硫回收裝置自動控制方案探析

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硫回收裝置自動控制方案探析

王小健
（科洋環境工程（上海）有限公司 ，上海 200233）

摘 要介紹硫回收裝置的自動控制方案，主要對硫回收裝置中的配風比調節系統、廢鍋液位三沖量調節系統及反應器分程調節系統的具體控制方案進行描述。硫回收裝置自動控制方案的合適選擇，不僅能使裝置高效、平穩運行，同時也能很大程度上提高硫的回收率。

關鍵詞硫回收裝置；自動控制方案；儀表

隨著社會的發展，工業化程度的提高，環境問題日益突出，減少污染物排放，提高空氣質量已成為目前的一項緊迫任務。硫回收裝置作為環保裝置，可處理工業排放尾氣，濾除尾氣中的酸性氣體，使排放的尾氣符合環保標準。

隨著新環保法的推出，對工業化裝置排出的尾氣中酸性氣濃度做了更為嚴格的限制，故如何控制尾氣中酸性氣體的含量變得尤為關鍵，如要降低尾氣中酸性氣體的濃度，則需提高硫回收率，硫回收率的提高和裝置的自動控制方案息息相關，這就需要先進并且穩定可靠的控制方案。

1 硫回收裝置的工藝介紹

硫回收裝置流程圖如圖1所示，主要設備有燃燒爐、廢熱鍋爐、組合式反應器、風機、硫酸蒸汽冷凝器及除霧器。主要包括三個階段：酸性氣燃燒段，二氧化硫催化轉化段及三氧化硫轉化和硫酸蒸汽冷凝段。具體流程為：來自上游低溫甲醇洗裝置的酸性尾氣與由風機送來的燃燒空氣在燃燒爐中發生燃燒反應，發生反應為下述的反應式（1），燃燒后的氣體經廢熱鍋爐充分換熱后進入組合式反應器，在反應器中二氧化硫在催化劑的作用下與空氣中的氧發生化學反應，具體為反應式（2）和（3），反應后產生的硫酸蒸汽在硫酸蒸汽冷凝器中冷凝，形成液態硫酸，具體為反應式（4）。同時尾氣經除霧器后通過煙囪排出。

本文根據硫回收裝置的工藝特點及控制要求，介紹硫回收裝置控制方案中的酸氣燃燒爐燃燒控制方案、組合式反應器床層溫度控制方案及廢鍋液位控制方案，因為要提高酸性氣中硫回收率，首先得保證酸性氣中硫化氫能完全并充分燃燒及二氧化硫的轉化率，硫化氫的完全并充分燃燒，需控制燃燒爐進口燃燒空氣量及爐膛溫度；而提高二氧化硫的轉化率則需控制床層溫度，床層溫度的控制是通過由廢熱鍋爐產生的中壓蒸汽換熱達到的，故廢熱鍋爐液位的恒定是床層溫度穩定的前提。

圖1 硫回收裝置流程Fig.1 Sulfur recycling device flow diagram

發生的反應有：

2 控制方案

2.1 酸性氣燃燒爐燃燒控制系統

酸性氣燃燒爐是硫回收裝置的重要設備，其作用是將上游低溫甲醇洗送來的含硫化氫的酸性氣體與空氣中的氧發生燃燒反應。燃燒爐主要控制指標是爐膛溫度的恒定，需維持爐膛溫度在950 ℃以獲得穩定的火焰，爐膛溫度取決于酸性氣中H2S濃度，燃料氣流量與熱值，燃燒配風量 ，采取的控制方案如圖2所示，包含內容如下。

2.1.1 酸性氣燃燒爐入口酸性氣流量定值系統

為了保證生產的連續運行及延長酸氣燃燒爐的使用壽命，需保證燃燒爐燃燒穩定，采用來自低溫甲醇洗的酸性氣流量FIC-01和調節閥FV-01構成單回路調節系統對燃燒爐酸性氣進口流量進行控制，這樣在上游酸性氣流量出現波動的情況下，可以通過調節FV-01的開度來保證進入燃燒爐的酸性氣流量恒定，保證酸性氣平穩的進入燃燒爐，從而保證燃燒爐穩定地工作。

2.1.2 配風比調節系統

燃燒爐中發生的是酸性氣的燃燒反應，由于酸性氣中硫化氫的濃度一直存在波動，這樣需要調整燃燒空氣的量來保證酸性氣的完全充分燃燒，采用的是比值調節系統和串級調節系統，具體方法為：

酸性氣的流量可由酸性氣管道上的流量計FT-01并經溫度壓力補償檢測得出，在DCS上與酸性氣的燃燒配風率HK-01進行運算，得到酸性氣燃燒所需的空氣量FY-01A，即：FY-01A = FY-01×HK-01。

燃料氣的流量可由燃料氣管道上的流量計FT-02并經溫度壓力補償檢測得出，在DCS上與燃料氣燃燒配風率HK-03進行運算得到燃料氣燃燒所需的空氣量FY-02B，即：FY-02B = FY-02×HK-03。

在DCS上對酸性氣燃燒所需空氣量FY-01A和燃料氣所需空氣量FY-02B進行求和得到總的燃燒所需空氣的量FY-01B，即：FY-01B = FY-01A+FY-02B。

為確保酸性氣的完全燃燒，采用過氧燃燒的方法，即將得到總的空氣量FY-01B與配風過量比HK-02在DCS上進行運算的到新的需求空氣量FY-01C，即：FY-01C = FY-01B×HK-02。

將上述得到的需求空氣量FY-01C作為熱空氣管道流量計FIC-03的設定值，通過調節風機變頻器來控制進入燃燒爐的燃燒空氣量。

2.1.3 燃燒爐爐膛溫度控制的串級調節系統及自動選擇調節系統

燃燒爐爐膛溫度恒定是燃燒反應的必備條件，如果燃燒爐內溫度過高，則會損壞設備，過低則不利于硫化氫的完全燃燒。燃燒爐內發生的主要是酸性氣中硫化氫與氧的燃燒反應，由于酸性氣中的硫化氫濃度存在波動，這樣反應放出的熱量也一直變化，當酸性氣中硫化氫濃度偏低不能維持溫度恒定時需通過加入燃料氣的方法來維持溫度。具體方案如下：

燃燒爐的溫度由三支高溫熱電偶溫度變送器TT-04ABC測出，TT-04ABC信號送入DCS中高選器模塊TSY-04自動選擇一支作為溫度控制信號TIC-04的輸入，燃料氣的流量由燃料氣管線上的流量計FT-02并經溫壓補償測出，由此，燃燒爐溫度和燃料氣流量構成串級調節系統，當檢測到燃燒爐溫度低于控制設定值時，通過調節燃料氣的流量調節閥FV-02的開度從而控制進入燃燒爐的燃料氣量，從而達到控制燃燒爐溫度的目的。

2.2 廢熱鍋爐三沖量控制系統及單沖量調節系統

廢熱鍋爐是硫回收裝置的主要設備之一，廢熱鍋爐液位是鍋爐運行中一個重要的監控參數，反映了鍋爐負荷與給水的平衡關系，要求鍋爐液位控制在設定值附近，以適應各種工況的運行。當鍋爐液位偏高時會造成蒸汽帶水，影響氣水分離效果，液位偏低則容易使水全部汽化從而燒壞鍋爐。影響鍋爐液位的因素，除了加熱汽化外，還有蒸汽負荷和給水流量的波動，當蒸汽負荷突然增大、汽包壓力突然降低時，水就會被急劇汽化，出現大量氣泡，形成“假液位”現象[1-2]。為維持鍋爐液位恒定，同時避免出現“假液位”的干擾，采用三沖量調節系統和自動選擇調節系統，即廢鍋液位，給水流量和出口的蒸汽流量。如圖3所示，廢鍋的液位由LT-01AB來測量，LT-01AB信號送入低選器LSY-01自動選擇輸入LIC-01的信號，鍋爐給水流量由FT-06來測量，出口的蒸汽流量由FT-07來測量[3]，運算功能塊LY-01作為鍋爐給水控制器FIC-06的設定值。FIC-06通過控制LV-01的開度從而控制鍋爐給水的進水流量，從而達到控制廢鍋液位的目的。

在開停車或者符合不正常時，控制系統應切換到單沖量液位調節系統，為此，在設置有單沖量和三沖量液位調節系統的手動切換開關LHS-01，當切換到單沖量調節系統時，LIC-01的輸出作為LV-01的控制信號，通過調節LV-01的開度從而調節鍋爐給水的流量，從而控制廢熱鍋爐液位。

圖2 燃燒爐燃燒控制系統Fig.2 Burner control system

圖3 廢熱鍋爐液位控制系統Fig.3 The level of boiler control system

2.3 反應器床層溫度分程控制系統

反應器內發生的反應是二氧化硫氧化為三氧化硫的反應，由于催化劑活性溫度的要求，所以需要控制反應器床層溫度，提高二氧化硫的轉化率。具體方案見圖4。

反應器床層溫度為386 ℃，由TT-17熱電偶溫度變送器測出，溫度信號送入TIC-17調節模塊，TIC-17調節模塊的輸出被設置為分程控制，分別控制閥門TV-17 A 和TV-17 B的開度。從工藝安全角度考慮，在斷氣或者斷電等故障情況下，需避免床層溫度過低造成的硫酸露點腐蝕，因此將TV-17 A設計為氣開閥， TV-17 B設計為氣關閥。TV-17 A和TV-17 B的分程圖如圖5所示，當R-2203進口工藝氣溫度偏高時，TIC-17的輸出信號增加并送至TV-17 A和TV-17 B ，使TV-17 A的開度減小，同時增大TV-17 B的開度，增加進入E-2203的中壓蒸汽量，達到充分換熱降低床層溫度的目的。當R-2203進口工藝溫度過低時，TIC-17的輸出信號減少，TV-17 A開度增大，TV-17 B開度減小，減少換熱，使床層溫度恢復正常。

HIC-17 A和HIC-17 B為手自動切換，在開停車或者參數異常等情況下，采用手動控制，通過HIC-17 A和HIC-17 B來控制TV-17 A和TV-17 B的開度。

圖4 反應器床層溫度控制系統Fig.4 Reactor bed temperature control system　

圖5 分程圖Fig.5 Split diagram

3 結束語

硫回收裝置自動控制方案的合適選擇，能有效提高裝置運行的可靠性，保障硫的回收率以及產品硫酸的質量，同時為裝置的長周期運行創造條件。

參考文獻

[1]陸德明、張震基、黃步余.石油化工自動控制設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2000.

[2]何衍慶、黎冰、黃海燕.工業生產過程控制[M].北京：化學工業出版社.2009.

[3]邱宣振.工程自動化設計應用手冊[M].北京：國際科教文出版社.2004.

《化工與醫藥工程》征稿啟示

《化工與醫藥工程》征稿的具體范圍為：化工工藝與工程、醫藥工藝與工程、裝備應用與研究、HSE與節能減排、綜述與專論等。

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Analysis of Automatic Control Scheme for Sulfa Recovery Unit

Wang Xiaojian
（Shanghai Keyontechs Co., Ltd, Shanghai 200120）

Abstract:In this article, automatic control scheme for sulfur recovery unit was introduced, in which the schemes for air distribution control system, liquid level adjustment system in waste heat boiler and partitioning adjustment system in reactor were described in detail. Proper selection of automatic control scheme for sulfur recovery unit makes not only high efficient and stable performance of the unit, but also creates high sulfur recovery rate.

Keywords:sulfur recovery unit; automatic control scheme; instrument

作者簡介：王小?。?987—），男，助理工程師，主要從事石油化工自控設計工作。

收稿日期：2015-09-02

中圖分類號：TK 223.7

文獻標識碼：A

文章編號：2095-817X（2016）01-0051-000