MART控制系统在硫磺回收装置的应用

丁延彬（大庆石化公司炼油厂）

MART控制系统在硫磺回收装置的应用

丁延彬（大庆石化公司炼油厂）

硫磺回收装置生产运行水平直接影响装置尾气S02能否达标排放，酸性气分液罐压力调节和气风比调节困难是提高操作平稳率及降低尾气S02排放浓度的重要影响因素。北京信广华科技有限公司与大庆石化公司炼油厂针对生产运行情况进行了SMART控制新技术的研究与开发，解决了炼油厂硫磺回收装置尾气排放的问题，提高了硫磺回收装置的自动化控制水平和运行平稳性，保证了尾气排放达到国家标准GB/T16297—1996的要求，减少了对龙凤地区乃至大庆地区的环境污染，具有显著的社会效益。

硫磺回收装置 SMART控制系统 提高硫磺转化率 环保

近年来，随着人们环境保护意识的加强以及各大炼油厂处理高硫原油（如俄罗斯原油）情况的不断增多，国内各炼油厂对硫磺回收也越来越重视，引进了先进的硫磺回收装置，或者采用国内最新研究成功的硫磺回收技术，以满足“大气污染物综合排放标准”对SO2排放强度和排放浓度的要求。目前，常见的技术有常规克劳斯法、超级克劳斯法、亚露点法、SCOT法、SULFREEN法、亚硫酸法，以及CLAUSPOL硫回收尾气处理工艺。1800t/a硫磺回收装置自2004年开工以来，烟囱尾气SO2排放浓度始终超过国家标准GB/T16297—1996的要求。为了解决尾气SO2排放浓度超标问题、提高硫磺回收装置运行的稳定性、降低操作人员劳动强度、达到节能降耗的目的，北京信广华科技有限公司与大庆石化公司炼油厂针对硫磺回收车间的生产运行情况进行了SMART控制新技术的研究与开发。2008年1月中旬，该套技术应用于生产。

1 工艺流程

1.1 制硫部分

上游装置来酸性气经酸性气分液罐脱液后，进入制硫燃烧炉，根据制硫反应需氧量，通过比值调节严格控制进炉空气量，经燃烧将酸性气中的烃类等有机物全部分解。在炉内约65%（体积分数）的H2S进行高温克劳斯反应转化为硫，余下的H2S中有1/3转化为SO2，燃烧时所需空气由制硫炉鼓风机供给。自制硫燃烧炉排出的高温过程气一小部分通过高温掺合阀调节一、二级转化器的入口温度,其余部分进入一级冷凝冷却器冷却至160℃，在一级冷凝冷却器管程出口，冷凝下来的液体硫磺与过程气分离，自底部流出进入硫封罐；未冷凝的过程气经高温掺合阀调节至232℃进入一级转化器，在催化剂的作用下进行反应，过程气中的H2S和SO2转化为元素硫。反应后的气体进入二级冷凝冷却器，过程气温度由308℃冷却至160℃，二级冷凝冷却器冷凝下来的液体硫磺，在管程出口与过程气分离，自底部流出进入硫封罐，未冷凝的过程气再经高温掺合阀调节至224℃进入二级转化器，过程气在催化剂的作用下继续进行反应，反应后的过程气进入三级冷凝冷却器，温度从250℃冷却至160℃。一、二、三级冷凝冷却器壳程产生0.4MPa（G）的蒸汽自用。在三级冷凝冷却器管程出口，冷凝下来的液体硫磺与过程气分离，自底部流出进入硫封罐；顶部出来的制硫尾气经尾气分液罐分液后进入尾气处理部分。汇入硫封罐的液硫自流进入液硫储罐，经循环脱气处理，液硫中的有毒气体被脱出，送至尾气焚烧炉焚烧。脱气后的液硫用液硫泵送至硫磺成型机造粒、称重、包装后即为产品硫磺。

1.2 尾气加氢部分

制硫尾气自尾气分液罐出来进入尾气加热器，与尾气焚烧炉出口的高温烟气换热，温度升到300℃，混氢后进入加氢反应器，在CT6-5B尾气加氢催化剂的作用下进行加氢、水解反应，使尾气中的SO2、S2、COS、CS2还原、水解为H2S。反应后的高温气体进入尾气急冷塔下部，与急冷水逆流接触，水洗冷却至40℃。尾气急冷塔使用的急冷水，用急冷水泵自急冷塔底部抽出，经急冷水冷却器冷却至40℃后返急冷塔循环使用。为了防止设备腐蚀，需在急冷水中注入NH3，以调节其pH值保持在7～8。急冷降温后的尾气自急冷塔顶出来进入尾气吸收塔。自醇胺再生系统来的MDEA贫胺液（40%的MDEA胺液）进入尾气吸收塔上部，与尾气急冷塔来的尾气逆流接触，尾气中的H2S被吸收。自塔顶出来的净化尾气（总硫≤300×10-6），进入尾气焚烧炉，在600℃高温下，将净化尾气中残留的硫化物焚烧生成SO2，剩余的H2和烃类燃烧成CO2和H2O；焚烧后的高温烟气经过尾气加热器回收热量后，烟气温度降至463℃，再掺入冷空气混合降温至350℃左右由烟囱排入大气。吸收H2S后的MDEA富液，经富液泵送返醇胺再生系统进行溶剂再生。

2 装置运行存在的问题

2.1 酸性气分液罐压力调节困难

由于炼油厂炼油能力的提高，脱除的硫含量相应增加，造成1800t/a硫磺回收装置超负荷运行。因此，酸性气分液罐压力受上游装置酸性气流量的影响，压力波动比较大，酸性气量与工业风主风量的串级不能投用，操作人员很难调节。如果压力超过允许范围（≤0.07MPa），或排到火炬去燃烧，污染大气；或限制汽提及再生装置的酸性气排出量，影响2套装置的运行稳定，也容易影响后续污水处理装置的安全运行。

2.2 气风比调节困难

气风比指酸性气量与空气量之比。反应转化器的反应机理要求过程气中H2S/SO2的比例为2/1，这是提高转换率、保证尾气加氢单元平稳操作的重要条件。气风比偏高或偏低，对燃烧炉和转换器都有影响。

2.2.1 对燃烧炉的影响

当空气量偏多时，会使过多的H2S燃烧生成SO2，放出的热量增加，可能造成炉膛超温及催化剂床层积硫过氧着火；同时，进入转化器的过程气中SO2过剩，影响加氢反应器的温度、反应效果，易造成急冷塔的填料堵塞。另外，过剩的氧及硫酸盐类是催化剂的毒物，影响催化剂的活性和寿命。

当空气量偏少时，剩余的H2S增多，生成的SO2及放出的热量减少，炉温降低，同时进入转化器的过程气中H2S过剩。另外，原料气中的烃类不能完全燃烧，会有积碳生成，影响硫磺的质量及催化剂的活性和寿命。

2.2.2 对转换器的影响

上述两种情况使进入转化器的过程气中或者SO2偏多，或者H2S偏多，都会导致转化器内硫成分转化成硫的转化率降低，制硫尾气中的硫含量过高，烟囱中SO2排放超标。

3 SMART控制系统控制方案

应用SMART（智能）复杂控制器，其中包括采用复杂控制策略的压力控制器和气风比控制器。SMART应用于本项目的具体实现方案如图1所示。

图1 硫磺回收装置复杂控制结构

利用DCS系统中的OPC实现复杂控制器和DCS之间的数据交换，复杂控制器从DCS中接收过程参数，经过运算得到控制数据送给DCS，由DCS实现过程控制。

3.1 压力控制

分液罐有来自64×104t/a酸性水汽提装置、72×104t/a酸性水汽提装置、醇胺再生装置的三路进料，进料量的变化会引起分液罐压力变化，并造成整个装置运行的波动。采用压力控制器控制分液罐的压力在允许范围内，使制硫燃烧炉进料量相对平稳。

3.2 气风比控制

采用复杂控制策略，依据制硫尾气在线分析仪表AIC5101对H2S和SO2组分的分析结果，通过气风比控制器调节风量保证制硫尾气中的H2S/SO2＝2/1。对H2S/SO2比的控制主要由副进风量FIC5103实现，主进风量FIC5102主要实现对酸性气流量FIC5101的跟踪，跟踪比例依据FIC5103的实际值缓慢调整，使FIC5103保持在量程的50%左右，最终实现燃烧炉出口、一级二级转化器内的H2S/SO2比都是2/1的目标。制硫燃烧炉、一级转化器、二级转化器达到最佳反应条件，降低后续尾气加氢处理部分的负荷，尾气达标排放。

3.3 气风比控制与DCS连接

复杂控制器与DCS的连接方案如图2所示。

图2 复杂控制器与DCS连接方案

1800t/a硫磺回收装置DCS是横河CENTUM-CS3000系统，系统配有OPC服务器。复杂控制器通过Ethernet与OPC服务器相连，通过OPC通讯方式实现与DCS系统的数据交换。

4 SMART控制使用效果

4.1 SMART控制技术投用前后烟囱尾气排放分析对比

环保指标（国家标准GB/T16297—1996）：尾气中SO2含量≤960mg/m3。

SMART控制技术前后的烟囱尾气（硫磺尾气）见表1、表2。

表1 SMART控制技术之前的烟囱尾气

*采样分析时间：2007年1月1日至12月31日

表2 SMART控制技术之后的烟囱尾气

SMART控制技术之后的烟囱尾气分析全部达到国家排放标准GB/T16297—1996。

4.2 SMART控制技术投用前后在线分析仪趋势对比

SMART控制技术投用前在线分析仪趋势见图3、图4。

图3

图4

SMART控制技术投用后在线分析仪趋势见图5、图6。

图5

图6

通过对比可以看出，SMART控制新技术投用后，H2S与SO2比值可以调整在2.0～3.0范围内，即1800 t/a硫磺回收装置制硫燃烧炉、一级转化器、二级转化器达到最佳反应条件，提高了硫磺转化率。

酸性水汽提装置抽出的酸性气流量波动影响SMART控制系统的投用，需要对酸性水汽提装置汽提操作进行优化。

5 结束语

该套技术的研究与应用成功，解决了大庆石化公司炼油厂硫磺回收装置尾气排放的问题，提高了硫磺回收装置的自动化控制水平。此技术在国内同类装置上属于首创，实现了制硫燃烧炉、反应器在最佳反应条件下运行，提高硫磺转化率至99.5%以上，年可增产硫磺165t，创造经济效益约80万元；降低装置排入大气中的总排硫量，年可节约环保排放费用1万元；延长装置安全运行周期及催化剂的使用寿命，折算后年可节约制硫催化剂费用3万元；年节约处理部分循环酸性气的0.8MPa蒸汽约4000t，创造经济效益约37万元，合计121万元；尾气排放达到国家标准GB/T16297—1996的要求，减少了对龙凤地区乃至大庆地区的环境污染，社会效益显著。

10.3969/j.issn.2095-1493.2012.010.012

2012-06-12）

丁延彬，工程师，2002年毕业于大庆石油学院，从事炼油工艺研究工作，E-mail：dybin309@sina.com，地址：黑龙江省大庆市龙凤区大庆石化公司炼油厂硫磺回收车间，163711。