非常規分流硫磺回收克勞斯爐燃燒控制

吉喆，葉世貴，譚秋媛，趙捷，羅歡

(1. 中石化廣元天然氣凈化有限公司，四川 廣元 628400；2. 岳陽長煉機電工程技術有限公司 廣元分公司，四川 廣元628400；3. 上海洗霸科技股份有限公司 西南分公司，四川 廣元 628400)

高含硫天然氣凈化廠隨著開采時間、開井數量、開采量的變化，其再生酸氣的流量及組成波動較大。而硫磺的生產全靠硫化氫化學反應生成，為了確保高的硫轉化率，必須對參與反應的另一種物料(空氣)按化學計量供給，因此裝置的設計及使用必須采用先進合理的控制方案[1]。

1 工藝流程及原理

1.1 工藝流程介紹

某高含硫凈化廠天然氣進料中φ(H2S)為5.55%，φ(CO2)為6.57%，采用復合脫硫溶劑再生出酸氣中φ(H2S)為41%～48%[2]。非常規分流硫磺回收工藝流程如圖1所示，正常工況下經分液后的再生酸氣通過分流調節，一部分進入克勞斯爐一區與空氣部分燃燒并維持一區溫度1 060 ℃，其余酸氣進入克勞斯爐二區與一區高溫過程氣混合并繼續進行高溫制硫反應。克勞斯爐出口高溫過程氣取熱后，經三級硫冷器加兩級催化轉化反應器加一級液硫捕集器后進入尾氣處理單元。其中，克勞斯爐爐膛的硫轉化率為65%～68%，硫磺單元單程總硫回收率可達96%，裝置總硫回收率在99.95%以上。燃料氣及蒸汽僅在開停工工況下使用。

圖1 非常規分流硫磺回收工藝流程示意

1.2 原理介紹

硫磺回收根據酸氣H2S含量的不同使用直流法或分流法。在滿足克勞斯反應爐火焰穩定要求及耐火材料耐溫要求條件下，直流法要求φ(H2S)下限為55%，常規分流法要求φ(H2S)下限為30%，酸氣入爐比例為33.3%[3]。當φ(H2S)為30%～55%時，為保證爐膛一區不超溫需采用非常規分流，即酸氣進入克勞斯爐一區比例應大于33.3%。硫磺單元工藝分為前段克勞斯爐熱反應制硫及后段催化反應制硫，主要將酸氣中的H2S盡可能轉化為硫單質。

1)依據酸氣中的組成及廢熱鍋爐出口氣體組成情況，克勞斯爐內主要發生式(1)～式(5)化學反應。

高溫制硫主反應：

(1)

(2)

烴的燃燒反應：

(3)

有機硫生成副反應：

(4)

(5)

2)從廢熱鍋爐出來的過程氣，經硫冷器冷卻分離單質硫，然后再進入加熱器預熱到230 ℃左右進入催化反應器，過程氣中的含硫組分在催化劑的作用下主要發生式(6)～式(8)對應的反應。

低溫催化制硫反應：

(6)

有機硫水解反應：

(7)

(8)

2 克勞斯爐燃燒控制方案

克勞斯爐燃燒器的進料分為酸氣及燃料氣。在正常生產中一般為酸氣進料，酸氣中所含H2S將部分燃燒，燃燒空氣由克勞斯風機供給，非常規分流硫磺回收燃燒控制方案如圖2所示。至克勞斯爐二區酸氣流量等于反應爐總酸氣流量qV總(FI-410測量值)減去至燃燒器一區酸氣流量qV一區(FIC-405測量值)，該運算通過減法器FU-406實現。酸氣所需空氣耗量qV酸—空氣通過比率器HU-410轉化總酸氣流量得出。

在開工過程中，需要燃料氣燃燒產生高溫惰性氣體對克勞斯爐進行標準化升溫；在停工過程中，需要燃料氣燃燒產生高溫惰性氣體對硫磺單元吹硫、鈍化及標準化降溫。燃料氣所需空氣量qV燃料—空氣通過比率器HU-402轉化燃料氣流量得出。為避免克勞斯爐超溫，在停工過程中一般還需要往爐內通入減溫蒸汽。減溫蒸汽需求量qV蒸汽(FIC-401測量值)通過比率器HU-401轉化燃料氣流量信號得出。

2.1 一區分流比參數確定

進克勞斯爐酸氣中φ(H2S)在30%～55%時，為保證克勞斯爐爐膛溫度在1 060 ℃，需要控制酸氣進克勞斯爐一區的比例。對于該范圍內酸氣一區分流比(HC-406)的確定，可以采用文獻[4]介紹的方法通過手工計算得到，也可以使用HYSYS軟件模擬計算得到，不同酸氣濃度條件下的一區分流比見表1所列。在實際生產中，在未知酸氣φ(H2S)的情況下，也可以通過調整一、二區酸氣流量，將爐膛溫度穩定控制在1 060 ℃，從而確定當前一區分流比。

表1 不同酸氣濃度條件下的一區分流比

圖2 非常規分流硫磺回收燃燒控制方案示意

2.2 酸氣配風系數確定

酸氣配風系數(即HC-410的值)通過計算酸氣中33.3%的H2S及全部的烴類完全燃燒所需消耗干空氣量獲得。假設酸氣體積V酸氣，其中φ(H2S)為45%，φ(CH4)為0.3%。根據反應式(1)和式(3)可以得到該酸氣需要消耗0.231V酸氣的氧氣，干空氣中φ(O2)為20.9%，對應消耗干空氣的體積為1.1V酸氣，此處的1.1即為理想情況下酸氣配風系數。實際上，由于酸氣中H2S會部分分解，同時烴類不可能完全燃燒，實際酸氣配風系數略小于理想狀況值。

2.3 燃料氣配風系數確定

燃料氣配風系數(即HC-402的值)通過計算燃料氣完全燃燒所需消耗干空氣量獲得。一般情況下，燃料氣組成相對穩定，假設燃料氣體積V燃料，其中全部為甲烷。根據反應式(3)可以得到該燃料氣需要消耗2V燃料的氧氣，干空氣中φ(O2)為20.9%，則需要消耗干空氣的體積為9.57V燃料，此處的9.57即為理想情況下燃料氣配風系數。為避免混合不均勻造成的不完全燃燒，同時考慮空氣濕度的影響，實際燃料氣配風系數略大于理想狀況值，一般設置為9.7～10.0。

2.4 減溫蒸汽系數確定

減溫蒸汽一般在停工吹硫階段使用，減溫蒸汽系數(即HC-401的值)一般通過模擬計算得出。停工吹硫階段，克勞斯爐轉為燃料氣模式后，燃料氣當量燃燒產生高溫惰性氣體，將一、二級反應器催化劑上的單質硫吹出。使用HYSYS軟件模擬計算，V燃料需消耗蒸汽量為(4～6)V燃料，此處的4～6即為減溫蒸汽系數。停工鈍化階段，在保持燃料氣消耗及爐膛溫度不變的條件下，隨著空氣用量的增加，減溫蒸汽使用量逐漸降低為零。

3 控制方法

3.1 酸氣分流控制

一定期間內，天然氣中H2S及CO2含量相對固定，經脫硫再生出來的酸氣組成也相對固定。取樣分析獲得酸氣中H2S含量數據后，可以根據表1設置酸氣一區分流比HC-406的初始值。為了獲得精準的壓力控制需求，正常生產中會將酸氣壓力及一、二區酸氣流量控制進行串級控制。該控制中設酸氣壓力為自控變量，一區酸氣控制閥FV-405及二區酸氣控制閥FV-406的開度為應變量。當酸氣壓力超過設定值時，控制器按照分流比對應增大FV-405及FV-406的開度；當酸氣壓力低于設定值時，控制器按照分流比對應減小FV-405及FV-406的開度，控制酸氣壓力保持在指定范圍。當脫硫再生酸氣組成變化時，可以根據克勞斯爐一區溫度變化情況，手動調整酸氣一區分流比，從而達到爐溫穩定控制的要求。

3.2 酸氣配風控制

微風控制閥FV-404與主風控制閥FV-403為并聯操作，微風流量由FT-404測量。硫磺單元液硫捕集器出口的過程氣在線分析儀AT-301測定過程氣中的φ(H2S)與φ(SO2)，用φ(H2S)-2φ(SO2)的結果調控微風控制閥FV-404開度，維持硫磺單元液硫捕集器出口過程氣中φ(H2S)與φ(SO2)的比例為2∶1。如果AIC-301輸出的給定值使微風控制閥開度大于70%，微風控制閥閥位指示高報警，說明微風控制閥已經接近流量調節上限。操作人員修改增加主風分配系數，使主風控制閥增加開度，從而使微風控制閥在合適調節范圍內。如果AIC-301輸出的給定值使微風控制閥開度小于30%，微風控制閥閥位指示低報警，說明微風控制閥已經接近流量調節下限。操作人員修改降低主風分配系數，使主風控制閥開度減小，從而使微風控制閥在合適調節范圍內。

3.3 減溫蒸汽控制

停工階段酸氣切換為燃料氣鈍化模式后，燃料氣流量作為自控變量，計算器HU-401根據燃料氣實際流量計算得到理論所需蒸汽量，通過與實際蒸汽測量值FIC-401的比較來調整減溫蒸汽控制閥FV-401的閥位，使克勞斯爐不超過工藝溫度控制上限1.3×103℃的要求。當減溫蒸汽系數設定過小使溫度超溫時，操作工手動修改增加減溫蒸汽系數。同理當溫度過低時，操作工手動修改減小減溫蒸汽系數，使克勞斯爐溫度始終維持在正常工作范圍。

4 結束語

硫磺燃燒控制對硫回收的影響很大，不僅涉及硫回收率，也涉及環保工程[5]。通過對克勞斯硫磺回收燃燒機理的理解，并實施有效的燃燒控制方案，對非常規分流硫磺回收工藝具有重要意義。結合自控原理，討論不同進料工況下克勞斯爐配風及降溫控制方法，減少人員誤操作及外部干涉，增加了硫回收率的同時降低了后部尾氣排放的環保壓力，投用該控制方案后取得了良好的控制效果。