徐揚(上海河圖工程股份有限公司武漢分公司，湖北 武漢 430000)

1 概述

隨著我國國民經(jīng)濟持續(xù)、快速發(fā)展，能源需求量明顯加大，原油進口數(shù)量逐年增加，尤其是含硫原油進口量大幅上升。隨著進口原油資源重質(zhì)化和硫含量不斷增高，加工深度和產(chǎn)品質(zhì)量要求不斷提高以及對環(huán)保要求日趨嚴格，硫在原油加工過程中存在極大的危害，如不及時將其脫除將嚴重腐蝕設(shè)備，影響裝置的長周期運行。同時硫的存在也嚴重影響產(chǎn)品質(zhì)量，各國對油品中的硫含量均有嚴格的標準。我國對與油品中含硫含量的排放量相關(guān)規(guī)定：

在GB 18352.6—2016(簡稱：國六標準)《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》中，環(huán)保指標進一步加嚴，其中硫含量從50×10-6降到10×10-6以下。

GB 31570—2015 《石油煉制工業(yè)污染物排放標準》中，對SO2排放濃度有嚴格規(guī)定。工藝加熱爐SO2排放量<50 mg/m3；催化裂化催化劑再生煙氣SO2排放量<50 mg/m3；酸性氣回收裝置SO2排放量<100 mg/m3。

因此必須對煉油過程中的硫進行脫除并加以回收，以減輕或避免其直接排放造成的環(huán)境污染。

硫磺回收裝置的作用就是對煉油過程中產(chǎn)生的含有硫化氫的酸性氣，采用適當(dāng)?shù)墓に嚪椒ɑ厥詹⑿纬筛碑a(chǎn)物硫磺，實現(xiàn)清潔生產(chǎn)，變廢為寶，降低污染，保護環(huán)境的目的。同時滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求、降低腐蝕，實現(xiàn)裝置長周期安全生產(chǎn)等諸多方面要求。

2 主要工藝簡述

2.1 CLAUS 部分

2.1.1 熱反應(yīng)階段

酸性氣燃燒爐，簡稱：酸爐。將含有H2S 的酸性氣和由鼓風(fēng)機來的預(yù)熱至160 ℃的空氣在燃燒爐內(nèi)進行不完全燃燒，酸性氣進料中約有1/3 的H2S 酸爐中與預(yù)熱空氣燃燒轉(zhuǎn)化成SO2。嚴格控制風(fēng)量，使H2S燃燒后生成的SO2量滿足H2S/SO2分子比等于或接近2,剩余2/3 的H2S 和SO2在高溫下反應(yīng)生成元素硫?？恐亓?jīng)專用的硫封排至液硫槽。

反應(yīng)化學(xué)式如下[1]：

酸爐是Claus 法制硫工藝中最重要的設(shè)備。酸爐由酸性氣燃燒器和爐膛組成。

酸性氣燃燒器是酸性氣燃燒爐中的核心設(shè)備，其性能直接影響裝置的硫回收率及產(chǎn)品質(zhì)量，燃料氣，酸性氣，助燃空氣通過燃燒器，以一定的形式混入后噴入火嘴及爐膛發(fā)生燃燒反應(yīng)。

2.1.2 催化反應(yīng)段

離開制硫燃燒爐的燃燒產(chǎn)物在余熱鍋爐中冷卻到330 ℃，產(chǎn)生高壓飽和蒸氣。

離開制硫燃燒爐余熱鍋爐的過程氣在一級硫冷凝器中冷卻到170 ℃左右。同時在冷凝器中產(chǎn)生低壓蒸氣。燃燒爐中產(chǎn)生的液硫在冷凝器中冷凝，一級硫冷凝器出口管箱設(shè)有除霧器，脫除過程氣中夾帶的像霧一樣的液硫?？恐亓?jīng)專用的硫封排至液硫槽。

離開冷凝器的過程氣進入隨后經(jīng)內(nèi)部產(chǎn)生的飽和高壓蒸氣在加熱器內(nèi)加熱至235 ℃，進入相關(guān)的一級轉(zhuǎn)化器(一轉(zhuǎn)), 在此繼續(xù)進行H2S 和SO2的Claus反應(yīng)，直到在出口條件下達到平衡。

離開一轉(zhuǎn)的過程氣約310 ℃，進入二級硫冷凝器中冷卻到170 ℃左右。同時在冷凝器中產(chǎn)生低壓蒸氣。產(chǎn)生的蒸氣送至內(nèi)部低壓飽和蒸氣總管。一轉(zhuǎn)反應(yīng)器產(chǎn)生的液硫在冷凝器中冷凝，二級硫冷凝器出口管箱設(shè)有除霧器，脫除過程氣中夾帶的像霧一樣的液硫。靠重力經(jīng)專用的硫封排至液硫槽。

過程氣隨后送至二轉(zhuǎn)入口加熱器，由內(nèi)部產(chǎn)生的飽和高壓蒸氣加熱至210 ℃進入二級轉(zhuǎn)化器，在此繼續(xù)進行H2S 和SO2的Claus 反應(yīng)，直到在出口條件下達到平衡。

離開二級轉(zhuǎn)化器的過程氣溫度231 ℃，進入三級硫冷凝器的管程進行最后的冷卻，回收二級轉(zhuǎn)化器中產(chǎn)生的液硫?？恐亓?jīng)專用的硫封排至液硫槽。

離開三級硫冷凝器的過程氣進入尾氣捕集器，尾氣捕集器進一步脫除過程氣中液硫霧氣。捕集到的硫靠重力經(jīng)專用的硫封排至液硫槽，剩余過程氣送至尾氣處理裝置部分。

2.2 加氫部分

離開三級硫冷凝器的尾氣溫度約130 ℃，加熱到適當(dāng)溫度后進入加氫反應(yīng)器進行加氫反應(yīng)和水解反應(yīng)。在催化劑作用下，過程氣中的硫及硫化物幾乎全部轉(zhuǎn)變成H2S。

2.3 急冷吸收再生部分

2.3.1 急冷部分

離開加氫反應(yīng)器的過程氣進入急冷塔，將過程氣冷卻，過程氣中含有的水絕大部分冷凝下來。溫度降低有利于H2S 在氨液吸收塔中的吸收。

為了達到理想的操作條件，設(shè)有H2/H2S 分析儀檢測離開急冷塔的過程氣中殘留的H2/H2S 含量，確保Claus 部分產(chǎn)生的尾氣中含有還原反應(yīng)所需的氫氣。

2.3.2 吸收部分

離開急冷塔的過程氣溫度39 ℃，進入氨液吸收塔。吸收塔中的吸收介質(zhì)貧氨液能脫除進料氣體中含有的全部H2S 和8%左右的CO2。處理后的過程氣體進入尾氣焚燒爐。吸收塔塔頂出口管線上設(shè)有分析儀進行H2S 監(jiān)測。

貧氨液在吸收塔中吸收過程氣生成富氨液后送至氨液再生部分。

2.3.3 氨液再生部分

吸收了H2S 和CO2的富氨液預(yù)熱后，送至氨液再生塔。在氨液再生塔中利用再沸器中產(chǎn)生的水蒸汽，從富氨液中提取所吸收的H2S。再生塔酸性氣作為原料返回Claus 部分，再生后的貧氨液返回吸收塔循環(huán)使用。

2.4 尾氣焚燒部分

各方來的排放氣經(jīng)尾氣焚燒爐(簡稱：尾爐) 進行熱焚燒，使硫化物焚燒為SO2，焚燒爐煙道經(jīng)蒸汽過熱器和余熱鍋爐冷卻到約350 ℃后經(jīng)煙囪排放至大氣。煙囪配有CEMS 分析儀用于監(jiān)測排放污染物含量是否超標。

3 自控聯(lián)鎖保護邏輯及復(fù)雜控制回路設(shè)計

裝置設(shè)有聯(lián)鎖保護邏輯及復(fù)雜控制回路程序，保證裝置平穩(wěn)有序生產(chǎn)。復(fù)雜控制回路程序包括酸性氣焚燒爐配風(fēng)控制、尾爐配風(fēng)控制、余熱鍋爐三沖量控制以及聯(lián)鎖保護邏輯。

3.1 酸性氣焚燒爐配風(fēng)控制

自酸性水氣提裝置來酸性氣與裝置內(nèi)再生酸性氣混合進入酸性氣燃燒器中。燃燒空氣由燃燒爐鼓風(fēng)機供給，進入主燃燒器的全部燃燒空氣被分為2 部分：主風(fēng)控制；微風(fēng)控制。其中主風(fēng)控制約占總風(fēng)量的80%～90%，微風(fēng)控制約占總風(fēng)量的10%～20%。

3.1.1 主風(fēng)控制

圖1為主風(fēng)控制示意圖。

圖1 酸性氣焚燒爐主風(fēng)控制圖

在酸性氣燃燒工況下，將酸性水汽提酸性氣流量值經(jīng)比值運算器運算后計算得出所需的燃燒空氣摩爾數(shù)，再生酸性氣流量值經(jīng)比值運算器計算得出所需的對應(yīng)燃燒空氣摩爾數(shù)。兩路酸性氣所需的對應(yīng)燃燒空氣摩爾數(shù)之和為酸性氣燃燒工況下的所需空氣摩爾數(shù)總和。將該總和的瞬時值除以該總和的最大值并乘以100%轉(zhuǎn)換成百分比值。

燃料氣燃燒工況，燃料氣流量值經(jīng)比值運算器計算得出燃料氣流量所需的燃燒空氣摩爾數(shù)。將該瞬時值除以該總和的最大值并乘以100%轉(zhuǎn)換成百分比值。

操作人員通過選擇相對應(yīng)的工況，將所選擇值乘以主風(fēng)量控制回路SP 的刻度值后作為主風(fēng)控制回路的給定值，繼而控制主風(fēng)控制閥開度來調(diào)節(jié)主路空氣量。

主風(fēng)控制的目的在于，嚴格把控風(fēng)量，保證高的硫轉(zhuǎn)化率。使酸性氣中1/3 的H2S 燃燒生成SO2, 剩余的H2S 與SO2反應(yīng)轉(zhuǎn)化成單質(zhì)硫。

過量的氧會造成與單質(zhì)硫反應(yīng)生成SO2,降低硫的轉(zhuǎn)化率。氧含量不足時，燃燒物質(zhì)中的烴化物不能完全燃燒，會造成結(jié)焦、污染硫，嚴重時會造成爐膛后堵塞，必須停車處理。結(jié)焦的碳黑還會污染催化反應(yīng)工段的催化劑。

3.1.2 微風(fēng)控制

圖2所示為微風(fēng)控制示意圖。

圖2 酸性氣焚燒爐微風(fēng)控制圖

根據(jù)設(shè)置在尾氣捕集器出口管線上的H2S/SO2比值分析儀調(diào)節(jié)微風(fēng)空氣量。目的使捕集器出口管線上的H2S/SO2比值為2, 來控制風(fēng)量。比值太高或太低都不利于催化反應(yīng)段的硫轉(zhuǎn)化率，從而導(dǎo)致尾氣中的H2S 和SO2含量大幅增加，不利于硫的轉(zhuǎn)化。需要注意的是在主回路控制中需將公式H2S/SO2=2 變換為H2S-2SO2=0 來計算。

該復(fù)雜控制目的在于：

(1)使進入燃燒器的酸性氣中1/3 的H2S 燃燒反應(yīng)生成SO2，使60%～70%的H2S 在燃燒爐中轉(zhuǎn)化為硫。(2)提高燃燒溫度，對硫轉(zhuǎn)化有利。(3)燃燒反應(yīng)氣中的所有烴類。(4) 溫度越高越可以抑制副反應(yīng)CS2的產(chǎn)生，利于硫回收。燃燒器達到1 300 ℃時，就不會產(chǎn)生CS2。(5)完全分解酸性氣中的氨，在燃燒器達到1 300～1 350 ℃的情況下，NH3分解后可保證過程氣中NH3的含量小于15×10-6。(6) 如需補充燃料氣進行助燃，可通過選擇模式來完成燃燒過程。(7)H2S 與空氣非完全燃燒，與空氣(O2)比例控制，燃燒目標是使過程氣中H2S/SO2達成2∶1 關(guān)系。在這樣的比例關(guān)系下過程氣在催化轉(zhuǎn)化時會得到較高的硫轉(zhuǎn)化率。

3.2 尾爐配風(fēng)控制

各工段來排放氣在尾爐進行熱焚燒，使硫化物焚燒產(chǎn)生SO2排放濃度符合國家排放標準。

該控制主要根據(jù)燃料氣的流量經(jīng)比值運算器計算得出所需的對應(yīng)燃燒空氣摩爾數(shù)。將該值乘以燃燒空氣控制回路SP 的刻度值后作為燃燒空氣控制回路給定值，繼而控制燃燒空氣控制閥開度來調(diào)節(jié)焚燒爐空氣量[2]。尾爐配風(fēng)控制圖如圖3 所示。

圖3 尾爐配風(fēng)控制圖

3.3 余熱鍋爐三沖量控制

硫磺回收裝置中設(shè)有余熱鍋爐來回收生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的余熱。為控制汽包進水量采用了三沖量液位控制方案，目的是為避免虛假液位對汽包控制的影響。余熱鍋爐三沖量控制圖如圖4 所示。

4 聯(lián)鎖保護邏輯

設(shè)置恰當(dāng)?shù)穆?lián)鎖停車邏輯，可以降低裝置惡性事故發(fā)生的概率，避免重大人身傷害，重大設(shè)備損壞的事故發(fā)生[3]。

4.1 CLAUS 聯(lián)鎖停車邏輯

聯(lián)鎖條件：

(1) 酸爐入口主風(fēng)流量低低報警(a)；(2) 酸爐汽包液位低低報警(a)；(3)酸爐硫冷凝器液位低低報警(a)；(4)酸爐壓力低低報警(a)；(5)酸爐壓力高高報警(b)；(6)酸爐主火焰故障(a)；(7)酸爐入口酸性氣流量低低報警(c)；(8)酸爐酸性氣分液罐流量液位高高報警(c)；(9)酸爐入口燃料氣流量低低報警(d)；(10)燃料氣分液罐流量液位高高報警(d)；(11) 酸爐長明燈火焰故障(e)；(12) 酸爐長明燈燃料氣壓力低低報警(e)；(13)酸爐長明燈空氣壓力低低報警(e)；(14)尾爐停車-一般延時啟動(a)。

聯(lián)鎖條件(a)觸發(fā)聯(lián)鎖時，將導(dǎo)致CLAUS 全停車。聯(lián)鎖結(jié)果為：(1)酸爐酸性氣閥切斷；(2)酸爐燃料氣閥切斷；(3)酸爐空氣閥切斷；(4)酸爐氮氣閥打開；(5)酸爐燃急冷蒸汽閥切斷；(6)酸爐長明燈燃料氣閥切斷。

聯(lián)鎖條件(b)觸發(fā)聯(lián)鎖時，除氮氣吹掃閥不動作外，其余閥門均聯(lián)鎖動作，將導(dǎo)致Claus 全停車。聯(lián)鎖結(jié)果為：(1)酸爐酸性氣閥切斷；(2)酸爐燃料氣閥切斷；(3)酸爐空氣閥切斷；(4)酸爐氮氣閥打開；(5)酸爐燃急冷蒸汽閥切斷；(6)酸爐長明燈燃料氣閥切斷；(7)酸爐長明燈空氣閥切斷；(8)酸爐燃料氣線氮氣閥打開。

聯(lián)鎖條件(c)觸發(fā)聯(lián)鎖時，當(dāng)處于酸性氣操作工況下，將導(dǎo)致Claus 全停車，否則不停車。聯(lián)鎖結(jié)果為：(1)酸爐酸性氣閥切斷；(2)酸爐燃料氣閥切斷；(3)酸爐空氣閥切斷；(4) 酸爐氮氣閥打開；(5) 酸爐急冷蒸氣閥切斷；(6) 酸爐長明燈燃料氣閥切斷；(7) 酸爐長明燈空氣閥切斷；(8)酸爐燃料氣線氮氣閥打開。

聯(lián)鎖條件(d)觸發(fā)聯(lián)鎖時，當(dāng)處于燃料氣操作工況下，將導(dǎo)致Claus 全停車，否則不停車。聯(lián)鎖結(jié)果為：(1)酸爐酸性氣閥切斷；(2)酸爐燃料氣閥切斷；(3)酸爐空氣閥切斷；(4) 酸爐氮氣閥打開；(5) 酸爐急冷蒸汽閥切斷；(6) 酸爐長明燈燃料氣閥切斷；(7) 酸爐長明燈空氣閥切斷；(8)酸爐燃料氣線氮氣閥打開。

聯(lián)鎖條件(e)觸發(fā)聯(lián)鎖時，當(dāng)裝置僅剩長明燈火火焰時，該條件觸發(fā)將導(dǎo)致CLAUS 全停車。聯(lián)鎖結(jié)果為：(1)酸爐酸性氣閥切斷；(2)酸爐燃料氣閥切斷；(3)酸爐空氣閥切斷；(4)酸爐氮氣閥打開；(5)酸爐急冷蒸汽閥切斷；(6) 酸爐長明燈燃料氣閥切斷；(7) 酸爐長明燈空氣閥切斷；(8)酸爐燃料氣線氮氣閥打開。

當(dāng)酸爐主火焰正常時，該條件觸發(fā)不會引起CLAUS 全停車，僅導(dǎo)致聯(lián)鎖結(jié)果：(1) 酸爐長明燈燃料氣閥切斷；(2) 酸爐長明燈空氣閥切斷；(3) 酸爐燃料氣線氮氣閥打開。

4.2 尾氣焚燒聯(lián)鎖停車邏輯

聯(lián)鎖條件：(1)尾爐溫度高高報警(a)；(2)蒸氣過熱器流量低低報警(a)；(3)蒸氣過熱器溫度高高報警(a)；(4) 尾爐氣包液位低低報警(a)；(5) 燃料氣分液罐流量液位高高報警(a)；(6)尾爐空氣流量低低報警(a)；(7)尾爐空氣壓力低低報警(a)；(8)尾爐燃料氣壓力低低報警(a)；(9)尾爐主火焰故障(a)；(10)尾爐長明燈火焰故障(b)；(11) 尾爐長明燈燃料氣壓力低低報警(b)；(12)尾爐長明燈空氣壓力低低報警(b)。

聯(lián)鎖條件(a)觸發(fā)聯(lián)鎖時，將導(dǎo)致尾氣焚燒全停車。聯(lián)鎖結(jié)果為：(1)尾爐燃料氣閥切斷；(2)尾爐空氣閥置為吹掃開度；(3) 尾爐長明燈燃料氣閥切斷；(4)尾爐長明燈空氣閥切斷；(5)尾爐燃料氣線氮氣閥打開；(6) 關(guān)閉鍋爐給水至減溫器切斷閥；(7) 關(guān)閉蒸汽總管來補氣切斷閥。

聯(lián)鎖條件(b)觸發(fā)聯(lián)鎖時，當(dāng)裝置僅剩長明燈火火焰時，該條件觸發(fā)將導(dǎo)致尾氣焚燒全停車。聯(lián)鎖結(jié)果為：(1) 尾爐燃料氣閥切斷；(2) 尾爐空氣閥置為吹掃開度；(3) 尾爐長明燈燃料氣閥切斷；(4) 尾爐長明燈空氣閥切斷；(5) 尾爐燃料氣線氮氣閥打開；(6) 關(guān)閉鍋爐給水至減溫器切斷閥；(7)關(guān)閉蒸汽總管來補氣切斷閥。

當(dāng)尾爐主火焰正常時，該條件觸發(fā)不會引起尾氣焚燒全停車，僅導(dǎo)致聯(lián)鎖結(jié)果為：(1)尾爐長明燈燃料氣閥切斷；(2) 尾爐長明燈空氣閥切斷；(3) 尾爐燃料氣線氮氣閥打開。

通常，停車邏輯中還設(shè)有手動緊急停車按鈕。方便操作人員在緊急狀況下操作。此按鈕應(yīng)設(shè)置一定權(quán)限，避免誤操作。

5 結(jié)語

本方案通過采用國際領(lǐng)先的工藝技術(shù)，并適當(dāng)引進專利技術(shù)、工藝包和關(guān)鍵設(shè)備，使得裝置在適應(yīng)性和可操作性、硫回收率、產(chǎn)品質(zhì)量、能耗指標等方面均達到了新的較高水平。