王 琪

(中國石油西南油氣田公司重慶天然氣凈化總廠渠縣分廠，四川 達(dá)州 635200)

目前，對(duì)SO2及H2S等酸性廢氣的處理是環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的主要課題之一，煙氣脫硫技術(shù)至今已經(jīng)200多種[1]。在天然氣處理工藝中，硫磺等酸性廢氣的回收也是至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。筆者以土庫曼斯坦巴格德雷A區(qū)天然氣處理工藝為例，根據(jù)裝置的工藝、原理和設(shè)計(jì)特點(diǎn)，針對(duì)酸性氣的負(fù)荷變化和組分變化，分別設(shè)計(jì)了前饋控制和反饋控制回路，實(shí)現(xiàn)了硫磺回收裝置對(duì)H2S等氣體的高回收率。

1 硫磺回收裝置的工藝和原理①

從脫硫脫碳裝置出來的酸性氣與從主風(fēng)機(jī)送來的空氣按一定配比，在主燃燒爐內(nèi)進(jìn)行克勞斯反應(yīng)，在主燃燒爐內(nèi)約66%的H2S將轉(zhuǎn)化為硫元素。主燃燒爐出來的高溫氣流經(jīng)余熱鍋爐E-1401(Ⅰ)冷卻后進(jìn)入一級(jí)硫磺冷凝冷卻器E-1402(Ⅰ)冷卻；分離出液硫后經(jīng)一級(jí)再熱爐H-1402(Ⅰ)加熱至所需的反應(yīng)溫度，進(jìn)入一級(jí)反應(yīng)器R-1401(Ⅰ)，在此反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行常規(guī)克勞斯反應(yīng)，并使CS2和COS充分水解。

為便于敘述，假設(shè)二級(jí)反應(yīng)器R-1402(Ⅰ)處于再生態(tài)，三級(jí)反應(yīng)器R-1403(Ⅰ)處于吸附態(tài)。

過程氣在進(jìn)入二級(jí)反應(yīng)器R-1402(Ⅰ)之前需進(jìn)行冷卻，經(jīng)二級(jí)硫磺冷凝冷卻器E-1403(Ⅰ)分離出液硫后的過程氣，再經(jīng)二級(jí)再熱爐H-1403(Ⅰ)加熱至催化劑再生所需的溫度后進(jìn)入二級(jí)反應(yīng)器R-1402(Ⅰ)，在此反應(yīng)器中，上一周期吸附在催化劑上的液硫逐步汽化，從而使催化劑除硫再生，并進(jìn)行常規(guī)克勞斯反應(yīng)。出二級(jí)反應(yīng)器R-1402(Ⅰ)的過程氣經(jīng)三級(jí)硫磺冷凝冷卻器E-1404(Ⅰ)冷卻除硫后，不經(jīng)再熱而直接進(jìn)入三級(jí)反應(yīng)器R-1403(Ⅰ)，在其內(nèi)進(jìn)行低溫克勞斯反應(yīng)。出三級(jí)反應(yīng)器R-1403(Ⅰ)的過程氣進(jìn)入四級(jí)硫磺冷凝冷卻器E-1405(Ⅰ)，冷卻分離出液硫后進(jìn)入液硫捕集器D-1402(Ⅰ)，從捕集器出來的尾氣送入尾氣焚燒爐H-1404(Ⅰ)焚燒，焚燒后的廢氣通過煙囪排放。

主燃燒爐中的主要化學(xué)反應(yīng)如下：

催化反應(yīng)器中的化學(xué)反應(yīng)如下：

2 裝置的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

土庫曼斯坦巴格德雷A區(qū)天然氣處理工藝中的硫磺回收裝置，應(yīng)用先進(jìn)、成熟的低溫克勞斯技術(shù)，最后一級(jí)反應(yīng)器中的過程氣在硫蒸氣露點(diǎn)溫度下進(jìn)行克勞斯反應(yīng)，從而使硫回收率得到盡可能的提高；低溫克勞斯反應(yīng)段催化劑的再生熱源為上游克勞斯反應(yīng)段經(jīng)分硫和再熱后的過程氣本身，無需單獨(dú)設(shè)置再生系統(tǒng)和補(bǔ)充再生能量，流程簡單、占地少、操作和維修都比較方便；裝置設(shè)置了高精度、高靈敏度的H2S/SO2在線分析儀反饋控制系統(tǒng)，滿足高轉(zhuǎn)化率的要求[2]；裝置進(jìn)料酸性氣濃度較高，酸性氣全部引入主燃燒爐，主燃燒爐的溫度達(dá)1 041℃，既可確保維持穩(wěn)定燃燒，又有利于提高硫回收率；裝置過程氣的再熱采用燃料氣再熱爐，操作控制靈活、可靠；為提高硫回收率并充分利用熱源，該裝置的三、四級(jí)硫磺冷凝冷卻器采用預(yù)熱鍋爐給水方案，以降低過程氣(尾氣)出口溫度。三、四級(jí)硫磺冷凝冷卻器產(chǎn)生的熱水，一部分供給余熱鍋爐和一、二級(jí)硫磺冷凝冷卻器上水，其余返回鍋爐房。

3 系統(tǒng)控制原理

在天然氣處理工藝的硫磺回收系統(tǒng)中，設(shè)置兩臺(tái)流量調(diào)節(jié)閥對(duì)進(jìn)入主燃燒爐的空氣流量進(jìn)行控制，一臺(tái)用于主空氣調(diào)節(jié)回路，使進(jìn)爐的酸性氣量和空氣量保持一定的比例，確保達(dá)到預(yù)定的硫磺回收率；另一臺(tái)調(diào)節(jié)閥用于H2S/SO2比例反饋控制，通過在回收裝置過程氣管線上設(shè)置H2S/SO2比例在線分析儀，將空氣需求量控制系統(tǒng)的輸出信號(hào)引入，確保過程氣中H2S∶SO2為2∶1，以便獲得更高的調(diào)節(jié)精度，實(shí)現(xiàn)氣/風(fēng)比例的最佳控制[3]。

4 重要控制回路

天然氣處理硫磺回收控制系統(tǒng)由前饋控制和反饋控制構(gòu)成，前饋控制主要用于酸性氣負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)對(duì)空氣量進(jìn)行補(bǔ)償；反饋控制主要用于酸性氣H2S組分變化時(shí)對(duì)空氣量進(jìn)行補(bǔ)償。

4.1 前饋控制回路

主空氣回路控制流程如圖1所示。支路空氣回路控制流程如圖2所示。圖1、2中，F(xiàn)Q1405為溫壓補(bǔ)償后的酸性氣流量；FQ1408為溫壓補(bǔ)償后的主路空氣流量；FQ1410為溫壓補(bǔ)償后的支路空氣流量；HC1416為設(shè)定初次理論支路空氣流量(次當(dāng)量燃燒理論空氣流量)，范圍為0～3 000m3/h，缺省值2 349m3/h，可參考FY1407；HC1405為理論酸空比(賦值范圍設(shè)計(jì)為0.0～2.5，為防止操作錯(cuò)誤進(jìn)行限幅輸入1.0～2.2)，設(shè)定可參考KI1410；KI1410為實(shí)際空酸比；FY1416=FQ1405×HC1405-HC1416=主路空氣調(diào)節(jié)器設(shè)定值SP；FY1407=FQ1408+FQ1410=總空氣流量；FY1405=FQ1405×HC1405-FQ1408=理論支路空氣需求值，可看作HC1416。

圖1 主空氣回路控制流程

圖2 支路空氣回路控制流程

以酸性氣負(fù)荷增加為例：酸性氣負(fù)荷FQ1405增加，由于酸性氣成分未變，即HC1405、HC1416未變化，F(xiàn)Y1416=FQ1405×HC1405-HC1416=主路空氣調(diào)節(jié)器FIC1408設(shè)定值SP增加，SP與PV偏差增大，F(xiàn)IC1408輸出增加，F(xiàn)V1408開度增大，F(xiàn)Q1408增加直至SP值達(dá)到新的平衡。同時(shí)支路空氣需求值FY1405=FQ1405×HC1405-FQ1408增加，由于組分未變化，AIC1401保持不變，且HC1406_1處于自動(dòng)狀態(tài)，輸出FIC1410_1D的SP值增加，F(xiàn)V1410_1閥位開大，支路空氣量增加，此變化再由支路調(diào)節(jié)回路進(jìn)行調(diào)整。空氣量的調(diào)整由酸性氣負(fù)荷變化通過酸空比的運(yùn)算以及主路、支路空氣調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣量的實(shí)時(shí)控制，保證主爐的酸性氣轉(zhuǎn)化率。

4.2 反饋控制回路

反饋控制回路控制流程如圖3所示，其中AI1401_1為2∶1分析儀信號(hào)；T1401為酸性氣進(jìn)主爐到分析儀檢測(cè)口的時(shí)間段，設(shè)定范圍0～400s，缺省值120s；K1401為增益系數(shù)，設(shè)定范圍0.0%～2.0%；B1401為設(shè)定過程氣H2S/SO2的正常范圍，工況要求過程氣H2S/SO2比例變化范圍在-B～+B(與DCS的設(shè)置對(duì)應(yīng)即可)間；HC1406為AIC1401分析儀調(diào)節(jié)器輸出投入/切除選擇，HC1406投手動(dòng)時(shí)HC1406.OP=FY1405.OP，HC1406投自動(dòng)時(shí)HC1406.OP=FY1405.OP+AIC1401.OP。

圖3 反饋控制回路控制流程

以過程氣H2S/SO2比例發(fā)生變化為例：實(shí)際酸性氣中H2S組分隨時(shí)可能變化，即使酸性氣總量不變，只是H2S成分變化，也會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入主燃燒爐的空氣量波動(dòng)。該裝置對(duì)工藝燃燒的過程氣的要求是檢測(cè)輸出為50%，也就是盡可能地實(shí)現(xiàn)H2S和SO2的2∶1比例混合反應(yīng)生成單質(zhì)硫。

過程氣分析儀AIC1401檢測(cè)到H2S/SO2比例發(fā)生變化，AIC1401的AI1401.PV值>B1401，則AIC1401.OP等于前次AIC1401.OP+HC1405×K1401×0.01，支路空氣調(diào)節(jié)器設(shè)定值HC1406.OP=FY1405.OP+AIC1401.OP增加，等待T1401時(shí)間后將變化后的值輸出給FIC1410，支路空氣調(diào)節(jié)器PV與SP偏差減小，F(xiàn)IC1410輸出增大，F(xiàn)V1410開度增加，支路空氣流量FQ1410增加至SP值后到達(dá)新的穩(wěn)定，調(diào)整的結(jié)果是使AIC1401對(duì)過程氣的檢測(cè)結(jié)果輸出為50%，實(shí)現(xiàn)反饋控制；T1401為酸性氣進(jìn)爐燃燒再通過管道到達(dá)分析儀的時(shí)間，受流量、溫度以及回壓等因素影響，實(shí)際使用時(shí)需要根據(jù)具體工況調(diào)整，默認(rèn)值為120s。

同樣，當(dāng)過程氣分析儀AIC1401檢測(cè)到AIC1401的AI1401.PV值

5 結(jié)束語

筆者針對(duì)天然氣處理工藝硫磺回收系統(tǒng)的酸性氣負(fù)荷變化設(shè)計(jì)了前饋控制，對(duì)酸性氣組分變化設(shè)計(jì)了反饋控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)H2S氣體的高回收率。在國家能源引進(jìn)項(xiàng)目土庫曼斯坦天然氣凈化硫磺回收裝置中的實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，操作簡便，而且H2S的回收率也大幅提高，繼而推廣到該項(xiàng)目中大量運(yùn)用。

[1] 余蘭蘭,鄭凱,陳穎,等.剩余污泥改性制備煙氣脫硫吸附劑的研究[J].化工機(jī)械,2011,38(6):700～703,724.

[2] 鄭利武,張進(jìn)偉,陳生龍,顧海濤.在線分析系統(tǒng)在硫磺回收工藝的應(yīng)用[J].化工自動(dòng)化及儀表,2012,39(10):1343～1346,1355.

[3] 李雪梅,王國榮,任禮道.H2S/SO2比值控制系統(tǒng)在硫磺回收裝置的應(yīng)用[J].化工自動(dòng)化及儀表,2013,40(2):280～282.