制硫酸控制系统的研究与实际应用

孙 颖

（天津市中环自动化技术控制设备有限公司，天津 300384）

年产40万吨加氢尾油异构脱蜡装置项目在制取高质量润滑油基础油过程中，产生出含硫的酸性气体[1]，排入大气内会影响环境，造成酸雨。为响应国家环境保护和节能减排政策，某石化公司必须对酸性气体进行处理。由于酸性气体主要为硫离子，经过工艺处理后，可回收硫离子变为硫酸溶液[2]，进行出售，带来部分经济效益。本项目采用霍尼韦尔C300控制器，用Experion PKS系统进行组态，搭建逻辑控制程序[3]，对制硫酸单元工艺过程进行实时监测与控制。

1 制硫酸单元工艺流程

环境空气经玻璃管热交换器E-551预热到183℃后，由风机K-510吸入后进一步由翅片管换热器的E-511.1换热到大于360℃。加热后的空气将被用作燃烧空气，与从低分气脱硫单元的酸性气（含95.6w%H2S、4.1%H2O、其余0.3%CxHy）和从硫铵部分经脱氨后的酸性气（含94.1w%H2S、5.9%H2O）分别进入燃烧器A-515酸性气一起进入燃烧室A-515。

空气与酸性气经由圆柱形分配室混合，可燃气体混合物进入燃烧器A-515中燃烧后，到达圆柱形焚烧炉F-512前端，温度达到900℃～1000℃。

焚烧炉F-512温度通过调节阀门FV-51056来控制空气流量，使温度保持在960℃的最适温度。当温度过高，开大阀门FV-51062，通过阀门FV-51056调节配风量，使空气（O2）与酸性气量化学计量比为1.5～1.6。

为了保证燃烧器的安全操作，如果助燃空气压力降到最小值，关闭助燃空气压力开关阀。

如果SOP没有酸性气AG，关闭阀门XS-51025A/B，XS-51032A/B，XS-51035A/B。

在F-512内含硫气体发生氧化反应、烃会被氧化成CO2和H2O：

正常操作不需要补充燃料气。燃烧反应的反应热通过换热器E-513，E-514用240℃的熔盐进行换热，燃烧后气体组成为N2、CO2、SO2、O2和H2O（含5.1v%SO2、12.3v%的O2）。E-513为顺流操作的光管换热器，E-514是一种逆流操作的翅片式换热器。

换热后的燃烧气温度将为410℃以下，进入第一反应器R-520。反应器R-520中装有2段催化剂床（H-521，H-523）和3段翅片管换热器（E-522，E-524和E-525）。H-521有3层（A，B，C），其中第1层（A）是陶瓷蜂窝块，起到保护及均化的作用，下面两层（B，C）是具有反应活性的Pt-蜂窝催化剂层。经过催化剂床层H-521大概76%的SO2被氧化，气体经翅片管换热器E-522（夹层冷却器）冷却后，进入H-523催化剂床层（含两层Pt催化剂、一层备用层）继续氧化，经过H-523 SO2大概19%被氧化后，经翅片管换热器E-524冷却。在E-522和E-524换热的热量通过E-511加热所述预热空气到360℃。

在第一反应器R-520发生如下反应：

SO3到硫酸的水化反应温度低于300℃。

最后反应气体被翅片管换热器E-525冷却至275℃。从反应器R-520底部经由管SP52001进入到冷凝器的D-530的底部，向上经玻璃管换热器E-531与回流的反应气体换热后，经换热器E-532/E-533与K-532/K-533引入的空气换热，使气体的温度冷却到约70℃。不凝气体经湿式静电除雾器S-534除去夹带雾滴后，进入风机K-535升压后返回冷凝器D-530。同时，从冷凝器顶部返回的不凝过程气经E-531与自R-520至冷凝器的过程气换热，被加热到温度高于240℃后，进入第二反应器R-540。

在R-540过程气经E-541、E-542加热后在催化剂床层H-543发生反应，R-540装有一段催化剂床H-543，H-543包括5层（A、B、C、D、E），D、E两层扩径以获得最佳的速度保证残留二氧化硫的最终转化，最后总转化率达到99.9%。最终反应产物经E-544冷却至275℃进入冷凝器D-550下部。

图1 制硫酸单元——焚烧炉部分Fig.1 Producing sulfuric acid unit - incinerator section

图2 制硫酸单元——一级反应器和冷凝器部分Fig.2 Producing sulfuric acid unit - primary reactor and condenser sections

反应产物在D-550中经玻璃管换热器E-551、E-552与空气换热后被冷却至70℃，硫酸凝结至D-550下部酸池，自流至酸罐T-570。

2 制硫酸单元工艺流程图

本项目采用霍尼韦尔Experion PKS系统，所有的服务器、防火墙、控制器、以太网交换机都是冗余配置的。以便某一路发生故障后，可以自动跳到另一路工作，保证整个系统的连续性与安全性。该系统能够集成逻辑控制、回路调节控制、顺序控制和批量控制为一体，可以完成工艺线的连续过程控制、产品批量处理、离散量操作、设备控制等生产控制，能保证系统顺利运行[4]。

根据上述的制硫酸单元工艺流程的介绍，绘制流程图如图1、图2、图3所示。该控制系统能实时采集焚烧炉内、一级反应器和冷凝器、二级反应器和冷凝器的温度和压力，以及设备前后所需要的数据，并能通过控制逻辑来调节现场相应的泵和阀门的启停，利用PID算法调节变频等，保证了工艺过程顺利进行和现场设备的安全。

图3 制硫酸单元——二级反应器和冷凝器部分Fig.2 Producing sulfuric acid unit - secondary reactor and condenser sections

3 总结

本文主要介绍对年产40万吨加氢尾油异构脱蜡装置项目中产生的含硫的酸性气体进行处理。含硫的酸性气排入大气内，造成酸雨违反国家环境保护政策。因此，某石化公司对含硫的酸性气回收利用硫离子形成硫酸，进行出售。这样既起到环保的效果，又能回收部分利润，价值可观。制硫酸控制系统实时采集数据，操作人员可实时查看数据变化，保证制硫酸单元工艺过程安全进行。