硫回收装置复杂控制系统、联锁系统和点火控制系统的设计

(中国五环工程有限公司，湖北 武汉 420223)

低温甲醇洗装置中副产的酸性气体含有H2S气体，由于无法达到环境排放的要求，该气体无法直接排至大气，从经济和节能环保的角度，需回收酸气中的硫，使最终的尾气排放符合国家规范的要求。

硫回收通常有两个步骤，回收硫磺和生产硫酸。回收硫磺需设置硫回收装置，而自动控制系统和联锁系统的正确设计将是硫回收装置经济、环保和安全的保障。笔者将详细介绍硫回收装置中的复杂控制系统、联锁系统和点火顺序控制及其联锁设计。

1 硫回收工艺

本文所讲的硫回收工艺为国内三级克劳斯工艺，硫回收工艺主线：来自上游装置酸气，经过预热后，将约1/3的酸气送入主燃烧炉中与空气燃烧，剩余2/3的酸气送入主燃烧室的后部，与前部燃烧后的气体进行克劳斯催化反应，燃烧炉副反应中将产生少量的COS和CS2。燃烧炉生成的工艺气体依次进入主燃烧炉废锅和硫冷凝器回收热量，在工艺气降温的同时回收液硫。工艺过程气体依次进入过程气加热器1、一级克劳斯反应器和一级硫冷凝器，过程气加热器2、二级克劳斯反应器和二级硫冷凝器，过程气加热器3、三级克劳斯反应器和三级硫冷凝器。在克劳斯反应器内，通过使用克劳斯催化剂，进行克劳斯催化反应，在硫冷凝器中，回收热量，同时回收冷凝下来的液硫。尾气引至尾气焚烧炉，焚烧后的尾气送至相应的处理装置。为了保证主燃烧室的温度达到900℃以上，在酸气中H2S浓度较低的工况时，引入了一股燃料气进入主烧嘴进行伴烧。

1.1 H2S的燃烧及转化反应

部分含H2S的气体与空气中的氧气在主燃烧炉进行燃烧，生成SO2，其反应如下：

H2S+3/2O2=SO2+H2O+热量

(1)

1.2 转化反应

残留的H2S与SO2混合生成硫磺，用下列平衡反应式表示：

2H2S+SO2←→3/2S2+2 H2O+热量

(2)

通过该反应，即克劳斯反应，在主燃烧炉和主燃烧室中生成气相硫磺。

1.3 催化转化反应

H2S与SO2在克劳斯反应器中，克劳斯反应平衡如下：

2H2S+SO2←→3/xSx+2H2O+热量

(3)

通过使用克劳斯催化剂，使反应向硫磺侧移动。一级和二级克劳斯反应器后的硫磺冷凝和脱除也使克劳斯反应向硫磺侧移动，同时使下一步催化反应能生产更多的硫磺。

少量的COS和CS2在克劳斯反应器中，平衡反应式如下：

COS+H2O←→H2S+CO2+热量

(4)

CS2+2H2O←→2H2S+CO2+热量

(5)

1.4气态硫在冷凝器中冷凝

气态硫的冷却冷凝过程可能发生下列反应：2S(气) = S2(气)；3S2(气) = S6(气)；4S2(气) = S8(气)；S8(气)= 8/xSx

2 硫回收装置的复杂控制系统

硫回收装置的复杂控制系统主要包括进主燃烧炉酸气流量复杂控制回路、主燃烧炉进口空气和主燃烧炉空气主风机放空复杂控制回路、克劳斯反应器入口过程气温度复杂控制回路、焚烧炉进口空气和焚烧炉空气主风机放空复杂控制回路。

2.1 进主燃烧炉酸气流量复杂控制回路

理想的状态：将约1/3的酸气送入主燃烧炉中与等比例的空气燃烧，H2S将燃烧生成SO2(见式1)；剩余2/3的酸气送入主燃烧室的后部，酸气中的H2S与主燃烧炉中燃烧生成SO2进行反应， H2S/SO2将接近最佳比例2∶1，进行转化反应(见式2)；该比例也将保持到克劳斯反应器中，进行克劳斯催化反应(见式3)。

HC-002的输出值为K(范围0～1，正常为1/3)，FIC-002的给定值为FI-001测量值的1/3，通过控制主燃烧炉和主燃烧室酸气送入量比例1∶2，使之满足克劳斯反应最佳的H2S、SO2比例。进主燃烧炉酸气流量复杂控制回路见图1。

图1 进主燃烧炉酸气流量复杂控制回路

2.2 主燃烧炉进口空气和主燃烧炉空气主风机放空控制回路

主燃烧炉的进口空气流量由两路调节系统控制，90%的空气总量由主路调节系统根据酸气流量及组分的变化调节，10%的空气总量由尾气中H2S/SO2的比例变换调节，H2S/SO2的比例来自硫冷凝器出口分析点分析结果，通过这两路调节系统，控制尾气中H2S/SO2=2。

当硫冷凝器出口分析点的分项结果H2S/SO2<2时，说明主燃烧炉的进口空气过量，1/3的酸气内的H2S燃烧完全生成了SO2，同时过量的空气进入主燃烧室，部分2/3的酸气内的H2S燃烧生成了SO2，过多的SO2将进入尾气，那么需要减少进入主燃烧炉的空气量；当硫冷凝器出口分析点的分项结果H2S/SO2>2时，说明进口空气量不足，H2S未充分燃烧，生成SO2的量过少，过多的H2S将进入尾气，那么需要增加进入主燃烧炉的空气量。主燃烧炉的进口空气流量控制不好，将会造成尾气中H2S或SO2的含量增加，既不经济，也不环保。

主燃烧炉需要的空气量是由进主燃烧炉的1/3酸气和燃料气量决定的，主燃烧炉空气主风机放空量是由进主燃烧炉的空气和空气主风机出口的空气流量决定的。主燃烧炉进口空气和主燃烧炉空气主风机放空复杂控制回路见图2，控制回路和相关的功能模块如下。

图2 主燃烧炉进口空气和主燃烧炉空气主风机放空复杂控制回路

2.2.1 FIC-007控制回路和相关的功能模块

FY1-006计算输出值为进主燃烧炉酸气和燃料气充分燃烧所需要的空气量，该值定义为C，它是通过进主燃烧炉的1/3酸气和燃料气量计算出来的；手动空气量分配模块HC-005B输出值为D，范围0～1；FY1-005为乘法器，计算输出值E=C×D，FY1-005计算输出值作为FIC-007给定值，FI-007作为FIC-007测量反馈信号，调节阀门FV-007的开度。

2.2.2 FIC-008控制回路和相关的功能模块

HC-005A为H2S-2SO2值G(范围0～2，正常为1)，该值来自硫冷凝器出口分析点分析结果；FY2-005计算输出值为(1-D)，D为HC-005B输出值；FY3-005为乘法器，计算输出值H=C×(1-D)×G，FY3-005计算输出值作为FIC-008给定值，FI-008作为FIC-008测量反馈信号，调节阀门FV-008的开度。

2.2.3 FIC-004控制回路和相关的功能模块

主风机出口空气流量Q(Nm3/h)，Q为设定值，该值为主风机出口的正常流量，该流量为极端情况下的酸气在主燃烧炉中充分燃烧所需的最大空气量。FY4-005计算输出值为主风机出口空气量Q减去FY1-005计算输出值和FY3-005计算输出值，即Q-(E+H)，该值作为FIC-004的给定值。FY1-003为求和运算，FI-007的值为J， FI-008的值为L，FY1-003计算输出值为M=(J+L)，FY1-004计算输出值为(Q-M)，该计算输出值作为FIC-004测量反馈信号，调节放空阀FV-004的开度。

2.3 克劳斯反应器入口过程气温度复杂控制回路

克劳斯反应器入口过程气温度决定最佳的转化。一级克劳斯反应器温度太低时，不能得到良好的COS和CS2转化，合适温度下的平衡反应式，详见式(4)、(5)。二级和三级克劳斯反应器温度太低时，硫蒸汽就会在触媒床层冷凝，导致触媒活性降低。温度太高时，由于平衡向H2S和SO2侧移动，H2S转化率降低。一、二、三级克劳斯反应器进口的温度均设置了温度串级控制，温度为主回路，加热蒸汽的流量为副回路。克劳斯反应器入口过程气温度复杂控制回路见图3。

图3 克劳斯反应器入口过程气温度复杂控制回路

2.4 焚烧炉进口空气和焚烧炉空气主风机放空复杂控制回路

根据尾气流量和燃料气流量的总量，配置适量的空气，让尾气和燃料气充分燃烧。焚烧炉进口空气和焚烧炉空气主风机放空复杂控制回路见图4。控制回路和相关的功能模块如下。

图4 焚烧炉进口空气和焚烧炉空气主风机放空复杂控制回路

2.4.1 FIC-014控制回路和相关的功能模块

FYI-011计算输出值为根据尾气量计算所得空气量A，分析仪分析出尾气中H2S的含量，根据H2S的量计算出所需空气量；FYI-012计算输出值为燃料气量计算所得空气量B，分析仪分析出燃料气中CO和CH4的含量，根据CO和CH4的量计算出所需空气量。FY1-013为求和运算模块，FY1-013计算输出值C=(A+B)，该值为尾气焚烧和燃料气燃烧所需的空气总量。

FY2-013为FY1-013计算输出值与K相乘的运算模块，K范围为0～1，FY2-013计算输出值为D=C×K，该值作为FIC-014给定来调节阀FV-014的开度。

2.4.2 FIC-015控制回路和相关的功能模块

FY3-013为输入值与(1-K)相乘的运算模块，K值为FY2-013中的K值，FY3-013计算输出值为E=C×(1-K)，该值作为FIC-015给定来调节阀FV-015的开度。

2.4.3 FIC-016控制回路和相关的功能模块

焚烧炉风机出口空气流量为Q1(Nm3/h)，Q1为设定值，该值为焚烧炉风机出口的正常流量，该流量为极端情况下的尾气在焚烧炉中充分焚烧所需的最大空气量。FY4-013计算输出值为(Q1-C)，该值作为FIC-016的给定值。FI-014的值为F， FI-015为G，FY1-016计算输出值为(Q1-F-G)，该计算输出值作为FIC-016的测量反馈信号去调节放空阀FV-016的开度。

3 硫回收装置联锁系统

硫回收装置联锁系统主要有主燃烧炉和尾气焚烧炉的联锁。

3.1 主燃烧炉联锁

3.1.1 主燃烧炉(Z101)联锁触发条件

主燃烧炉废锅(E101)液位低低触发联锁(LSLL-001、LSLL-002和LSLL-003三取二)；硫冷凝器(E113)液位低低触发联锁LSLL-004；一级硫冷凝器(E102)液位低低触发联锁LSLL-005；进主燃烧炉酸气流量低低触发联锁FSLL-023；主燃烧炉入口空气流量低低触发联锁FSLL-022；主燃烧炉入口空气压力高高触发联锁(PSHH-001、PSHH-002和PSHH-003，三取二)。主燃烧炉联锁见图5。

图5 主燃烧炉联锁

3.1.2 主燃烧炉联锁结果

关闭阀门XV-001，切断主燃烧炉入口酸气；关闭阀门XV-002，切断主燃烧炉入口燃料气；关闭阀门XV-003，切断主燃烧炉入口空气。

3.1.3 联锁说明

为了防止主燃烧炉废锅壳程锅炉给水烧干，危害设备的安全，当无法对工艺气体降温时，从可用性和安全性出发，在主燃烧炉废锅设置3台液位计，采取三取二的方式，液位低低时触发联锁；为了防止硫冷凝器壳程锅炉给水烧干，危害设备的安全，无法对工艺气体降温，液位低低时触发联锁；为了防止一级/二级硫冷凝器壳程锅炉给水烧干，危害设备的安全，无法对工艺过程气体降温，液位低低时触发联锁；当进主燃烧炉酸气量少到一定程度时，整个装置将处于超低负荷运行，许多参数将会超出仪表保证精度的测量范围，装置将不可控，为了防止出现此现象，酸气流量低低时触发联锁；当主燃烧炉入口空气流量减少，无法满足酸气和原料气燃烧所需时，克劳斯反应的最佳反应比例无法实现，无法高效的回收硫，同时，将有大量的H2S随尾气送至尾气焚烧炉，非常不经济、不环保，为了防止出现此情况，入口空气流量低低时触发联锁；当主燃烧炉后续工艺流程中存在堵塞时，主燃烧炉入口空气压力将会上升，从可用性和安全性出发，在主燃烧炉入口空气管道上设置3台压力变送器，采取三取二的方式，压力高高时触发联锁。

当上述的联锁条件触发时，出于安全和合理性的需要，将关闭主燃烧炉入口酸气、燃料气和空气的切断阀，主燃烧炉将熄火，断绝由于上述联锁原因可能造成的危害或浪费。

3.2 尾气焚烧炉联锁

3.2.1 尾气焚烧炉联锁触发条件

焚烧炉废锅液位低低触发联锁(LSLL-011、LSLL-012和LSLL-013三取二)，尾气焚烧炉入口空气压力高高触发联锁PSHH-011。尾气焚烧炉联锁见图6。

图6 尾气焚烧炉联锁

3.2.2 尾气焚烧炉联锁结果

关闭阀门XV-004，切断尾气焚烧炉入口燃料气；关闭阀门XV-005，切断尾气焚烧炉入口燃空气。同时，关闭阀门XV-001，切断主燃烧炉入口酸气；关闭阀门XV-002，切断主燃烧炉入口燃料气；关闭阀门XV-003，切断主燃烧炉入口空气。

3.2.3 联锁说明

为了防止焚烧炉废锅壳程锅炉给水烧干，危害设备的安全，无法对尾气降温，从可用性和安全性出发，在焚烧炉废锅设置3台液位计，采取三取二的方式，液位低低时触发联锁；当焚烧炉后续工艺流程中存在堵塞时，尾气焚烧炉入口空气压力将会上升，压力高高时触发联锁。

当上述的联锁条件触发时，出于安全的需要，将关闭焚烧炉入口燃料气和空气的切断阀，焚烧炉将熄火，断绝由于上述联锁原因可能造成的危害。同时，将关闭主燃烧炉入口酸气、燃料气和空气的切断阀，主燃烧炉将熄火，不再产生尾气。

4 点火顺序控制及其联锁设计

点火顺序控制和联锁设计主要是指主燃烧炉和尾气焚烧炉点火顺序控制和点火成功后升温至要求值的联锁。主燃烧炉点火见图7，尾气焚烧炉点火见图8。

图7 主燃烧炉点火

图8 尾气焚烧炉点火

4.1 主燃烧炉和尾气焚烧炉点火顺序控制

主燃烧炉和尾气焚烧炉点火顺序控制见图9。

图9 主燃烧炉和尾气焚烧炉点火顺序控制

4.1.1 主燃烧炉点火顺序控制说明

允许点火指示灯亮起的条件：①尾气焚烧炉点火成功后；②主燃烧炉主风机运行，并且将空气送至切断阀XV-003前，阀门XV-003关闭，切断主燃烧炉入口空气；③阀门XV-001关闭，切断主燃烧炉入口酸气；④阀门XV-002关闭，切断主燃烧炉入口燃料气；⑤主燃烧炉废锅液位正常(LI-001、LI-002和LI-003正常)，硫冷凝器液位LI-004正常；⑥燃烧炉中惰性气体置换合格；⑦烟气系统畅通。

炉膛吹扫的时间是按不少于5倍炉膛体积的吹扫量计算所得，一般大于10 min。预设燃料气和空气的流量是通过设置燃料气调节阀(FV-024)和空气调节阀(FV-028)的开度来实现的，燃料气主管线上的开关阀(XV-002)和空气主管线上的开关阀(XV-003)为关闭状态，当点火枪点火时，打开燃料气和空气主管线上的开关阀。

4.1.2 尾气焚烧炉点火顺序控制说明

允许点火指示灯亮起的条件：①焚烧炉主风机运行，并且将空气送至切断阀XV-005前，阀门XV-005关闭，切断尾气焚烧炉入口燃空气；②阀门XV-004关闭，切断尾气焚烧炉入口燃料气；③焚烧炉废锅液位正常(LI-011、LI-012和LI-013正常)；④尾气焚烧炉中惰性气体置换合格；⑤烟气系统畅通。

炉膛吹扫的时间和预设燃料气和空气的流量方法与主燃烧炉的相似，这里不再赘述。

4.2 主燃烧炉和尾气焚烧炉点火成功后升温至要求值过程中的联锁

4.2.1 主燃烧炉

主燃烧炉点火成功后升温至要求值的过程中，火焰熄灭，主燃烧炉火焰检测器(BA-011或 BA-012)未检测到火焰，联锁关闭燃料气调节阀(FV-024)和空气调节阀(FV-028)，同时切断燃料气开关阀(XV-002)和酸气开关阀(XV-001)。该联锁发生，说明此次点火失败，需重新点火。

4.2.2 尾气焚烧炉

尾气焚烧炉点火成功后升温至要求值的过程中，火焰熄灭，尾气焚烧炉火焰检测器(BA-021或BA-022)未检测到火焰，联锁关闭燃料气调节阀(FV-012)和空气调节阀(FV-018)，同时切断燃料气(XV-004)和空气开关阀(XV-005)。该联锁发生，说明此次点火失败，需重新点火。

5 结语

本文介绍的硫回收装置复杂控制系统、联锁系统和点火顺序控制及其联锁设计已在某些项目中实施，并进行了针对性修改和完善。在实际工程设计中，硫回收工艺流程、主燃烧炉构造和尾气焚烧炉构造等不同，硫回收装置中的复杂控制系统、联锁系统和点火顺序控制及其联锁设计将是有区别的。对于点火顺序控制及其联锁来说，最基本的要求是点火正常和点火安全；对于硫回收装置复杂控制系统来说，最基本的要求是使反应气体达到最佳的克劳斯反应比例和最佳转化温度，工艺过程气体将充分反应，尾气达标；对于联锁系统来说，最基本的要求是确保硫回收装置安全生产、环保和节能。设计人员可在最基本的要求上，最终完成更合理的硫回收自动控制设计。