硫磺回收装置制硫炉配风控制方案

赵锁 宫春美(山东三维石化工程股份有限公司青岛分公司，山东 青岛 266071)

0 引言

随着日益恶化的自然环境，世界各国都制定了越来越严格的环保法律及规范，特别是在中国，SO2等大气污染物的排放要求越来越苛刻，环保要求对石化、煤化工等行业的SO2排放量的指标作出了更加严格的要求，同时高含硫的煤、石油等产品的加工也给企业提出了新的环保挑战。

硫磺回收装置是炼油厂的重要组成部分，此装置处理全厂主装置正常排放的酸性气，是全厂环保达标的关键装置，因此如何提高化工企业硫磺回收装置的硫回收率，降低排放气中的SO2含量，对于环保要求和提升企业的综合效益都非常的关键。

1 克劳斯硫回收工艺简介

目前硫磺回收装置工艺路线比较成熟的克劳斯硫回收工艺，制硫部分采用克劳斯部分燃烧法处理酸性气，此法是将全部原料气引入制硫燃烧炉，在炉中按制硫所需的O2量严格控制配风比，使H2S 在炉中约65%发生高温反应生成气态硫磺。未反应的H2S 和SO2再经过转化器，在催化剂的作用下，进一步完成制硫过程。对于含有NH3和少量烃类的原料气用该法可将NH3和烃类完全分解为N2、CO2和H2O，使产品硫磺的质量得到保证。部分燃烧法工艺成熟可靠，操作控制简单，能耗低，是目前国内外广泛采用的制硫方法。

制硫燃烧炉是硫磺回收装置的关键和核心设备，如何提高它的自动控制水平，是保证制硫燃烧炉能够充分、高效、稳定的前提条件，它不单单是制硫工艺的核心要素，也是尾气环保达标排放的关键所在。如何对制硫燃烧炉的进炉酸性气和进炉主风的比例控制方案与进炉副风和H2S/SO2比值仪的串级控制方案优化，就能够提高硫磺回收装置的硫回收率。

克劳斯工艺制硫总的反应可以表示为：

在制硫燃烧炉内，上述反应是部分燃烧法的主要反应，反应比率随炉温变化而变化，炉温越高平衡转化率越高；除上述反应外，还进行以下主反应：

此过程中，无论是上述哪个反应，都是放热反应，在反应过程中会释放出大量的热量，制硫燃烧炉内部的温度会高达850℃以上(为提高NH3的燃烧和分解，带有含氨酸性气的制硫燃烧炉炉膛内的温度会超过1250℃以上)。

在转化器中发生以下主反应：

过程气经过冷凝冷却后，会分离掉大部分的液硫，并返回到制硫炉处的高温掺和阀，与制硫燃烧炉内的高温过程气进行混合升温，使之尽量达到转化器中低温催化反应所需的最佳反应温度255℃左右，该方法是建立在原克劳斯工艺的基础之上，通过改善制硫炉升温的方法，通过高温过程气和低温过程气进行有效混合，而实现升温的要求，从而满足从制硫过程到尾气过程的整个全部反应效果，整个过程中只有制硫燃烧炉和尾气焚烧炉，在中间不需要有任何的提供外部能源的升温设备，这样就能够有效地控制装置内静设备的总数量，简化了操作流程，减少了过程气的中间过程，能够实现能耗和投资等方面有效降低。

由上述三个反应式可以看出，在制硫燃烧炉内，H2S 与SO2的比例越接近2:1 时，可保证转化器中过程气的硫化物最大限度地转化为硫磺，因此严格控制配风比，使H2S/SO2的比值更加趋近于2:1，是硫回收装置转化率的关键。

2 制硫炉常用的配风方案

如图1 所示，该方案是国内大部分克劳斯硫磺回收装置中最常用的配风方案，其中空气量的调节分为两部分：其一是主风量随酸性气量变化构成比值控制系统，实现对空气与酸性气的配比进行粗调。主风量的比值是根据人工采样分析酸性气中的酸性气组分和其它烃类组分的比值，通过计算得出H2S 转化成SO2和烃类完全燃烧所需的空气量，按照空气量约67%来调节主风量，其二是 H2S/SO2在线比值分析仪与副风流量构成串级调节系统，进一步对空气与酸性气的配比进行修正，及时反馈尾气中未充分燃烧的H2S 的浓度，及时校正反应中所需的空气量，从而保证过程气中 H2S/SO2比值始终为2:1。

图1 制硫炉常用的配风方案

控制方案中主风和副风的控制器各有侧重，相互配合，根据H2S/SO2比值分析仪、后面的氧化锆分析仪、烟道气SO2分析仪、以及各处的人工采样点等分析数据，调节空气供给量，保证反应后的过程气中H2S/SO2比值趋近于2:1。本控制方案的关键是H2S/SO2比值分析仪，当酸性气浓度在一定范围内波动时，比值分析仪能够很好的调节副风的流量，以实现H2S/SO2的比值始终接近于2:1，但是当酸性气浓度波动较大时，比值分析仪就无法保证精确控制空气量。所以要解决这个问题，就要实时监测进料酸性气中H2S 的浓度，来及时调节主风的流量。这就引入了前馈调节和反馈调节的制硫炉调节方案。

3 制硫炉的前馈调节和反馈调节方案

为了使主风流量能够对酸性气的流量变化有一个快速反应，在设计的控制器中设置了一个燃烧酸性气所需空气流量的前馈控制，此前馈控制中增加了酸性气中H2S 浓度的测量。

如图2 所示，该方案在方案1 的基础上增加了H2S 分析仪，用于酸性气中H2S 浓度的测量，然后用此H2S 浓度通过与酸性气流量进行计算，得出相应的需氧量，并反馈给主风进制硫炉的调节器，来实现对主风的流量控制，此种方法能够很大的避免因酸性气浓度变化而造成的硫磺回收装置硫磺转化率降低。这就是制硫炉的前馈调节和反馈调节方案。

图2 制硫炉的前馈调节和反馈调节方案

但由于H2S 在线分析仪价格比较高，且维护量较大等因素，目前国内设计的硫磺回收装置中H2S 在线分析仪的使用量还不是很多，多数硫磺回收装置都是根据人工采样来分析酸性气中的H2S 浓度，然后通过人工计算来修改主风的比例系数K 值。

4 两种方案的特点

两种方案总体说来都是比较成熟的控制方案，它们都有着各自的特点，这也直接影响了它们在国内的硫磺回收装置中的应用实例数量。下面就这两种方案的特点做一个简要的总结。

制硫炉常用的配风方案的特点：

(1)控制方案简单，系统组态更便利；

(2)由于酸性气中H2S 的浓度是人工采样分析，在分析过程中能够同时检测出酸性气中各种耗氧气体的浓度(主要是各种烃类)，从而可以更好的人工计算出主风的比例系数K 值；

(3)会更低装置的投资及维护成本；

(4)由于在操作过程中人工参与过多，大大增加了误操作的可能性。

制硫炉的前馈调节和反馈调节方案的特点：

(5)能够有效防止人为误操作，减少操作人员的劳动强度，极大地提高生产效率；

(6)响应时间大幅降低，能够及时的根据H2S 浓度自动调整主风流量；

(7)降低了操作人员经验、技术水平及工作责任心等的要求；

(8)减少装置的大幅波动，更好地保证装置的稳定运行。

5 结语

在实际运行中，影响硫回收装置硫回收率的因素还有很多，比如装置进料流量和参数的波动、比值分析仪的使用效果、操作人员的实际操作经验等，本文只是针对装置中最关键的制硫炉配风方案进行了分析研究。

制硫炉配风方案对硫磺回收装置的影响很大，采用何种控制方案需要根据项目的投资与收益综合考虑后决定，它不仅涉及硫磺回收装置的硫回收率，也涉及到整个工厂的环保工程。因为硫磺回收虽然不是一个主生产装置，但是本装置的稳定生产时其它主生产装置运行的前提条件，现在的全国各地的环保形势都非常严峻，为了整个公司的生产效益和环保要求，加强对硫磺回收装置的操作和管理势在必行。