比值分析仪在Claus燃烧炉上的控制应用

徐伟清 袁 焱 中石化南京工程有限公司 南京 211100

硫磺回收装置是石油化工行业一个重要的生产、环保装置。目前的硫磺回收工艺主要是以克劳斯(Claus)工艺[1]为主，上游装置来的酸性气在Claus燃烧炉内部分燃烧反应，再经过冷凝、Claus反应，生成硫磺和尾气，尾气经过焚烧、吸收SO2达标后排放。硫磺回收装置的核心就是Claus燃烧炉的燃烧控制，根据酸性气，严格配给O2量，尾气中H2S与SO2比值达到Claus反应的最佳配比为2∶1，进而使整个装置硫的转化率达到最高，因此H2S/SO2比值的控制和在线分析是硫磺回收装置的控制关键点。本文结合比值分析仪在某硫磺回收装置中的控制应用，分析总结了比值分析仪在设计选型、安装调试、投运及维护等方面遇到的问题和解决方法，以便能在实际生产过程中为其他设计者提供参考和借鉴。

1 比值分析仪系统组成及测量原理[2]

为了使Claus燃烧炉的酸性气与空气(氧气)充分混合，完成化学反应，助燃空气(氧气)的配风量需随着酸性气流量以及H2S与SO2比值外给定而随动控制，比值分析仪主要分析硫磺回收装置尾气中H2S与SO2的浓度，通过计算，参与酸性气燃烧配风控制，以达到最佳燃烧效果。

由于尾气中含有硫蒸汽，容易堵塞比值分析仪采样管，故目前应用的比值分析仪一般都采用探头直接插入尾气管道的方式。比值分析仪系统主要由采样系统(探头)、公用工程辅助系统、光谱分析系统等组成，见图1。

图1 比值分析仪系统组成示意图

1.1 采样系统组成及原理

比值分析仪采样系统主要由采样探头、进样夹套球阀组成，探头内置“除雾”室、抽提室、测量流通池等。

1.1.1 探头采样原理

探头采样原理见图2。

图2 比值分析仪探头采样原理图

探头内置“除雾”室，“除雾”室通入低压蒸汽。样品气在仪表空气抽提的作用下，沿着探头向上流动，在流动过程中，样品气经过“除雾”室，样品气中大部分的硫蒸汽被冷却液化成液态硫磺，并在重力作用下滴落至工艺管道中，同时合格完整的样品气继续上升，流动至探头顶部的流通池中，紫外光穿过样品气后，通过光纤将光信号传送至光谱分析系统，最后样品气在抽提作用下，返回到工艺管道中，随工艺介质流向下游。

1.1.2 采样系统特点

(1)直接安装

探头直接安装在工艺管道上，样品气只在探头内部流动，不会进入到光谱分析系统和辅助系统，这样既保护了分析仪内部的电子元件，也保护了操作人员的安全。

(2)自动除雾

有效利用低压蒸汽所产生的温度梯度除去样品气中的单质硫，探头内置“除雾”室，通入低压蒸汽，由于元素硫是尾气中所有组份露点最低的，通过辅助系统，将低压蒸汽温度维持在硫的露点温度(129 ℃)以下，样品气中的硫元素除雾作用后冷凝，受重力作用返回工艺管道。

(3)原位测量

紫外光与样品气之间的相互作用点就在探头顶部的流通池中。流通池采用高压蒸汽伴热，加热流通池，并且保证样品气中残留的硫不会冷凝而污染光学窗口；探头通过光纤与光谱分析系统连接，样品气不需要进入分析系统，大大缩短了采样流程，分析仪响应时间也大大缩短。

(4)探头部分无电子元件

(5)样品直接返回工艺管道

探头内置的抽提室，使样品气沿着探头本体路径上升，在流通池中与紫外光相互作用，然后在抽提作用下再下降回到工艺管道中，整个流程无样品预处理及排放。

1.2 公用工程辅助系统

公用工程辅助系统主要由各种气路以及控制气路的压力表、流量计、阀门组成。其主要作用是：

(1)将入口的一路蒸汽总管分为两路，辅助系统为探头本体内的“除雾”室调节一路低压蒸汽压力和温度，使蒸汽压力维持在90～120kPa之间，温度129℃以下，若温度大于129℃，样品气中的单质硫不会冷凝成液态硫，含硫样气进入流通池，会造成镜片污染；另一路为探头顶部的流通池伴热及镜片吹扫调节高压蒸汽，确保样气中没有固态硫析出。

(2)将进口一路仪表风分为两路，第一路作为抽提器的动力源，控制抽提流速，第二路用于吹扫光谱分析系统机箱和电子元件。

(3)提供蒸汽故障反吹功能，蒸汽故障的情况下，使流通池与样品隔离，并用护气吹扫流通池。

1.3 光谱分析系统

比值分析仪光谱分析系统是利用被测气体对紫外光的吸收与被测气体浓度成线性关系的原理，实现对被测气体浓度的测量、显示及通讯。光谱分析系统包含氙灯光源、光谱仪、人机界面、电源模块、数据处理单元等。

某品牌比值分析仪采用UV-Vis 紫外可见光谱仪，光谱范围为200-800nm，采用这个波长范围是利用硫磺回收装置尾气中H2S和SO2在该紫外波长范围内都有强而明显的吸收曲线。光谱分析系统测量原理见图3。

图3 某品牌比值分析仪测量原理图

氙灯光源发出的紫外光汇聚进入光纤，通过光纤传输到流通池，紫外光穿过流通池时经被测气体吸收，进出流通池的紫外光产生了强度差(即吸光度)，被测气体的吸光度与其浓度成正比。吸光度通过光纤传输到光谱仪，在光谱仪内部经过光栅分光，将不同的吸光度信号，分成各组分波长，产生一个实时的吸光度光谱，获得气体的连续吸收光谱信息，并由阵列传感器将分光后的光信号转换为电信号，传送到数据处理单元进行处理，计算出不同组份的浓度值。

2 比值分析仪控制应用

下面以某硫磺回收装置为例，围绕Claus燃烧炉燃烧控制，从比值分析仪的设计选型、安装调试、投运维护等方面着手，分析某品牌比值分析仪在该装置的实际应用。

2.1 基于H2S/SO2比值分析仪的燃烧控制回路

本装置主要处理上游装置过来的酸性气，制硫部分采用部分燃烧和两级Claus制硫工艺，生成的液硫送至液硫成型厂房，产生的尾气进行热焚烧，焚烧后的烟气经热量回收后，再经氨吸收工艺吸收烟气中的SO2，净化后的烟气经烟囱高空排放。为了精确地控制Claus燃烧炉配风流量，进入燃烧器的全部燃烧空气(氧气)分为两路：主风和微风，其控制方案回路见图4。

(1)主风控制回路是一个串级控制回路，根据进料酸性气流量，计算出燃烧反应时需要的空气(氧气)量，图4中FY-A为酸性气燃烧耗气量计算模块。把计算得到的耗气量的80%～90%作为串级给定值来调节主空气流量。 进料酸性气耗气量计算方法如下:

图4 基于H2S/SO2比值分析仪的燃烧控制回路

FY-A=α×β×FI

式中，FY-A为需要的空气(氧气)量；FI为进料酸性气量；α为进料酸性气中H2S组分的含量；β为1Nm3/h 100%H2S燃烧需要空气(氧气)量。

(2)微风控制主要是对配风控制起微调作用，在尾气捕集器出口设置H2S/SO2比值分析仪，测量H2S和SO2数值，将H2S-2SO2的线性换算值(控制H2S-2SO2目标值为零)，与酸性气燃烧反应计算所需耗气量的10%～20%叠加，即图4中FY-B模块，作为微风控制回路的主被控变量，微风流量为副被控变量，形成串级控制回路来调节微风。FY-B计算方法如下：

FY-B=k×(FY-A)×θ+ε×AI

式中，FY-A为需要的空气(氧气)量；FY-B为微风控制回路FIC-B给定值；k为与酸性气燃烧反应所需耗气量(取值10%～20%)；θ为配比系数(根据项目实际情况调整)；ε为配比系数(根据项目实际情况调整)；AI为H2S-2SO2的线性换算值。

H2S/SO2比值分析仪响应速度很快，H2S/SO2比值即使发生很小的偏移，微风量都能及时得到随动调节。将尾气中H2S/SO2的比例控制在2∶1，尾气中H2S或SO2的微小变化都会导致后续尾气处理单元负荷的增加，只有H2S/SO2达到最佳比例才能获得最大的硫转化率。这台H2S/SO2比值分析仪是整个硫磺回收装置高效、稳定运行的关键仪表，因此其正确选型、安装和定期维护非常重要。

2.2 设计选型

过程分析仪的分析原理、测量范围、精确度、灵敏度、响应时间、重复性等技术指标，应满足工艺过程的要求，且技术先进，性能稳定可靠，操作维护简便[3]。测量H2S/SO2比值的方法很多，其原理和仪表结构形式也不尽相同，目前应用成熟的H2S/SO2比值分析仪多数为国外品牌，主要是美国AMETEK公司的880-NSL、美国AAI公司的TLG-837、加拿大Galvanic公司的942-TG等，每款产品都有各自的特点，比如：有的分析仪探头与光谱分析系统一体化，有的分析仪探头与光谱分析系统分离，通过光纤软连接，安装较灵活方便，在选用时要结合工艺生产要求和项目实际情况等因素去考虑。

2.2.1 H2S/SO2比值分析仪选型的原则

为保证H2S/SO2比值分析仪满足工艺条件，且能长期平稳、安全、有效运行，分析仪在选型时需满足如下原则：

(1)防止含硫尾气堵塞取样管线，H2S/SO2比值分析仪应采用管道直接取样，采样气体必须直接返回工艺管线，不得放空，采样探头的连接形式为法兰连接，采样系统应使采样管线尽量短，并充分考虑采样管线的防堵措施，尤其是在分析仪故障或停运情况下采样系统的防堵措施。

(2)根据硫磺回收装置尾气中含有硫蒸汽以及尾气各组分特性，H2S/SO2比值分析仪宜采用紫外光吸收原理[3]。

(3)H2S/SO2比值分析仪能连续测量尾气中的H2S含量、SO2含量、H2S/SO2比值、H2S-2SO2，且具备输出四路4～20mADC信号至装置DCS系统。

(4)分析仪应具备抗堵塞反吹特性，并能输出仪表故障报警信号至装置DCS系统。

(5)H2S/SO2比值分析仪光源寿命不低于5年，免除经常更换光源对测量的影响和减少备件的库存。

(6)H2S/SO2比值分析仪的防护等级和防爆等级需符合装置的要求。

2.2.2 主要技术指标

根据本装置工艺条件，确定以下技术指标：

(1)测量范围：

H2S：0V%～2V%(范围可调)；SO2：0V%～1V%(范围可调)；H2S/SO2：0～5(范围可调)；H2S-2SO2：-5V%～5V%(范围可调)；

(2)分析仪参数：

响应时间 (T90)：<10 秒；精度：H2S：≤2% F.S、SO2：≤2% F.S、H2S-2SO2：≤0.2% F.S；重复性：≤1% F.S；零点漂移(24小时)：<0.5%。

2.2.3 与其他专业的条件关系

分析仪厂商确定之后，需按照技术协议及厂商条件向相关专业提出分析仪正常运行所需的公用工程条件。

(1)向工艺及配管专业提蒸汽条件:比值分析仪需要一路1.0MPa、150℃饱和蒸汽进入分析仪公用工程辅助系统，由辅助系统将蒸汽分为三路：一路蒸汽用于探头冷指，使得上升样气中的大部分含硫蒸汽冷凝成液态硫返回到工艺管道中；一路高压蒸汽用于探头顶部蒸汽伴热，确保没有固态硫析出；最后一路蒸汽用于进样夹套球阀伴热以及机柜的保温。

(2)向电气专业提用电条件: 一路220VAC,50HZ,1000W普通电源。

(3)仪表空气条件：一路仪表风吹扫，压力0.4～0.7MPa；仪表空气条件在项目前期整个装置统一规划，向工艺专业提出仪表空气的温度、压力、用量、质量要求等条件时，一并考虑比值分析仪的仪表空气用量要求。

(4)分析仪带分析柜，提条件给配管及结构专业，考虑安装维护空间及荷载。

2.3 安装调试存在的问题以及解决方案

在某项目中，由于比值分析仪供货商未按设计文件要求的分工界面供货，比值分析仪探头、辅助系统、光谱分析系统均零散供货至现场，且未配装带齐所有安装材料，造成比值分析仪安装几经折腾，主要问题如下：

(1)某比值分析仪探头上接口较多，在连接公用工程介质及与辅助系统、光谱系统时难免会出现失误。由于此分析仪要求进入总管的是1.0MPa的饱和蒸汽，以确保经过辅助系统至探头顶部的伴热蒸汽品质。但装置无法提供饱和蒸汽，为防止因伴热影响探头正常工作，将蒸汽管路稍作改动：单独提供一路1.0MPa蒸汽从探头H口， I口出，确保伴热蒸汽品质；蒸汽总管压力改为 0.4MPa，分别用于探头除雾蒸汽与根部夹套球阀的伴热。其余管路根据探头以及分析柜上的字母标识连接。经与比值分析仪现场服务工程师多次沟通，形成安装方案见图5。

图5 某品牌比值分析仪安装示意图

(2)进出分析柜的光纤孔是现场开孔，今后需明确分析系统集成商在制造过程中开孔，并做好密封处理。现场开孔程序复杂，且孔的大小与光纤不能完全匹配，漏空处用胶泥封住，存在破坏分析柜整体正压通风防爆结构的风险。

(3)现场有机柜保温的蒸汽进出口，但是在安装手册上无此安装说明，现场指导安装的工程师也建议在当地环境下无需机柜保温，最终用法兰盖将开口盲住。今后需明确要求分析系统集成商按实际情况设计分析柜。

(4)由于分析仪各个组成部分是现场安装的，所有的伴热管线未提前做好保温绝热措施，并且忽略了此项工作，后期在开车投运前检查时才发现管线未做好保温绝热措施，后由现场保温施工人员完成保温绝热工作。

(5)比值分析仪调试前，检查所有条件：启动蒸汽伴热，并确保蒸汽满足要求；启动仪表风，调节仪表风压力；给系统上电，等待探头预热两个小时以上，温度达到150℃左右，即可开机进行系统调试。调试过程中发现由于除雾低压蒸汽与球阀保温共用一路伴热及疏水, 除雾低压蒸汽出口压力低于蒸汽冷凝总管压力，导致整个除雾低压蒸汽回路被短路，管路无蒸汽流。为避免除雾失效，引起含硫尾气堵塞取样管路，将除雾低压蒸汽F出口单独排放，解决了该问题。

2.4 开车投运及日常维护

2.4.1 开车投运

按照比值分析仪投运要求，做好开车前准备工作，开车成功后将分析仪投运。以某品牌比值分析仪为例，投运时出现了一些问题：

(1)比值分析仪现场人机界面上有读数，但DCS画面无法显示实测值，在现场运行“iotest”程序，现场给定一个输出，给定的输出能够在DCS画面显示，由此判定是通道出现了故障。为此排查整个回路的接线及卡件，把I/O底板电源模块摘除后，信号传输正常。这是由于分析仪已经单独供了220VAC的UPS电源，电源线和信号线是分开的，信号输出是无源输出，底板带电反而干扰信号传输。

(2)光谱能量偏低，导致测量数据乱跳。首先检查探头顶部高压蒸汽质量，排除探头镜片污染导致的能量低。然后在现场人机界面上根据调整波段调整光谱能量，将光谱能量调整至1000～60000之间，调整后数据显示稳定。

比值分析仪正式投运后，开车阶段记录的数据见表1。

表1 某品牌比值分析仪开车阶段分析数据

由表1可以得出结论： H2S/SO2的值逐步趋近于2，开车投料初始阶段，由于上游装置来料流量不稳定，操作人员操作经验不足，比值分析仪未投自动，H2S未能充分燃烧，浓度偏大，但随着运行状态的稳定，克劳斯反应参数趋于合理，H2S-2SO2的数值在零附近振荡，达到工艺控制H2S与SO2比值2∶1的目的。该仪表在装置运行以来，在燃烧控制中发挥了极大的作用，控制有效精确。

2.4.2 日常维护

日常维护主要包括：观察分析仪人机界面中紫外光强度是否正常；检查公用工程辅助系统的温度、压力是否满足要求；定期检查测量池透光镜片是否被污染；定期清洗探头、更换光源灯工作。

3 注意事项及改进之处

设计过程中的每一个环节对仪表的正常工作都有着重要的影响，注意事项和改进之处如下：

(1)在设计中要充分理清工艺流程需求，根据相关检测仪表的测量原理、运行条件，选择安全可靠、技术先进、性价比高的仪表。

(2)明确对比值分析仪的技术要求，与厂家签订技术协议时，需明确分析仪公用工程需求及交界面，并保持与其他相关专业的沟通和条件传递，确保满足分析仪需求的公用工程条件，若不能满足，则应共同商定其他可行方案，在技术协议中明确方案并形成书面文字，同时将形成的方案落实到各专业设计图纸中，为后期施工安装打好基础。

(3) 明确要求分析仪必须集成一体密闭机柜供货，并应提供分析仪安装所需的全部附件，包括：管路、管件、法兰、安装托架等，装配好全部的配管及接线，构成完整的系统供货至现场；公用工程采用箱体固定的标准接入，不得散件到货现场组装；若实在无法满足整体发货的要求，则需提供详细的安装图纸和所有的安装材料，并提供现场安装指导。

(4)要求分析仪厂家提供详细的供货节点计划和各环节验收工作，设计应全程参与，做好FAT工作，保证技术协议上的细节落到实处，避免现场施工过程中出现不必要的麻烦和更改。

(5)熟悉相关规范和程序文件，重视细节、改变固有的设计习惯，具体问题具体对待，总结经验教训，举一反三。

4 结语

在硫磺回收装置Claus燃烧炉应用比值分析仪参与燃烧配风控制，可有效提高硫的转化率和回收率，从比值分析仪在某硫磺回收装置的控制应用情况来看，响应时间快、测量准确、运行稳定，能够较好地满足克劳斯工艺控制需求，对提高硫的转化率、保证装置的平稳运行、保护环境等方面起到了重要作用。