硫回收裝置復雜控制系統(tǒng)、聯(lián)鎖系統(tǒng)和點火控制系統(tǒng)的設計

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 420223)

低溫甲醇洗裝置中副產(chǎn)的酸性氣體含有H2S氣體，由于無法達到環(huán)境排放的要求，該氣體無法直接排至大氣，從經(jīng)濟和節(jié)能環(huán)保的角度，需回收酸氣中的硫，使最終的尾氣排放符合國家規(guī)范的要求。

硫回收通常有兩個步驟，回收硫磺和生產(chǎn)硫酸。回收硫磺需設置硫回收裝置，而自動控制系統(tǒng)和聯(lián)鎖系統(tǒng)的正確設計將是硫回收裝置經(jīng)濟、環(huán)保和安全的保障。筆者將詳細介紹硫回收裝置中的復雜控制系統(tǒng)、聯(lián)鎖系統(tǒng)和點火順序控制及其聯(lián)鎖設計。

1 硫回收工藝

本文所講的硫回收工藝為國內三級克勞斯工藝，硫回收工藝主線：來自上游裝置酸氣，經(jīng)過預熱后，將約1/3的酸氣送入主燃燒爐中與空氣燃燒，剩余2/3的酸氣送入主燃燒室的后部，與前部燃燒后的氣體進行克勞斯催化反應，燃燒爐副反應中將產(chǎn)生少量的COS和CS2。燃燒爐生成的工藝氣體依次進入主燃燒爐廢鍋和硫冷凝器回收熱量，在工藝氣降溫的同時回收液硫。工藝過程氣體依次進入過程氣加熱器1、一級克勞斯反應器和一級硫冷凝器，過程氣加熱器2、二級克勞斯反應器和二級硫冷凝器，過程氣加熱器3、三級克勞斯反應器和三級硫冷凝器。在克勞斯反應器內，通過使用克勞斯催化劑，進行克勞斯催化反應，在硫冷凝器中，回收熱量，同時回收冷凝下來的液硫。尾氣引至尾氣焚燒爐，焚燒后的尾氣送至相應的處理裝置。為了保證主燃燒室的溫度達到900℃以上，在酸氣中H2S濃度較低的工況時，引入了一股燃料氣進入主燒嘴進行伴燒。

1.1 H2S的燃燒及轉化反應

部分含H2S的氣體與空氣中的氧氣在主燃燒爐進行燃燒，生成SO2，其反應如下：

H2S+3/2O2=SO2+H2O+熱量

(1)

1.2 轉化反應

殘留的H2S與SO2混合生成硫磺，用下列平衡反應式表示：

2H2S+SO2←→3/2S2+2 H2O+熱量

(2)

通過該反應，即克勞斯反應，在主燃燒爐和主燃燒室中生成氣相硫磺。

1.3 催化轉化反應

H2S與SO2在克勞斯反應器中，克勞斯反應平衡如下：

2H2S+SO2←→3/xSx+2H2O+熱量

(3)

通過使用克勞斯催化劑，使反應向硫磺側移動。一級和二級克勞斯反應器后的硫磺冷凝和脫除也使克勞斯反應向硫磺側移動，同時使下一步催化反應能生產(chǎn)更多的硫磺。

少量的COS和CS2在克勞斯反應器中，平衡反應式如下：

COS+H2O←→H2S+CO2+熱量

(4)

CS2+2H2O←→2H2S+CO2+熱量

(5)

1.4氣態(tài)硫在冷凝器中冷凝

氣態(tài)硫的冷卻冷凝過程可能發(fā)生下列反應：2S(氣) = S2(氣)；3S2(氣) = S6(氣)；4S2(氣) = S8(氣)；S8(氣)= 8/xSx

2 硫回收裝置的復雜控制系統(tǒng)

硫回收裝置的復雜控制系統(tǒng)主要包括進主燃燒爐酸氣流量復雜控制回路、主燃燒爐進口空氣和主燃燒爐空氣主風機放空復雜控制回路、克勞斯反應器入口過程氣溫度復雜控制回路、焚燒爐進口空氣和焚燒爐空氣主風機放空復雜控制回路。

2.1 進主燃燒爐酸氣流量復雜控制回路

理想的狀態(tài)：將約1/3的酸氣送入主燃燒爐中與等比例的空氣燃燒，H2S將燃燒生成SO2(見式1)；剩余2/3的酸氣送入主燃燒室的后部，酸氣中的H2S與主燃燒爐中燃燒生成SO2進行反應， H2S/SO2將接近最佳比例2∶1，進行轉化反應(見式2)；該比例也將保持到克勞斯反應器中，進行克勞斯催化反應(見式3)。

HC-002的輸出值為K(范圍0～1，正常為1/3)，F(xiàn)IC-002的給定值為FI-001測量值的1/3，通過控制主燃燒爐和主燃燒室酸氣送入量比例1∶2，使之滿足克勞斯反應最佳的H2S、SO2比例。進主燃燒爐酸氣流量復雜控制回路見圖1。

圖1 進主燃燒爐酸氣流量復雜控制回路

2.2 主燃燒爐進口空氣和主燃燒爐空氣主風機放空控制回路

主燃燒爐的進口空氣流量由兩路調節(jié)系統(tǒng)控制，90%的空氣總量由主路調節(jié)系統(tǒng)根據(jù)酸氣流量及組分的變化調節(jié)，10%的空氣總量由尾氣中H2S/SO2的比例變換調節(jié)，H2S/SO2的比例來自硫冷凝器出口分析點分析結果，通過這兩路調節(jié)系統(tǒng)，控制尾氣中H2S/SO2=2。

當硫冷凝器出口分析點的分項結果H2S/SO2<2時，說明主燃燒爐的進口空氣過量，1/3的酸氣內的H2S燃燒完全生成了SO2，同時過量的空氣進入主燃燒室，部分2/3的酸氣內的H2S燃燒生成了SO2，過多的SO2將進入尾氣，那么需要減少進入主燃燒爐的空氣量；當硫冷凝器出口分析點的分項結果H2S/SO2>2時，說明進口空氣量不足，H2S未充分燃燒，生成SO2的量過少，過多的H2S將進入尾氣，那么需要增加進入主燃燒爐的空氣量。主燃燒爐的進口空氣流量控制不好，將會造成尾氣中H2S或SO2的含量增加，既不經(jīng)濟，也不環(huán)保。

主燃燒爐需要的空氣量是由進主燃燒爐的1/3酸氣和燃料氣量決定的，主燃燒爐空氣主風機放空量是由進主燃燒爐的空氣和空氣主風機出口的空氣流量決定的。主燃燒爐進口空氣和主燃燒爐空氣主風機放空復雜控制回路見圖2，控制回路和相關的功能模塊如下。

圖2 主燃燒爐進口空氣和主燃燒爐空氣主風機放空復雜控制回路

2.2.1 FIC-007控制回路和相關的功能模塊

FY1-006計算輸出值為進主燃燒爐酸氣和燃料氣充分燃燒所需要的空氣量，該值定義為C，它是通過進主燃燒爐的1/3酸氣和燃料氣量計算出來的；手動空氣量分配模塊HC-005B輸出值為D，范圍0～1；FY1-005為乘法器，計算輸出值E=C×D，F(xiàn)Y1-005計算輸出值作為FIC-007給定值，F(xiàn)I-007作為FIC-007測量反饋信號，調節(jié)閥門FV-007的開度。

2.2.2 FIC-008控制回路和相關的功能模塊

HC-005A為H2S-2SO2值G(范圍0～2，正常為1)，該值來自硫冷凝器出口分析點分析結果；FY2-005計算輸出值為(1-D)，D為HC-005B輸出值；FY3-005為乘法器，計算輸出值H=C×(1-D)×G，F(xiàn)Y3-005計算輸出值作為FIC-008給定值，F(xiàn)I-008作為FIC-008測量反饋信號，調節(jié)閥門FV-008的開度。

2.2.3 FIC-004控制回路和相關的功能模塊

主風機出口空氣流量Q(Nm3/h)，Q為設定值，該值為主風機出口的正常流量，該流量為極端情況下的酸氣在主燃燒爐中充分燃燒所需的最大空氣量。FY4-005計算輸出值為主風機出口空氣量Q減去FY1-005計算輸出值和FY3-005計算輸出值，即Q-(E+H)，該值作為FIC-004的給定值。FY1-003為求和運算，F(xiàn)I-007的值為J， FI-008的值為L，F(xiàn)Y1-003計算輸出值為M=(J+L)，F(xiàn)Y1-004計算輸出值為(Q-M)，該計算輸出值作為FIC-004測量反饋信號，調節(jié)放空閥FV-004的開度。

2.3 克勞斯反應器入口過程氣溫度復雜控制回路

克勞斯反應器入口過程氣溫度決定最佳的轉化。一級克勞斯反應器溫度太低時，不能得到良好的COS和CS2轉化，合適溫度下的平衡反應式，詳見式(4)、(5)。二級和三級克勞斯反應器溫度太低時，硫蒸汽就會在觸媒床層冷凝，導致觸媒活性降低。溫度太高時，由于平衡向H2S和SO2側移動，H2S轉化率降低。一、二、三級克勞斯反應器進口的溫度均設置了溫度串級控制，溫度為主回路，加熱蒸汽的流量為副回路。克勞斯反應器入口過程氣溫度復雜控制回路見圖3。

圖3 克勞斯反應器入口過程氣溫度復雜控制回路

2.4 焚燒爐進口空氣和焚燒爐空氣主風機放空復雜控制回路

根據(jù)尾氣流量和燃料氣流量的總量，配置適量的空氣，讓尾氣和燃料氣充分燃燒。焚燒爐進口空氣和焚燒爐空氣主風機放空復雜控制回路見圖4。控制回路和相關的功能模塊如下。

圖4 焚燒爐進口空氣和焚燒爐空氣主風機放空復雜控制回路

2.4.1 FIC-014控制回路和相關的功能模塊

FYI-011計算輸出值為根據(jù)尾氣量計算所得空氣量A，分析儀分析出尾氣中H2S的含量，根據(jù)H2S的量計算出所需空氣量；FYI-012計算輸出值為燃料氣量計算所得空氣量B，分析儀分析出燃料氣中CO和CH4的含量，根據(jù)CO和CH4的量計算出所需空氣量。FY1-013為求和運算模塊，F(xiàn)Y1-013計算輸出值C=(A+B)，該值為尾氣焚燒和燃料氣燃燒所需的空氣總量。

FY2-013為FY1-013計算輸出值與K相乘的運算模塊，K范圍為0～1，F(xiàn)Y2-013計算輸出值為D=C×K，該值作為FIC-014給定來調節(jié)閥FV-014的開度。

2.4.2 FIC-015控制回路和相關的功能模塊

FY3-013為輸入值與(1-K)相乘的運算模塊，K值為FY2-013中的K值，F(xiàn)Y3-013計算輸出值為E=C×(1-K)，該值作為FIC-015給定來調節(jié)閥FV-015的開度。

2.4.3 FIC-016控制回路和相關的功能模塊

焚燒爐風機出口空氣流量為Q1(Nm3/h)，Q1為設定值，該值為焚燒爐風機出口的正常流量，該流量為極端情況下的尾氣在焚燒爐中充分焚燒所需的最大空氣量。FY4-013計算輸出值為(Q1-C)，該值作為FIC-016的給定值。FI-014的值為F， FI-015為G，F(xiàn)Y1-016計算輸出值為(Q1-F-G)，該計算輸出值作為FIC-016的測量反饋信號去調節(jié)放空閥FV-016的開度。

3 硫回收裝置聯(lián)鎖系統(tǒng)

硫回收裝置聯(lián)鎖系統(tǒng)主要有主燃燒爐和尾氣焚燒爐的聯(lián)鎖。

3.1 主燃燒爐聯(lián)鎖

3.1.1 主燃燒爐(Z101)聯(lián)鎖觸發(fā)條件

主燃燒爐廢鍋(E101)液位低低觸發(fā)聯(lián)鎖(LSLL-001、LSLL-002和LSLL-003三取二)；硫冷凝器(E113)液位低低觸發(fā)聯(lián)鎖LSLL-004；一級硫冷凝器(E102)液位低低觸發(fā)聯(lián)鎖LSLL-005；進主燃燒爐酸氣流量低低觸發(fā)聯(lián)鎖FSLL-023；主燃燒爐入口空氣流量低低觸發(fā)聯(lián)鎖FSLL-022；主燃燒爐入口空氣壓力高高觸發(fā)聯(lián)鎖(PSHH-001、PSHH-002和PSHH-003，三取二)。主燃燒爐聯(lián)鎖見圖5。

圖5 主燃燒爐聯(lián)鎖

3.1.2 主燃燒爐聯(lián)鎖結果

關閉閥門XV-001，切斷主燃燒爐入口酸氣；關閉閥門XV-002，切斷主燃燒爐入口燃料氣；關閉閥門XV-003，切斷主燃燒爐入口空氣。

3.1.3 聯(lián)鎖說明

為了防止主燃燒爐廢鍋殼程鍋爐給水燒干，危害設備的安全，當無法對工藝氣體降溫時，從可用性和安全性出發(fā)，在主燃燒爐廢鍋設置3臺液位計，采取三取二的方式，液位低低時觸發(fā)聯(lián)鎖；為了防止硫冷凝器殼程鍋爐給水燒干，危害設備的安全，無法對工藝氣體降溫，液位低低時觸發(fā)聯(lián)鎖；為了防止一級/二級硫冷凝器殼程鍋爐給水燒干，危害設備的安全，無法對工藝過程氣體降溫，液位低低時觸發(fā)聯(lián)鎖；當進主燃燒爐酸氣量少到一定程度時，整個裝置將處于超低負荷運行，許多參數(shù)將會超出儀表保證精度的測量范圍，裝置將不可控，為了防止出現(xiàn)此現(xiàn)象，酸氣流量低低時觸發(fā)聯(lián)鎖；當主燃燒爐入口空氣流量減少，無法滿足酸氣和原料氣燃燒所需時，克勞斯反應的最佳反應比例無法實現(xiàn)，無法高效的回收硫，同時，將有大量的H2S隨尾氣送至尾氣焚燒爐，非常不經(jīng)濟、不環(huán)保，為了防止出現(xiàn)此情況，入口空氣流量低低時觸發(fā)聯(lián)鎖；當主燃燒爐后續(xù)工藝流程中存在堵塞時，主燃燒爐入口空氣壓力將會上升，從可用性和安全性出發(fā)，在主燃燒爐入口空氣管道上設置3臺壓力變送器，采取三取二的方式，壓力高高時觸發(fā)聯(lián)鎖。

當上述的聯(lián)鎖條件觸發(fā)時，出于安全和合理性的需要，將關閉主燃燒爐入口酸氣、燃料氣和空氣的切斷閥，主燃燒爐將熄火，斷絕由于上述聯(lián)鎖原因可能造成的危害或浪費。

3.2 尾氣焚燒爐聯(lián)鎖

3.2.1 尾氣焚燒爐聯(lián)鎖觸發(fā)條件

焚燒爐廢鍋液位低低觸發(fā)聯(lián)鎖(LSLL-011、LSLL-012和LSLL-013三取二)，尾氣焚燒爐入口空氣壓力高高觸發(fā)聯(lián)鎖PSHH-011。尾氣焚燒爐聯(lián)鎖見圖6。

圖6 尾氣焚燒爐聯(lián)鎖

3.2.2 尾氣焚燒爐聯(lián)鎖結果

關閉閥門XV-004，切斷尾氣焚燒爐入口燃料氣；關閉閥門XV-005，切斷尾氣焚燒爐入口燃空氣。同時，關閉閥門XV-001，切斷主燃燒爐入口酸氣；關閉閥門XV-002，切斷主燃燒爐入口燃料氣；關閉閥門XV-003，切斷主燃燒爐入口空氣。

3.2.3 聯(lián)鎖說明

為了防止焚燒爐廢鍋殼程鍋爐給水燒干，危害設備的安全，無法對尾氣降溫，從可用性和安全性出發(fā)，在焚燒爐廢鍋設置3臺液位計，采取三取二的方式，液位低低時觸發(fā)聯(lián)鎖；當焚燒爐后續(xù)工藝流程中存在堵塞時，尾氣焚燒爐入口空氣壓力將會上升，壓力高高時觸發(fā)聯(lián)鎖。

當上述的聯(lián)鎖條件觸發(fā)時，出于安全的需要，將關閉焚燒爐入口燃料氣和空氣的切斷閥，焚燒爐將熄火，斷絕由于上述聯(lián)鎖原因可能造成的危害。同時，將關閉主燃燒爐入口酸氣、燃料氣和空氣的切斷閥，主燃燒爐將熄火，不再產(chǎn)生尾氣。

4 點火順序控制及其聯(lián)鎖設計

點火順序控制和聯(lián)鎖設計主要是指主燃燒爐和尾氣焚燒爐點火順序控制和點火成功后升溫至要求值的聯(lián)鎖。主燃燒爐點火見圖7，尾氣焚燒爐點火見圖8。

圖7 主燃燒爐點火

圖8 尾氣焚燒爐點火

4.1 主燃燒爐和尾氣焚燒爐點火順序控制

主燃燒爐和尾氣焚燒爐點火順序控制見圖9。

圖9 主燃燒爐和尾氣焚燒爐點火順序控制

4.1.1 主燃燒爐點火順序控制說明

允許點火指示燈亮起的條件：①尾氣焚燒爐點火成功后；②主燃燒爐主風機運行，并且將空氣送至切斷閥XV-003前，閥門XV-003關閉，切斷主燃燒爐入口空氣；③閥門XV-001關閉，切斷主燃燒爐入口酸氣；④閥門XV-002關閉，切斷主燃燒爐入口燃料氣；⑤主燃燒爐廢鍋液位正常(LI-001、LI-002和LI-003正常)，硫冷凝器液位LI-004正常；⑥燃燒爐中惰性氣體置換合格；⑦煙氣系統(tǒng)暢通。

爐膛吹掃的時間是按不少于5倍爐膛體積的吹掃量計算所得，一般大于10 min。預設燃料氣和空氣的流量是通過設置燃料氣調節(jié)閥(FV-024)和空氣調節(jié)閥(FV-028)的開度來實現(xiàn)的，燃料氣主管線上的開關閥(XV-002)和空氣主管線上的開關閥(XV-003)為關閉狀態(tài)，當點火槍點火時，打開燃料氣和空氣主管線上的開關閥。

4.1.2 尾氣焚燒爐點火順序控制說明

允許點火指示燈亮起的條件：①焚燒爐主風機運行，并且將空氣送至切斷閥XV-005前，閥門XV-005關閉，切斷尾氣焚燒爐入口燃空氣；②閥門XV-004關閉，切斷尾氣焚燒爐入口燃料氣；③焚燒爐廢鍋液位正常(LI-011、LI-012和LI-013正常)；④尾氣焚燒爐中惰性氣體置換合格；⑤煙氣系統(tǒng)暢通。

爐膛吹掃的時間和預設燃料氣和空氣的流量方法與主燃燒爐的相似，這里不再贅述。

4.2 主燃燒爐和尾氣焚燒爐點火成功后升溫至要求值過程中的聯(lián)鎖

4.2.1 主燃燒爐

主燃燒爐點火成功后升溫至要求值的過程中，火焰熄滅，主燃燒爐火焰檢測器(BA-011或 BA-012)未檢測到火焰，聯(lián)鎖關閉燃料氣調節(jié)閥(FV-024)和空氣調節(jié)閥(FV-028)，同時切斷燃料氣開關閥(XV-002)和酸氣開關閥(XV-001)。該聯(lián)鎖發(fā)生，說明此次點火失敗，需重新點火。

4.2.2 尾氣焚燒爐

尾氣焚燒爐點火成功后升溫至要求值的過程中，火焰熄滅，尾氣焚燒爐火焰檢測器(BA-021或BA-022)未檢測到火焰，聯(lián)鎖關閉燃料氣調節(jié)閥(FV-012)和空氣調節(jié)閥(FV-018)，同時切斷燃料氣(XV-004)和空氣開關閥(XV-005)。該聯(lián)鎖發(fā)生，說明此次點火失敗，需重新點火。

5 結語

本文介紹的硫回收裝置復雜控制系統(tǒng)、聯(lián)鎖系統(tǒng)和點火順序控制及其聯(lián)鎖設計已在某些項目中實施，并進行了針對性修改和完善。在實際工程設計中，硫回收工藝流程、主燃燒爐構造和尾氣焚燒爐構造等不同，硫回收裝置中的復雜控制系統(tǒng)、聯(lián)鎖系統(tǒng)和點火順序控制及其聯(lián)鎖設計將是有區(qū)別的。對于點火順序控制及其聯(lián)鎖來說，最基本的要求是點火正常和點火安全；對于硫回收裝置復雜控制系統(tǒng)來說，最基本的要求是使反應氣體達到最佳的克勞斯反應比例和最佳轉化溫度，工藝過程氣體將充分反應，尾氣達標；對于聯(lián)鎖系統(tǒng)來說，最基本的要求是確保硫回收裝置安全生產(chǎn)、環(huán)保和節(jié)能。設計人員可在最基本的要求上，最終完成更合理的硫回收自動控制設計。