比值分析儀在Claus燃燒爐上的控制應用

徐偉清 袁 焱 中石化南京工程有限公司 南京 211100

硫磺回收裝置是石油化工行業(yè)一個重要的生產(chǎn)、環(huán)保裝置。目前的硫磺回收工藝主要是以克勞斯(Claus)工藝[1]為主，上游裝置來的酸性氣在Claus燃燒爐內(nèi)部分燃燒反應，再經(jīng)過冷凝、Claus反應，生成硫磺和尾氣，尾氣經(jīng)過焚燒、吸收SO2達標后排放。硫磺回收裝置的核心就是Claus燃燒爐的燃燒控制，根據(jù)酸性氣，嚴格配給O2量，尾氣中H2S與SO2比值達到Claus反應的最佳配比為2∶1，進而使整個裝置硫的轉(zhuǎn)化率達到最高，因此H2S/SO2比值的控制和在線分析是硫磺回收裝置的控制關鍵點。本文結(jié)合比值分析儀在某硫磺回收裝置中的控制應用，分析總結(jié)了比值分析儀在設計選型、安裝調(diào)試、投運及維護等方面遇到的問題和解決方法，以便能在實際生產(chǎn)過程中為其他設計者提供參考和借鑒。

1 比值分析儀系統(tǒng)組成及測量原理[2]

為了使Claus燃燒爐的酸性氣與空氣(氧氣)充分混合，完成化學反應，助燃空氣(氧氣)的配風量需隨著酸性氣流量以及H2S與SO2比值外給定而隨動控制，比值分析儀主要分析硫磺回收裝置尾氣中H2S與SO2的濃度，通過計算，參與酸性氣燃燒配風控制，以達到最佳燃燒效果。

由于尾氣中含有硫蒸汽，容易堵塞比值分析儀采樣管，故目前應用的比值分析儀一般都采用探頭直接插入尾氣管道的方式。比值分析儀系統(tǒng)主要由采樣系統(tǒng)(探頭)、公用工程輔助系統(tǒng)、光譜分析系統(tǒng)等組成，見圖1。

圖1 比值分析儀系統(tǒng)組成示意圖

1.1 采樣系統(tǒng)組成及原理

比值分析儀采樣系統(tǒng)主要由采樣探頭、進樣夾套球閥組成，探頭內(nèi)置“除霧”室、抽提室、測量流通池等。

1.1.1 探頭采樣原理

探頭采樣原理見圖2。

圖2 比值分析儀探頭采樣原理圖

探頭內(nèi)置“除霧”室，“除霧”室通入低壓蒸汽。樣品氣在儀表空氣抽提的作用下，沿著探頭向上流動，在流動過程中，樣品氣經(jīng)過“除霧”室，樣品氣中大部分的硫蒸汽被冷卻液化成液態(tài)硫磺，并在重力作用下滴落至工藝管道中，同時合格完整的樣品氣繼續(xù)上升，流動至探頭頂部的流通池中，紫外光穿過樣品氣后，通過光纖將光信號傳送至光譜分析系統(tǒng)，最后樣品氣在抽提作用下，返回到工藝管道中，隨工藝介質(zhì)流向下游。

1.1.2 采樣系統(tǒng)特點

(1)直接安裝

探頭直接安裝在工藝管道上，樣品氣只在探頭內(nèi)部流動，不會進入到光譜分析系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)，這樣既保護了分析儀內(nèi)部的電子元件，也保護了操作人員的安全。

(2)自動除霧

有效利用低壓蒸汽所產(chǎn)生的溫度梯度除去樣品氣中的單質(zhì)硫，探頭內(nèi)置“除霧”室，通入低壓蒸汽，由于元素硫是尾氣中所有組份露點最低的，通過輔助系統(tǒng)，將低壓蒸汽溫度維持在硫的露點溫度(129 ℃)以下，樣品氣中的硫元素除霧作用后冷凝，受重力作用返回工藝管道。

(3)原位測量

紫外光與樣品氣之間的相互作用點就在探頭頂部的流通池中。流通池采用高壓蒸汽伴熱，加熱流通池，并且保證樣品氣中殘留的硫不會冷凝而污染光學窗口；探頭通過光纖與光譜分析系統(tǒng)連接，樣品氣不需要進入分析系統(tǒng)，大大縮短了采樣流程，分析儀響應時間也大大縮短。

(4)探頭部分無電子元件

(5)樣品直接返回工藝管道

探頭內(nèi)置的抽提室，使樣品氣沿著探頭本體路徑上升，在流通池中與紫外光相互作用，然后在抽提作用下再下降回到工藝管道中，整個流程無樣品預處理及排放。

1.2 公用工程輔助系統(tǒng)

公用工程輔助系統(tǒng)主要由各種氣路以及控制氣路的壓力表、流量計、閥門組成。其主要作用是：

(1)將入口的一路蒸汽總管分為兩路，輔助系統(tǒng)為探頭本體內(nèi)的“除霧”室調(diào)節(jié)一路低壓蒸汽壓力和溫度，使蒸汽壓力維持在90～120kPa之間，溫度129℃以下，若溫度大于129℃，樣品氣中的單質(zhì)硫不會冷凝成液態(tài)硫，含硫樣氣進入流通池，會造成鏡片污染；另一路為探頭頂部的流通池伴熱及鏡片吹掃調(diào)節(jié)高壓蒸汽，確保樣氣中沒有固態(tài)硫析出。

(2)將進口一路儀表風分為兩路，第一路作為抽提器的動力源，控制抽提流速，第二路用于吹掃光譜分析系統(tǒng)機箱和電子元件。

(3)提供蒸汽故障反吹功能，蒸汽故障的情況下，使流通池與樣品隔離，并用護氣吹掃流通池。

1.3 光譜分析系統(tǒng)

比值分析儀光譜分析系統(tǒng)是利用被測氣體對紫外光的吸收與被測氣體濃度成線性關系的原理，實現(xiàn)對被測氣體濃度的測量、顯示及通訊。光譜分析系統(tǒng)包含氙燈光源、光譜儀、人機界面、電源模塊、數(shù)據(jù)處理單元等。

某品牌比值分析儀采用UV-Vis 紫外可見光譜儀，光譜范圍為200-800nm，采用這個波長范圍是利用硫磺回收裝置尾氣中H2S和SO2在該紫外波長范圍內(nèi)都有強而明顯的吸收曲線。光譜分析系統(tǒng)測量原理見圖3。

圖3 某品牌比值分析儀測量原理圖

氙燈光源發(fā)出的紫外光匯聚進入光纖，通過光纖傳輸?shù)搅魍ǔ兀贤夤獯┻^流通池時經(jīng)被測氣體吸收，進出流通池的紫外光產(chǎn)生了強度差(即吸光度)，被測氣體的吸光度與其濃度成正比。吸光度通過光纖傳輸?shù)焦庾V儀，在光譜儀內(nèi)部經(jīng)過光柵分光，將不同的吸光度信號，分成各組分波長，產(chǎn)生一個實時的吸光度光譜，獲得氣體的連續(xù)吸收光譜信息，并由陣列傳感器將分光后的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，傳送到數(shù)據(jù)處理單元進行處理，計算出不同組份的濃度值。

2 比值分析儀控制應用

下面以某硫磺回收裝置為例，圍繞Claus燃燒爐燃燒控制，從比值分析儀的設計選型、安裝調(diào)試、投運維護等方面著手，分析某品牌比值分析儀在該裝置的實際應用。

2.1 基于H2S/SO2比值分析儀的燃燒控制回路

本裝置主要處理上游裝置過來的酸性氣，制硫部分采用部分燃燒和兩級Claus制硫工藝，生成的液硫送至液硫成型廠房，產(chǎn)生的尾氣進行熱焚燒，焚燒后的煙氣經(jīng)熱量回收后，再經(jīng)氨吸收工藝吸收煙氣中的SO2，凈化后的煙氣經(jīng)煙囪高空排放。為了精確地控制Claus燃燒爐配風流量，進入燃燒器的全部燃燒空氣(氧氣)分為兩路：主風和微風，其控制方案回路見圖4。

(1)主風控制回路是一個串級控制回路，根據(jù)進料酸性氣流量，計算出燃燒反應時需要的空氣(氧氣)量，圖4中FY-A為酸性氣燃燒耗氣量計算模塊。把計算得到的耗氣量的80%～90%作為串級給定值來調(diào)節(jié)主空氣流量。 進料酸性氣耗氣量計算方法如下:

圖4 基于H2S/SO2比值分析儀的燃燒控制回路

FY-A=α×β×FI

式中，F(xiàn)Y-A為需要的空氣(氧氣)量；FI為進料酸性氣量；α為進料酸性氣中H2S組分的含量；β為1Nm3/h 100%H2S燃燒需要空氣(氧氣)量。

(2)微風控制主要是對配風控制起微調(diào)作用，在尾氣捕集器出口設置H2S/SO2比值分析儀，測量H2S和SO2數(shù)值，將H2S-2SO2的線性換算值(控制H2S-2SO2目標值為零)，與酸性氣燃燒反應計算所需耗氣量的10%～20%疊加，即圖4中FY-B模塊，作為微風控制回路的主被控變量，微風流量為副被控變量，形成串級控制回路來調(diào)節(jié)微風。FY-B計算方法如下：

FY-B=k×(FY-A)×θ+ε×AI

式中，F(xiàn)Y-A為需要的空氣(氧氣)量；FY-B為微風控制回路FIC-B給定值；k為與酸性氣燃燒反應所需耗氣量(取值10%～20%)；θ為配比系數(shù)(根據(jù)項目實際情況調(diào)整)；ε為配比系數(shù)(根據(jù)項目實際情況調(diào)整)；AI為H2S-2SO2的線性換算值。

H2S/SO2比值分析儀響應速度很快，H2S/SO2比值即使發(fā)生很小的偏移，微風量都能及時得到隨動調(diào)節(jié)。將尾氣中H2S/SO2的比例控制在2∶1，尾氣中H2S或SO2的微小變化都會導致后續(xù)尾氣處理單元負荷的增加，只有H2S/SO2達到最佳比例才能獲得最大的硫轉(zhuǎn)化率。這臺H2S/SO2比值分析儀是整個硫磺回收裝置高效、穩(wěn)定運行的關鍵儀表，因此其正確選型、安裝和定期維護非常重要。

2.2 設計選型

過程分析儀的分析原理、測量范圍、精確度、靈敏度、響應時間、重復性等技術(shù)指標，應滿足工藝過程的要求，且技術(shù)先進，性能穩(wěn)定可靠，操作維護簡便[3]。測量H2S/SO2比值的方法很多，其原理和儀表結(jié)構(gòu)形式也不盡相同，目前應用成熟的H2S/SO2比值分析儀多數(shù)為國外品牌，主要是美國AMETEK公司的880-NSL、美國AAI公司的TLG-837、加拿大Galvanic公司的942-TG等，每款產(chǎn)品都有各自的特點，比如：有的分析儀探頭與光譜分析系統(tǒng)一體化，有的分析儀探頭與光譜分析系統(tǒng)分離，通過光纖軟連接，安裝較靈活方便，在選用時要結(jié)合工藝生產(chǎn)要求和項目實際情況等因素去考慮。

2.2.1 H2S/SO2比值分析儀選型的原則

為保證H2S/SO2比值分析儀滿足工藝條件，且能長期平穩(wěn)、安全、有效運行，分析儀在選型時需滿足如下原則：

(1)防止含硫尾氣堵塞取樣管線，H2S/SO2比值分析儀應采用管道直接取樣，采樣氣體必須直接返回工藝管線，不得放空，采樣探頭的連接形式為法蘭連接，采樣系統(tǒng)應使采樣管線盡量短，并充分考慮采樣管線的防堵措施，尤其是在分析儀故障或停運情況下采樣系統(tǒng)的防堵措施。

(2)根據(jù)硫磺回收裝置尾氣中含有硫蒸汽以及尾氣各組分特性，H2S/SO2比值分析儀宜采用紫外光吸收原理[3]。

(3)H2S/SO2比值分析儀能連續(xù)測量尾氣中的H2S含量、SO2含量、H2S/SO2比值、H2S-2SO2，且具備輸出四路4～20mADC信號至裝置DCS系統(tǒng)。

(4)分析儀應具備抗堵塞反吹特性，并能輸出儀表故障報警信號至裝置DCS系統(tǒng)。

(5)H2S/SO2比值分析儀光源壽命不低于5年，免除經(jīng)常更換光源對測量的影響和減少備件的庫存。

(6)H2S/SO2比值分析儀的防護等級和防爆等級需符合裝置的要求。

2.2.2 主要技術(shù)指標

根據(jù)本裝置工藝條件，確定以下技術(shù)指標：

(1)測量范圍：

H2S：0V%～2V%(范圍可調(diào))；SO2：0V%～1V%(范圍可調(diào))；H2S/SO2：0～5(范圍可調(diào))；H2S-2SO2：-5V%～5V%(范圍可調(diào))；

(2)分析儀參數(shù)：

響應時間 (T90)：<10 秒；精度：H2S：≤2% F.S、SO2：≤2% F.S、H2S-2SO2：≤0.2% F.S；重復性：≤1% F.S；零點漂移(24小時)：<0.5%。

2.2.3 與其他專業(yè)的條件關系

分析儀廠商確定之后，需按照技術(shù)協(xié)議及廠商條件向相關專業(yè)提出分析儀正常運行所需的公用工程條件。

(1)向工藝及配管專業(yè)提蒸汽條件:比值分析儀需要一路1.0MPa、150℃飽和蒸汽進入分析儀公用工程輔助系統(tǒng)，由輔助系統(tǒng)將蒸汽分為三路：一路蒸汽用于探頭冷指，使得上升樣氣中的大部分含硫蒸汽冷凝成液態(tài)硫返回到工藝管道中；一路高壓蒸汽用于探頭頂部蒸汽伴熱，確保沒有固態(tài)硫析出；最后一路蒸汽用于進樣夾套球閥伴熱以及機柜的保溫。

(2)向電氣專業(yè)提用電條件: 一路220VAC,50HZ,1000W普通電源。

(3)儀表空氣條件：一路儀表風吹掃，壓力0.4～0.7MPa；儀表空氣條件在項目前期整個裝置統(tǒng)一規(guī)劃，向工藝專業(yè)提出儀表空氣的溫度、壓力、用量、質(zhì)量要求等條件時，一并考慮比值分析儀的儀表空氣用量要求。

(4)分析儀帶分析柜，提條件給配管及結(jié)構(gòu)專業(yè)，考慮安裝維護空間及荷載。

2.3 安裝調(diào)試存在的問題以及解決方案

在某項目中，由于比值分析儀供貨商未按設計文件要求的分工界面供貨，比值分析儀探頭、輔助系統(tǒng)、光譜分析系統(tǒng)均零散供貨至現(xiàn)場，且未配裝帶齊所有安裝材料，造成比值分析儀安裝幾經(jīng)折騰，主要問題如下：

(1)某比值分析儀探頭上接口較多，在連接公用工程介質(zhì)及與輔助系統(tǒng)、光譜系統(tǒng)時難免會出現(xiàn)失誤。由于此分析儀要求進入總管的是1.0MPa的飽和蒸汽，以確保經(jīng)過輔助系統(tǒng)至探頭頂部的伴熱蒸汽品質(zhì)。但裝置無法提供飽和蒸汽，為防止因伴熱影響探頭正常工作，將蒸汽管路稍作改動：單獨提供一路1.0MPa蒸汽從探頭H口， I口出，確保伴熱蒸汽品質(zhì)；蒸汽總管壓力改為 0.4MPa，分別用于探頭除霧蒸汽與根部夾套球閥的伴熱。其余管路根據(jù)探頭以及分析柜上的字母標識連接。經(jīng)與比值分析儀現(xiàn)場服務工程師多次溝通，形成安裝方案見圖5。

圖5 某品牌比值分析儀安裝示意圖

(2)進出分析柜的光纖孔是現(xiàn)場開孔，今后需明確分析系統(tǒng)集成商在制造過程中開孔，并做好密封處理。現(xiàn)場開孔程序復雜，且孔的大小與光纖不能完全匹配，漏空處用膠泥封住，存在破壞分析柜整體正壓通風防爆結(jié)構(gòu)的風險。

(3)現(xiàn)場有機柜保溫的蒸汽進出口，但是在安裝手冊上無此安裝說明，現(xiàn)場指導安裝的工程師也建議在當?shù)丨h(huán)境下無需機柜保溫，最終用法蘭蓋將開口盲住。今后需明確要求分析系統(tǒng)集成商按實際情況設計分析柜。

(4)由于分析儀各個組成部分是現(xiàn)場安裝的，所有的伴熱管線未提前做好保溫絕熱措施，并且忽略了此項工作，后期在開車投運前檢查時才發(fā)現(xiàn)管線未做好保溫絕熱措施，后由現(xiàn)場保溫施工人員完成保溫絕熱工作。

(5)比值分析儀調(diào)試前，檢查所有條件：啟動蒸汽伴熱，并確保蒸汽滿足要求；啟動儀表風，調(diào)節(jié)儀表風壓力；給系統(tǒng)上電，等待探頭預熱兩個小時以上，溫度達到150℃左右，即可開機進行系統(tǒng)調(diào)試。調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)由于除霧低壓蒸汽與球閥保溫共用一路伴熱及疏水, 除霧低壓蒸汽出口壓力低于蒸汽冷凝總管壓力，導致整個除霧低壓蒸汽回路被短路，管路無蒸汽流。為避免除霧失效，引起含硫尾氣堵塞取樣管路，將除霧低壓蒸汽F出口單獨排放，解決了該問題。

2.4 開車投運及日常維護

2.4.1 開車投運

按照比值分析儀投運要求，做好開車前準備工作，開車成功后將分析儀投運。以某品牌比值分析儀為例，投運時出現(xiàn)了一些問題：

(1)比值分析儀現(xiàn)場人機界面上有讀數(shù)，但DCS畫面無法顯示實測值，在現(xiàn)場運行“iotest”程序，現(xiàn)場給定一個輸出，給定的輸出能夠在DCS畫面顯示，由此判定是通道出現(xiàn)了故障。為此排查整個回路的接線及卡件，把I/O底板電源模塊摘除后，信號傳輸正常。這是由于分析儀已經(jīng)單獨供了220VAC的UPS電源，電源線和信號線是分開的，信號輸出是無源輸出，底板帶電反而干擾信號傳輸。

(2)光譜能量偏低，導致測量數(shù)據(jù)亂跳。首先檢查探頭頂部高壓蒸汽質(zhì)量，排除探頭鏡片污染導致的能量低。然后在現(xiàn)場人機界面上根據(jù)調(diào)整波段調(diào)整光譜能量，將光譜能量調(diào)整至1000～60000之間，調(diào)整后數(shù)據(jù)顯示穩(wěn)定。

比值分析儀正式投運后，開車階段記錄的數(shù)據(jù)見表1。

表1 某品牌比值分析儀開車階段分析數(shù)據(jù)

由表1可以得出結(jié)論： H2S/SO2的值逐步趨近于2，開車投料初始階段，由于上游裝置來料流量不穩(wěn)定，操作人員操作經(jīng)驗不足，比值分析儀未投自動，H2S未能充分燃燒，濃度偏大，但隨著運行狀態(tài)的穩(wěn)定，克勞斯反應參數(shù)趨于合理，H2S-2SO2的數(shù)值在零附近振蕩，達到工藝控制H2S與SO2比值2∶1的目的。該儀表在裝置運行以來，在燃燒控制中發(fā)揮了極大的作用，控制有效精確。

2.4.2 日常維護

日常維護主要包括：觀察分析儀人機界面中紫外光強度是否正常；檢查公用工程輔助系統(tǒng)的溫度、壓力是否滿足要求；定期檢查測量池透光鏡片是否被污染；定期清洗探頭、更換光源燈工作。

3 注意事項及改進之處

設計過程中的每一個環(huán)節(jié)對儀表的正常工作都有著重要的影響，注意事項和改進之處如下：

(1)在設計中要充分理清工藝流程需求，根據(jù)相關檢測儀表的測量原理、運行條件，選擇安全可靠、技術(shù)先進、性價比高的儀表。

(2)明確對比值分析儀的技術(shù)要求，與廠家簽訂技術(shù)協(xié)議時，需明確分析儀公用工程需求及交界面，并保持與其他相關專業(yè)的溝通和條件傳遞，確保滿足分析儀需求的公用工程條件，若不能滿足，則應共同商定其他可行方案，在技術(shù)協(xié)議中明確方案并形成書面文字，同時將形成的方案落實到各專業(yè)設計圖紙中，為后期施工安裝打好基礎。

(3) 明確要求分析儀必須集成一體密閉機柜供貨，并應提供分析儀安裝所需的全部附件，包括：管路、管件、法蘭、安裝托架等，裝配好全部的配管及接線，構(gòu)成完整的系統(tǒng)供貨至現(xiàn)場；公用工程采用箱體固定的標準接入，不得散件到貨現(xiàn)場組裝；若實在無法滿足整體發(fā)貨的要求，則需提供詳細的安裝圖紙和所有的安裝材料，并提供現(xiàn)場安裝指導。

(4)要求分析儀廠家提供詳細的供貨節(jié)點計劃和各環(huán)節(jié)驗收工作，設計應全程參與，做好FAT工作，保證技術(shù)協(xié)議上的細節(jié)落到實處，避免現(xiàn)場施工過程中出現(xiàn)不必要的麻煩和更改。

(5)熟悉相關規(guī)范和程序文件，重視細節(jié)、改變固有的設計習慣，具體問題具體對待，總結(jié)經(jīng)驗教訓，舉一反三。

4 結(jié)語

在硫磺回收裝置Claus燃燒爐應用比值分析儀參與燃燒配風控制，可有效提高硫的轉(zhuǎn)化率和回收率，從比值分析儀在某硫磺回收裝置的控制應用情況來看，響應時間快、測量準確、運行穩(wěn)定，能夠較好地滿足克勞斯工藝控制需求，對提高硫的轉(zhuǎn)化率、保證裝置的平穩(wěn)運行、保護環(huán)境等方面起到了重要作用。