳細閱讀分析儀說明書，并與分析儀制造廠商充分討論。

d. 儀表維護力量不足。比值分析儀相對較復雜，涉及多個專業知識，一般需專人負責。備品、備件數量多，價格高。如一臺AMETEK 880的年備品備件費平均在10萬元左右，供貨時間相對較長。因為缺少熟悉比值分析儀的維修人員，用戶難以準確確定故障部件，有些故障需要國外技術人員來解決，這也加大了維修費用。從這一點上看，必須建立AMETEK 880的國內維修隊伍，或采用國內生產的比值分析儀，以利用比值分析儀的制造廠來提供相關的技術支持，同時有可能大幅度降低備品備件的成本。這一點對許多煤化工或小型硫回收裝置來說更為重要，因為煤化工或小型硫回收裝置更多面臨頻繁開停車和原料氣不穩定的情況，這些變化需要及時對比值分析儀進行維護。

4 結束語

硫回收裝置使用比值分析儀是一個普遍的趨勢，比值分析儀的使用對穩定裝置運行效果也是比較明顯的，但穩定、有效使用好比值分析儀還需要多方面的合作和努力。

[1] 茅騏.成分分析儀在硫磺回收裝置上的選用[J].硫磷設計與粉體工程，2004,(1):44～46．

[2] 佟新宇.硫磺裝置硫比值分析儀的在線分析及應用控制[J].自動化儀表,2009,30(1):23～27．

[3] 李菁菁.硫回收及尾氣處理[J].煉油設計，1999，29 (8)：36～42．

[4] 李為民，符表靈，黃漢榮．880NSL比值分析儀在制硫裝置上的應用[J]．世界儀表自動化，2003,(6)：54～55．

[5] 任標，林麗梅，胡超．墊江分廠C1insulf-SDP硫磺回收裝置尾氣H2S、SO2分析方法探討[J].石油與天然氣化工，2006，35(2)：149～150,153．

[6] Cardis T M．Discret Sampling Approach for the H2S/SO2Analysis in Sulfur Recovery Plants[J]．Process Control and Quality，1994，2/3 (6):109～113．

[7] Saltzman R S，Hunt E B．Photometric Analyzer System for Monitoring and Control of the H2S/SO2Ratio in Sulfur Recovery Plants[J].ISA Transactions，1973，12(2):103～107．

[8] 祝強.硫磺回收工藝中H2S/SO2的工業色譜儀在線分析[J].石油化工環境保護，1996,(1)：62～63．

[9] 楊嘉玲.紫外H2S/SO2比例分析調節系統在渣油制氨裝置上的應用[J].化工自動化及儀表，1987，14(4)： 45～48．

[10] 陳怡，袁文章，莊際，等．H2S/SO2比值分析儀的應用[J].石油化工自動化，2010,46(1)：57～58．

陳怡(1964-)，高級工程師，從事在線分析儀器的開發工作，13357818255@163.com。

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