硫化氫制酸焚燒爐的模擬分析

李召召，陳維海，陳未來，程 蕾，顧曉強，蔡 成，孟祥龍

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海 201108)

石油、天然氣生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量以硫化氫為主要成分的酸性氣體，這部分酸性氣在焚燒爐過氧燃燒生成富含SO2的煙氣，然后通過干法或濕法工藝制酸[1]。這從根本上解決了石油、天然氣生產(chǎn)過程中副產(chǎn)硫化氫氣體的污染問題，并且使硫資源得到有效利用。焚燒爐的溫度高時，要求焚燒爐的襯里耐熱性能好；焚燒爐溫度低時，二氧化硫濃度低，三氧化硫濃度高，硫酸產(chǎn)量低，因此焚燒爐溫度是反映燃燒質(zhì)量的一個重要指標(biāo)。在硫化氫濃度一定時，影響爐膛和爐尾溫度的主要因素是配風(fēng)比。雙閉環(huán)比值控制以硫化氫為主參數(shù)，燃燒風(fēng)為副參數(shù)的控制方案(固定配風(fēng)比)能滿足硫化氫組分的濃度波動不大時焚燒爐的控制要求。然而，煉油廠酸性氣硫化氫濃度通常波動較大，其濃度通常在60%～70%范圍波動，有時甚至低至50%或高達(dá)80%。由于進(jìn)料組份特別是H2S和CxHy變化會顯著影響焚燒爐溫度，必須及時地調(diào)整配風(fēng)比。考慮到爐尾溫度波動范圍比爐內(nèi)小，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定，采用爐尾溫度作為主調(diào)節(jié)的第三參數(shù)，與比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成串級比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過溫度控制回路給出一個調(diào)節(jié)系數(shù)來改變配風(fēng)比。這樣既可以在H2S和CxHy濃度波動時保證硫化氫充分燃燒，又有利于下游余熱鍋爐的穩(wěn)定運行[2-4]。

本文分別使用Aspen Plus軟件和Hysys軟件建立了焚燒爐的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)模型。先通過穩(wěn)態(tài)模擬來分析不同溫度下焚燒爐出口的組分，來選擇合適的焚燒溫度，再模擬計算硫化氫濃度在50%～80%范圍變動時，固定配風(fēng)比時焚燒爐出口溫度的變化和固定焚燒爐溫度時配風(fēng)比的變化。再通過動態(tài)模擬來分析了H2S濃度60%～70%和CxHy濃度0%～3%劇烈波動時焚燒爐溫度的動態(tài)響應(yīng)。

1 硫化氫制酸焚燒爐的穩(wěn)態(tài)模擬

圖1 用ASPEN PLUS軟件對焚燒爐建模

焚燒爐的Aspen Plus模型見圖1，焚燒爐模塊采用Gibbs反應(yīng)器單元進(jìn)行模擬，它作為一個基于Gibbs自由能最小化原理的反應(yīng)器，求得焚燒爐的出口組成和溫度。本文建模時選用PENG-ROB物性方法，環(huán)境溫度取25℃。焚燒爐處理酸性氣：流量2898 Nm3/h；含H2S 65%、CO221%、N210%、C2H63%，NH31%。初步設(shè)計焚燒爐內(nèi)徑φ3000 mm，長度12500 mm。焚燒爐溫度通過“設(shè)計規(guī)定”來約束，通過調(diào)節(jié)空氣量使焚燒爐出口煙氣達(dá)到設(shè)定溫度。焚燒爐散熱損失通過傳熱計算，經(jīng)計算焚燒爐溫度700、800、900、1000、1100、1200、1300℃對應(yīng)的散熱損失分別為129、149、169、188、208、228、248 kW。

圖2 煙氣中SO2和SO3流量與焚燒爐溫度的關(guān)系

分別設(shè)定焚燒爐溫度為700、800、900、1000、1100、1200、1300℃，所對應(yīng)的配風(fēng)比和焚燒爐出口SO2和SO3流量見圖2。由圖2可以看出，隨著配風(fēng)比由18.33降至7.69，焚燒爐溫度從700℃升至1300℃。當(dāng)焚燒爐溫度從700℃升至1100℃時，煙氣中SO2流量迅速升高，SO3流量迅速降低；當(dāng)焚燒爐溫度1100℃升至1300℃，煙氣中SO2流量升高速度趨緩，SO3流量降低速度趨緩。較高的SO2流量有助于提升硫酸產(chǎn)量，因此較高的溫度是有利的，但是這對焚燒爐的設(shè)計和襯里選材提出了更高的要求。再加上焚燒爐內(nèi)溫度分布不均勻，通常焚燒爐尾部工作溫度設(shè)為1100℃，爐內(nèi)高溫區(qū)域溫度也可能達(dá)到1200℃以上。綜上，H2S焚燒爐設(shè)計時考慮將溫度控制在1100℃，此時對應(yīng)的配風(fēng)比為9.62。

若酸性氣中H2S濃度在65%附近波動不大，H2S焚燒爐采用雙閉環(huán)比值控制(分別控制酸性氣和空氣的流量，空氣流量與酸性氣流量按比值控制)即可滿足需求。但是通常酸性氣中H2S濃度通常在60%～70%，有時甚至低至50%或高達(dá)80%。經(jīng)模擬計算，若維持9.62的配風(fēng)比不變，H2S濃度在50%時焚燒爐溫度為903℃，H2S濃度在80%時焚燒爐溫度為1300℃，溫度波動較大。若維持焚燒爐溫度恒為1100℃，H2S濃度在50%時配風(fēng)比為7.30，H2S濃度在80%時配風(fēng)比為11.94。H2S焚燒爐可考慮串級比值控制方案，在比值控制的基礎(chǔ)上引入溫度控制，通過溫度控制回路給出一個介于0.5～1.5的調(diào)節(jié)系數(shù)，使焚燒爐溫度維持在1100℃。

2 硫化氫制酸焚燒爐的動態(tài)模擬

Hysys動態(tài)模擬引入時間變量，可以模擬壓力、溫度、液位、各相濃度等隨時間的變化。本模型用它來模擬焚燒爐的控制系統(tǒng)，如圖3所示，用Gibbs反應(yīng)器來模擬焚燒爐，物性方法選用PENG-ROB，環(huán)境溫度取25℃。焚燒爐內(nèi)徑φ3000 mm，長度12500 mm，散熱損失208 kW。Compressor模塊模擬空氣風(fēng)機，VLV-101模擬酸性氣流量調(diào)節(jié)閥，VLV-102模擬空氣流量調(diào)節(jié)閥。PID(比例-積分-微分控制器)是一種反饋控制器，本模型中FIC-101用于控制酸性氣流量，設(shè)定值為2 898 Nm3/h； FIC-102用于控制空氣流量；TIC-100用于控制焚燒爐溫度，設(shè)定值為1100℃；PIC-100用于控制爐前空氣壓力4 kPag。FIC-102的設(shè)定值與FIC-101的實測值初始比值(即配風(fēng)比)設(shè)為9.62，通過溫度控制回路在計算器模塊中給出一個介于0.5～1.5的調(diào)節(jié)系數(shù)。本文通過本模型模擬兩種極端情況下(H2S濃度60%至70%之間的劇烈波動和C2H6濃度0至3%之間的劇烈波動)焚燒爐溫度的動態(tài)響應(yīng)。

圖3 用HYSYS軟件對焚燒爐控制系統(tǒng)建模

圖4 H2S濃度波動時焚燒爐溫度動態(tài)響應(yīng)圖

由圖4可以看出，H2S濃度瞬時由65%降至60%時，焚燒爐溫度瞬時降至1045℃，然后約1 min時間恢復(fù)到1100℃；H2S濃度瞬時由60%升至70%時，焚燒爐溫度瞬時升至1206℃，然后約1 min時間恢復(fù)到1100℃；H2S濃度瞬時由70%降至60%時，焚燒爐溫度瞬時降至991℃，然后約1 min時間恢復(fù)到1100℃；H2S濃度瞬時由60%升至65%時，焚燒爐溫度瞬時升至1158℃，然后約1 min時間恢復(fù)到1100℃。

圖5 C2H6濃度波動時焚燒爐溫度動態(tài)響應(yīng)圖

由圖5可以看出，C2H6濃度瞬時由3%降至0時，焚燒爐溫度瞬時降至1013℃，然后約1 min時間恢復(fù)到1100℃；C2H6濃度瞬時由0升至3%時，焚燒爐溫度瞬時升至1199℃，然后約1 min時間恢復(fù)到1100℃。

3 結(jié)論

(1)通過穩(wěn)態(tài)模擬硫化氫制酸焚燒爐溫度設(shè)定為1100℃較為合理，并計算硫化氫濃度在50%～80%變化時，焚燒爐溫度1100℃不變時配風(fēng)比的變化。

(2)通過動態(tài)模擬硫化氫制酸焚燒爐串級比值控制系統(tǒng)，模擬兩種極端情況：H2S濃度60%至70%之間的劇烈波動，C2H6濃度0至3%之間的劇烈波動，焚燒爐瞬時溫度低至1000℃或高達(dá)1200℃左右然后很快恢復(fù)到1100℃。

(3)通過模擬分析硫化氫制酸焚燒爐控制溫度為1100℃，并采用串級比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以有效解決酸性氣組分劇烈波動帶來的影響。