楊 振

東華工程科技股份有限公司 合肥 230024

比值分析儀在硫磺回收裝置中的應(yīng)用

楊 振*

東華工程科技股份有限公司 合肥 230024

本文論述克勞斯硫磺回收工藝中尾氣在線(xiàn)分析的檢測(cè)原理，介紹硫磺比值分析儀的系統(tǒng)組成，并提出硫磺比值分析儀的安裝與使用的注意事項(xiàng)。

比值分析儀 硫磺回收 紫外光譜法

在石油化工生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量含有H2S、SO2等危害氣體的尾氣，直接排放大氣會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。隨著社會(huì)的發(fā)展，國(guó)家對(duì)石油化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中環(huán)保的要求越來(lái)越高，我國(guó)于1997年制定《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》來(lái)限制H2S、SO2等大氣污染物的排放。為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)等目的，石油化工生產(chǎn)尾氣中的H2S、SO2氣體普遍采用硫回收裝置進(jìn)行回收[1]。

1 硫磺回收工藝

克勞斯硫回收工藝是近年來(lái)國(guó)外發(fā)展的硫磺回收先進(jìn)工藝技術(shù)，一般采用工藝路線(xiàn)成熟的高溫?zé)岱磻?yīng)和兩級(jí)/三級(jí)催化反應(yīng)工藝。根據(jù)酸性氣中H2S含量不同，可以采用部分燃燒法或分流法。酸性氣中H2S濃度較高時(shí)通常采用部分燃燒法，此法是將全部原料氣引入制硫燃燒爐，在爐中按制硫所需的O2量嚴(yán)格控制配風(fēng)比, 使H2S燃燒后生成SO2的量滿(mǎn)足H2S：SO2接近于2：1。H2S與SO2在燃燒爐內(nèi)發(fā)生高溫反應(yīng)生成氣態(tài)硫磺，未完全反應(yīng)的H2S和SO2再經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化器，在催化劑的作用下，進(jìn)一步完成轉(zhuǎn)化過(guò)程。酸性氣濃度較低時(shí)常采用分流法，將一部分的原料氣引入制硫燃燒爐，在爐中按制硫所需的O2量嚴(yán)格控制配風(fēng)比，使H2S在爐中全部生成SO2；另外一部分的原料氣在爐后與其混合進(jìn)一、二級(jí)轉(zhuǎn)化器，在催化劑的作用下，發(fā)生克勞斯反應(yīng)生成硫磺，完成制硫過(guò)程。無(wú)論采用哪種方式，硫磺回收裝置的核心是控制好H2S與SO2的比值[2]。 H2S與SO2比值越接近于2，平衡轉(zhuǎn)化率越高。因此，制硫尾氣線(xiàn)上設(shè)置H2S/SO2在線(xiàn)分析儀是硫磺回收裝置檢測(cè)儀表的關(guān)鍵。

2 檢測(cè)原理

目前市場(chǎng)上硫磺比值分析儀通常都是在采用紫外光度法分別檢測(cè)H2S 與SO2的體積百分比濃度的基礎(chǔ)上，將兩者相除計(jì)算，以獲得該比值。以聚光公司OMA-3510為例，硫磺比值分析儀采用全息光柵分光技術(shù)和差分光學(xué)吸收光譜分析技術(shù)，利用各化學(xué)組分對(duì)不同波長(zhǎng)光波產(chǎn)生不同的特征吸收譜線(xiàn)的特質(zhì)，通過(guò)對(duì)被測(cè)介質(zhì)連續(xù)吸收光譜衰減的分析，精確計(jì)算出不同化學(xué)組分的含量。

比值分析儀的光學(xué)檢測(cè)原理見(jiàn)圖1。分析儀主要由光源模塊、樣氣室、檢測(cè)器、光路基座及光學(xué)校驗(yàn)鏡等組成。

圖1 硫磺比值分析儀光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)

光源可采用閃爍氙燈或連續(xù)氘燈，光譜檢測(cè)范圍為190～450nm。樣氣室是一個(gè)兩端帶石英窗的不銹鋼封閉長(zhǎng)管，具有樣氣入口和出口。檢測(cè)器由4個(gè)單獨(dú)的配有高精度光過(guò)濾器的硅光電二極管組成。光路基座是一個(gè)大口徑的不銹鋼管，一部分在電氣箱內(nèi)，一部分在樣氣箱內(nèi)與檢測(cè)器箱連通。其工作原理：一束由單光源氙燈發(fā)出的紫外脈動(dòng)閃爍光經(jīng)過(guò)濾光器后， 只有被測(cè)氣體組分的吸收波長(zhǎng)光譜和參比基準(zhǔn)光譜的紫外光通過(guò)透鏡再平行射出，該光束穿過(guò)樣氣室再進(jìn)檢測(cè)器。當(dāng)被測(cè)混和氣體流經(jīng)樣氣室時(shí)，相應(yīng)波長(zhǎng)的光譜被待測(cè)氣體組分吸收，剩余的光譜再同時(shí)經(jīng)過(guò)高精度濾光器到達(dá)檢測(cè)器，各個(gè)濾光器只允許特定波長(zhǎng)的被測(cè)氣體組分的吸收光譜(依次對(duì)應(yīng)H2S、SO2、硫蒸汽和參比基準(zhǔn))通過(guò)[3]。

3 系統(tǒng)組成

硫磺比值分析儀系統(tǒng)組成見(jiàn)圖2。主要分為采樣系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)。

圖2 硫磺比值分析儀系統(tǒng)

采樣系統(tǒng)主要由采樣探頭、進(jìn)樣閥、硫磺捕集器、樣氣室、射流泵組成。樣氣被射流泵抽取，經(jīng)過(guò)采樣探管和硫磺捕集器進(jìn)氣體室，經(jīng)光譜儀測(cè)量尾氣中的H2S與SO2氣體成分后，尾氣回排至工藝管道。在樣氣采集的過(guò)程中，硫磺堵塞是行業(yè)共性的難題，因?yàn)榱蚧窃?30℃以下會(huì)發(fā)生結(jié)晶[4]。為了防止硫磺堵塞，工程中通常采取以下三種措施：

(1)比值分析儀直接安裝在工藝管線(xiàn)上，減少采樣管線(xiàn)，以減少硫磺堵塞的可能性；同時(shí)，采樣探頭插入工藝管線(xiàn)的中心保證了所取樣氣具有代表性。

(2)硫磺捕集器外部包纏管，以氮?dú)饣蛘呖諝鈸Q熱冷卻。通過(guò)分析器柜上的截止閥控制風(fēng)量，使得硫磺捕集器出口樣氣溫度低于120℃，樣氣中的氣態(tài)硫磺被冷凝析出，冷凝出的液態(tài)硫磺在重力作用下排回工藝管線(xiàn)，達(dá)到了除去樣氣中夾帶的硫霧并降低樣氣中的硫蒸汽壓力的目的。

(3)設(shè)置必要的輔助系統(tǒng)，包括電伴熱、蒸汽伴熱、反吹系統(tǒng)等。為防止采樣系統(tǒng)堵塞和保證分析儀安全運(yùn)行，工程中通常采取電伴熱和蒸汽伴熱相結(jié)合的保溫方式，并可在樣氣管線(xiàn)發(fā)生堵塞時(shí)啟動(dòng)空氣反吹或蒸汽反吹?？諝夥创凳侵缚諝庖宦贩聪蜻M(jìn)硫磺捕集器、進(jìn)樣閥吹掃采樣探頭；另一路則經(jīng)過(guò)樣氣室、吸氣器、回樣閥吹掃回樣口，其主要作用是防止系統(tǒng)堵塞。當(dāng)除霧器和樣氣室溫度、樣氣室壓力或儀表風(fēng)壓力中任何一個(gè)超出預(yù)先設(shè)定的正常范圍時(shí)，都會(huì)啟動(dòng)空氣自動(dòng)反吹以清潔采樣系統(tǒng)，故障清除后儀表自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行。在儀表預(yù)熱階段或電源發(fā)生故障時(shí), 儀表自動(dòng)保持反吹狀態(tài)直到樣氣室溫度達(dá)到正常范圍。為保證采樣系統(tǒng)的清潔, 可通過(guò)程序設(shè)置定期空氣反吹。

電控系統(tǒng)使用正壓通風(fēng)保護(hù)，主要包括控制器、加熱器、繼電器、電磁閥、熱電阻、電源及其它電子模塊等?？刂破魇瞧浜诵模峁┝怂械目刂坪妥詸z功能，可以設(shè)定輸出各種測(cè)量參數(shù)和故障信息，也可通過(guò)RS―485接口實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，系統(tǒng)采用程序控制方式實(shí)現(xiàn)溫控、壓控、吹掃、定時(shí)和檢測(cè)， 并按特定的控制算法來(lái)計(jì)算H2S和SO2的百分比濃度及其比值。

4 安裝與使用

硫磺比值分析儀安裝前，需要在管道上焊接夾套式法蘭及接管。然后在法蘭上面安裝全通徑球閥和探頭法蘭，固定探頭。探頭提供拆裝手柄，方便實(shí)現(xiàn)探頭安裝或拆卸。探頭法蘭內(nèi)有盤(pán)根密封，同時(shí)內(nèi)置保護(hù)氣吹掃口，用以連接壓縮空氣，避免運(yùn)行過(guò)程中H2S泄漏。硫磺比值分析探頭安裝見(jiàn)圖3。

圖3 硫磺比值分析探頭安裝

硫磺比值分析儀投用前需具備的條件：① 啟動(dòng)蒸汽伴熱及電伴熱，確保所有保溫措施投入使用。這一點(diǎn)非常重要，直接關(guān)系到分析儀使用效果；② 儀表風(fēng)要求風(fēng)壓不低于4.5 bar，并在儀表風(fēng)接入分析儀之前安裝濾油、濾水裝置?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)器箱位于表的右側(cè)面，需要放置硅膠干燥劑。

硫磺比值分析儀在維護(hù)性檢修中注意事項(xiàng)：

(1)疏通射流泵。此檢修發(fā)生于儀表顯示報(bào)警“探頭堵塞”或顯示數(shù)值長(zhǎng)時(shí)間無(wú)變化并且手動(dòng)吹掃后數(shù)值為零的情況。具體操作為：先用內(nèi)六角螺絲刀關(guān)閉探頭上方的維護(hù)球閥，再用內(nèi)六角螺絲刀將氣體室拆下來(lái)，然后用細(xì)鋼絲或其他物件疏通射流泵直到射流泵向內(nèi)吸氣為止。最后將維護(hù)球閥打開(kāi)裝上氣體室即可。

(2)疏通探頭。此檢修一般周期為一年甚至更長(zhǎng)。發(fā)生于疏通射流泵后數(shù)值依然為零或顯示探頭堵塞的情況。具體操作為：拆開(kāi)連接在探頭上的所有氣路，打開(kāi)焊接球閥保護(hù)氣然后將探頭拔出來(lái)，檢查探頭下方的斜口處是否堵塞，若堵塞則用硬物疏通或用高溫蒸汽吹掃疏通。

(3)蒸汽系統(tǒng)的維護(hù)。若冬天氣溫過(guò)低時(shí)有可能將蒸汽冷凝，此時(shí)需要將蒸汽出口處加上保溫，保證蒸汽不冷凝。

(4)擦洗光纖和透鏡。此操作發(fā)生于透鏡或探頭污染時(shí)的清洗[5]。

5 投運(yùn)及運(yùn)行情況

以某項(xiàng)目為例，按照以上要求做好開(kāi)車(chē)前所有準(zhǔn)備工作。開(kāi)車(chē)階段記錄的初始數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 硫磺比值分析儀投運(yùn)原始數(shù)據(jù)

由表1可以得出結(jié)論：

(1)H2S/SO2兩者比值最終趨近于2:1。剛開(kāi)始投料時(shí)，工藝運(yùn)行不穩(wěn)定，H2S未能充分燃燒，H2S/SO2兩者比值大于2:1。隨著工藝操作的穩(wěn)定，H2S/SO2兩者比值逐漸下降，最終趨近于2:1。這正符合克勞斯反應(yīng)規(guī)律。因?yàn)樵诳藙谒沽蛑品磻?yīng)中，SO2是由H2S部分燃燒產(chǎn)生的，通過(guò)加入的空氣量的多少可以控制SO2的產(chǎn)生比例。

(2)以H2S+SO2(%)作為參考指標(biāo)，當(dāng)H2S/SO2兩者比值為1.9時(shí)，H2S、SO2兩者總含量最小。當(dāng)H2S/SO2兩者比值大于1.9時(shí)，H2S+SO2(%)呈增大的趨勢(shì)。這也符合克勞斯制硫反應(yīng)的理想摩爾比的條件，即H2S/SO2配比維持在2:1左右，硫的轉(zhuǎn)化率最高，剩余H2S和SO2量最小，反之則有增大的趨勢(shì)。隨著時(shí)間的推移，操作條件的變化使數(shù)據(jù)與理想曲線(xiàn)更加吻合。

該分析儀投運(yùn)一年來(lái)運(yùn)行正常。由于沒(méi)有長(zhǎng)距的取樣管線(xiàn)且對(duì)取樣法蘭及閥門(mén)采用了蒸汽伴熱，從根本上避免了硫冷凝堵塞取樣管的問(wèn)題。運(yùn)行中取樣管線(xiàn)除儀表正常的自動(dòng)吹掃外，無(wú)需人工清理。H2S/SO2比值、H2S含量、SO2含量也是趨近于理想曲線(xiàn)的。

6 結(jié) 語(yǔ)

傳統(tǒng)的人工化驗(yàn)，由于其化驗(yàn)周期長(zhǎng)，化驗(yàn)結(jié)果缺乏實(shí)時(shí)連續(xù)性且人為誤差較大，很難滿(mǎn)足現(xiàn)代化工業(yè)先進(jìn)自動(dòng)化水平的要求。在線(xiàn)分析儀具有自動(dòng)校零、自檢驗(yàn)、自動(dòng)報(bào)警的功能。此外，分析儀配有RS485串行通信口，數(shù)據(jù)信號(hào)可接入DCS實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)監(jiān)控。目前，硫磺比值在線(xiàn)分析儀已廣泛應(yīng)用于克勞斯法硫磺回收裝置中。

1 佟新宇.硫磺裝置硫比值分析儀的在線(xiàn)分析及應(yīng)用控制[J].自動(dòng)化儀表，2009，30(1)：23-30.

2 國(guó)家環(huán)境保護(hù)局.石油化學(xué)工業(yè)廢氣治理[M].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，1996：50-54.

3 王 森.在線(xiàn)分析儀器手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：95-101.

4 劉光啟.化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001：228-229.

5 陳 怡.硫回收裝置中比值分析儀存在的問(wèn)題和解決辦法[J].石油化工自動(dòng)化，2013，49(3)：68-70.

(修改回稿 2016-09-18)

*楊 振：工程師。2007年畢業(yè)于北京化工大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)。從事自控設(shè)計(jì)工作。聯(lián)系電話(huà)：13966701401， E-mail:yangzhen@chinaecec.com。