硫磺回收裝置重要控制方案和聯鎖方案的探討

薛守玲，張則鵬，王 晨

（1.中石油華東設計院有限公司 北京分公司，北京 100029；2.中石油工程建設有限公司，北京 100010；3.中石油華東設計院有限公司，山東 青島 266071）

0 引言

隨著國內煉油能力的提高，高硫含量原油比例的增大，國家環保法規要求日益嚴格，硫磺回收裝置逐漸成為了石化企業的關鍵裝置。原油中的硫化物在煉油過程中部分轉化為H2S，嚴重污染環境，必須進行二次處理，相應的最經濟有效的處理方式就是硫磺回收工藝，硫磺回收裝置主要是對原油中所含的硫以單質或某些化合物的狀態進行回收利用，以減輕或避免直接排放導致的環境污染，同時又實現了循環利用。本文主要針對某項目硫磺回收裝置的主要控制方案和聯鎖方案進行具體探討。

1 基本工藝流程

該硫磺回收裝置采用工藝成熟的Claus 硫回收工藝，原料是來自酸性水汽提裝置產生的含氨酸性氣和溶劑再生裝置的清潔酸性氣，裝置主要由制硫、尾氣處理、尾氣洗滌、液硫脫氣儲存及公用工程等幾部分組成。

自溶劑再生裝置來的清潔酸性氣和自酸性水汽提裝置來的含氨酸性氣分別經過分液和預熱后混合進入燃燒爐，爐中按照制硫反應需氧量，通過比值調節和H2S/SO2比值在線分析儀反饋的數據，嚴格控制進入爐子的空氣量，保證過程氣中H2S 和SO2的體積比為2:1。在燃燒爐內，大部分H2S 發生高溫反應生成氣態硫磺，來自酸性氣中的NH3以及少量烴類分解成為N2、CO2和水，以上氣態加上未反應的H2S 和SO2組成高溫過程氣，進入蒸汽發生器進行能量回收，之后過程氣按照順序分別進入一級冷凝器、一級反應器、二級冷凝器、二級反應器和三級冷凝器，在一二三級冷凝器中冷凝下來的液硫流入硫池儲存，在燃燒爐中未反應的H2S 和SO2分別經過一級反應器和二級反應器，在不同催化劑的作用下，進一步完成制硫過程。從三級冷凝器出來的尾氣，進入尾氣處理部分。

從制硫部分出來的尾氣經過升溫后，與H2混合后進入加氫反應器，在催化劑的作用下，SO2、COS、CS2及氣態硫等均被轉化為H2S。進入加氫反應器的H2量是根據加氫反應器后的在線氫分析儀給出的H2濃度信號進行調節的。加氫反應為放熱反應，離開反應器后的尾氣進入尾氣蒸汽發生器進行能量回收。冷卻后的尾氣經過急冷塔降溫后，通過貧胺液進一步吸收H2S，凈化后的尾氣進入尾氣焚燒爐進行焚燒，尾氣中殘留的H2S 及其它硫化物轉化為SO2。焚燒后的煙氣經過蒸汽發生器能量回收后進入尾氣處理設施部分。

克勞斯制硫主要化學反應式如下：

2 重要控制方案

2.1 燃燒爐配風控制系統

燃燒爐酸性氣和空氣的比值調節是硫磺回收制硫的關鍵，從上面工藝過程和化學方程式可以看出，只有H2S 和SO2的體積比是2 的時候，才能保證最大的硫轉化率。反之，任何一種過量都會直接導致尾氣污染物過量。因此，嚴格的控制進風量，才能保障硫轉化率[2]。

進入燃燒爐的空氣分為兩路，主路空氣和旁路空氣。

主路空氣比值控制具體控制方案如圖1 所示。通過含氨酸性氣進料流量（FT-01）和清潔酸性氣進料流量（FT-02）相加得到進裝置的酸性氣總量，再乘以空燃比K，計算得到所需空氣量，作為主路空氣流量（FIC-03）的給定值，比值K 可根據實際工況調整。此比值控制作為酸性氣配風的粗調系統[1]。

旁路空氣比值控制具體控制方案如圖2 所示。旁路空氣的流量控制，正常情況下，和H2S-SO2比值控制器（AIC-01）組成串級，流量控制器（FIC-04）的給定值由H2S-SO2比值控制器輸出（AIC-01），通過尾氣H2S-SO2分析儀，可以體現尾氣中未充分燃燒的H2S 的濃度，進而及時調節旁路空氣的流量，提高燃燒爐制硫率[3]。

圖1 主路空氣流量控制Fig.1 Main air flow control

圖2 旁路空氣流量控制Fig.2 Bypass air flow control

當燃燒爐溫度較低或酸性氣濃度較低時，需伴燒燃料氣來提高爐子溫度以保證硫轉換率，通過軟切換開關（FHS-04）切換至燃料氣-旁路空氣比值控制，即旁路空氣的流量控制器（FIC-05）的給定值由進入燃燒爐的燃料氣流量控制器（FIC-06）輸出。

2.2 爐膛溫度控制

本裝置原料是來自溶劑再生裝置來的清潔酸性氣和自酸性水汽提裝置來的含氨酸性氣，當爐溫到850℃時，投入清潔酸性氣，當爐溫到1150℃時，投入含氨酸性氣，所以燃燒爐的溫度控制非常重要，直接影響硫磺回收的安全和效能。本裝置控制方案為：清潔酸性氣進爐子之前分為兩路，一路主路與含氨酸性氣混合后進入燃燒爐火嘴，另一路旁路進入爐膛單獨用來控制爐膛溫度，即爐膛溫度與旁路清潔酸性氣的流量進行串級，爐膛溫度控制為主回路，旁路清潔酸性氣流量控制為副回路，此控制回路溫度檢測元件采用了吹氣式B 型熱電偶，雙層剛玉套管。

燃燒爐爐膛溫度最高操作溫度將近1500℃，如果操作不當，可能會更高。為了確保測量和爐子的安全運行，本裝置分別設置了兩套紅外測溫儀和一套吹氣式熱電偶三取二聯鎖停爐，同時設置一套吹氣式熱電偶用來高低溫報警。

2.3 其他控制方案

焚燒爐的配風控制也分為主路空氣控制和旁路空氣控制，主路空氣流量與進入焚燒爐的燃料氣流量進行比值控制，燃料氣流量經過空燃比計算，作為主路空氣流量控制器的給定值。旁路空氣流量與煙氣氧含量串級控制，氧含量控制為主回路，流量控制為副回路。焚燒爐內氧含量過低，會導致尾氣中的H2S 無法充分氧化，造成煙氣環保超標；氧含量過高，過剩的空氣會帶走大量的熱量使焚燒爐效率降低，所以煙氣氧含量一般需要控制在3%左右。

硫磺回收裝置中設置了多個蒸汽發生器來回收熱量，本裝置采用三沖量控制來控制汽包液位，三沖量控制在鍋爐上應用非常廣泛，本文不再贅述。

3 重要聯鎖方案

硫磺回收裝置原料中含有大量的H2S，而且Claus 反應后，一直都有H2S、SO2等危險介質，一旦泄漏可能會引起火災爆炸等嚴重后果，而且裝置中有兩套爐子，爐子操作不當或者爐溫過高，會破壞爐管、爐襯等，甚至引起爆炸。因此，必須采取可靠的聯鎖方案，在異常工控下保護裝置安全。

3.1 燃燒爐停爐聯鎖

當燃燒爐火檢沒有檢測到火焰且爐膛溫度過低、燃燒爐爐膛溫度過高、燃燒爐蒸汽發生器液位過低、酸性氣進料流量過低、酸性氣壓力過高、配風鼓風機停止運行、接收到尾氣焚燒爐停止運行的信號等情況，或者人工停爐按鈕按下時，裝置聯鎖停爐，需要切斷酸性氣進料、關閉空氣進料、打開鼓風機放空閥、打開酸性氣放火炬閥等。異常狀況會導致H2S 無法充分燃燒，大量的H2S、SO2會從尾氣排出，造成環境污染或者爐子溫度過高，甚至導致爆炸，此時需要緊急停爐，保護設備。

3.2 焚燒爐停爐聯鎖

與燃燒爐類似，焚燒爐的停爐聯鎖也是為了避免有毒氣體從煙囪排出，同時保護設備安全運行。

當焚燒爐火檢沒有檢測到火焰、爐膛溫度過高、尾氣焚燒爐蒸汽發生器汽包液位過低、配風鼓風機停止運行或者人工停爐按鈕按下時，聯鎖停焚燒爐，需要切斷燃料氣，切斷燃燒空氣，打開鼓風機放空閥，停燃燒爐等。

3.3 其他聯鎖

裝置還包括鼓風機和一些機泵的停機聯鎖，因為應用較為廣泛，此處不再贅述。

4 結束語

硫磺回收裝置是煉油廠環保裝置的核心，本文主要以克勞斯直流法制硫工藝為主，論述了其重要的控制方案和聯鎖方案。當然，不同原料、不同方案的硫磺回收裝置工藝流程不盡相同，但主要控制對象和聯鎖邏輯變化不大。自動控制技術是工藝生產過程中的重要組成部分，合理的控制方案和聯鎖方案是裝置安全平穩長周期運行的關鍵。