克勞斯燃燒爐是硫磺回收裝置的核心設(shè)備，燃燒爐的進(jìn)料氣多樣，克勞斯燃燒爐控制方案復(fù)雜。如何確保燃燒爐充分、平衡、高效率地燃燒以及操作平穩(wěn)，不但是硫磺回收裝置的關(guān)鍵要素，也是尾氣環(huán)保達(dá)標(biāo)排放的源頭所在。



1、工藝介紹
克勞斯?fàn)t燃燒爐控制系統(tǒng)通過合理地選擇配風(fēng)方案，使空氣的體積流量與酸性氣的體積流量維持合理的配比，實(shí)現(xiàn)了硫回收率最大化，從而減少了尾氣中硫的排放。

硫磺回收裝置的進(jìn)料酸性氣分別來自胺再生裝置的胺酸性氣和酸性水汽提裝置的汽提酸氣，通過克勞斯工藝把硫化氫和其他硫化合物轉(zhuǎn)化為高純硫，克勞斯工藝由熱反應(yīng)階段、催化反應(yīng)階段、選擇性氧化反應(yīng)階段組成，為了獲得盡可能高的回收率，必須將來自最后一個(gè)克勞斯反應(yīng)器的工藝氣體中的Vm(H2S)/Vm(SO2)比值控制在特定值?？藙谒谷紵隣t控制方案如圖1所示。


圖1 克勞斯燃燒爐控制方案示意

克勞斯燃燒爐控制可以分為三個(gè)部分：
①熱反應(yīng)階段
酸性氣與一定量的空氣混合進(jìn)入主燃燒爐，用燃料氣維持爐膛溫度為1200-1300℃，主要反應(yīng)式如下：





因?yàn)檫M(jìn)料氣中含有烴類，在主燃燒爐中烴與氧首先生成二氧化硫，然后二氧化硫與硫化氫反應(yīng)生成有機(jī)硫和二硫化碳，主要反應(yīng)式如下：

               

②催化反應(yīng)階段
燃燒后的高溫過程氣經(jīng)廢熱鍋爐、硫冷凝器后，依次進(jìn)入一、二、三級(jí)反應(yīng)器，在催化劑作用下發(fā)生克勞斯反應(yīng)，反應(yīng)式如下：



③選擇性氧化反應(yīng)階段
從克勞斯反應(yīng)器出來的過程氣，與一定量的空氣混合，進(jìn)入SUPERCLAUS反應(yīng)器。在選擇性氧化催化劑作用下使過程氣中硫化氫直接氧化成硫，反應(yīng)式如下：



2、功能描述
2.1 標(biāo)稱風(fēng)量需求量
如圖1所示，主燃燒器的進(jìn)料包括胺酸性氣、汽提酸氣和/或天然氣，天然氣用于開車時(shí)燃燒爐的升溫，所有進(jìn)料的體積流量均進(jìn)行了溫度壓力補(bǔ)償。

胺酸性氣、汽提酸氣、天然氣與空氣(風(fēng)量)的比值，由操作員分別在手動(dòng)操作器HC-067(qV空氣/qV胺酸性氣的比值)，HC-057(qV空氣/qV汽提酸氣的比值)，HC-086(qV空氣/q V天然氣的實(shí)際比值)，HC-051(qV空氣/qV天然氣的理想比值)中設(shè)定。將各種進(jìn)料的體積流量乘以比值，即可計(jì)算出進(jìn)料氣體在相應(yīng)燃燒器(FU-066，F(xiàn)U-056，F(xiàn)U-085)中的單個(gè)標(biāo)稱空氣需求，單個(gè)標(biāo)稱空氣匯總形成主燃燒器控制器所需的標(biāo)稱總風(fēng)量需求(FU-053A)。

主燃燒器的標(biāo)稱主風(fēng)量需求(FU-049)是由標(biāo)稱總風(fēng)量需求減去所需的微風(fēng)量需求(HC-048)確定的。空氣負(fù)荷分配器(XC-047)進(jìn)一步對(duì)主燃燒器的標(biāo)稱主風(fēng)量需求進(jìn)行補(bǔ)償，作為主燃燒器主風(fēng)量實(shí)際需求(FU-050)的設(shè)定值。主燃燒器的主風(fēng)量由主風(fēng)流量控制器(FC-042A)控制；主風(fēng)和微風(fēng)的體積流量都進(jìn)行了溫度壓力補(bǔ)償。

2.2 實(shí)際風(fēng)量需求
由于進(jìn)料氣與空氣的比值在實(shí)際操作中可能存在差異，離開最后一個(gè)硫冷凝器的尾氣成分可能偏離期望值，通過尾氣質(zhì)量控制器(AC-069)可以調(diào)整尾氣中的實(shí)際和理想Vm(H2S)/Vm(SO2))比值間的差異。微調(diào)風(fēng)量實(shí)際需求(FU-052)作為微風(fēng)流量控制器(FC-043B)的設(shè)定值，尾氣質(zhì)量控制器改變其輸出來調(diào)整微調(diào)風(fēng)量需求，達(dá)到調(diào)整尾氣成分中Vm(H2S)/Vm(SO2)比值的目的。當(dāng)裝置運(yùn)行平穩(wěn)時(shí)，尾氣中實(shí)際的Vm(H2S)/Vm(SO2)比值與期望值應(yīng)匹配。

2.3 空氣負(fù)荷分配器
裝置正常運(yùn)行時(shí)，燃燒爐所需的qV微風(fēng)的實(shí)際值應(yīng)設(shè)置為微風(fēng)流量控制器滿量程的50%。原因如下：如果qV空氣/qV進(jìn)料氣的實(shí)際比值在相對(duì)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)與理論比值不同，將導(dǎo)致微風(fēng)在量程的上限或下限運(yùn)行，由于微風(fēng)流量控制器的有限校正動(dòng)作(積分飽和)，微調(diào)控制閥可能會(huì)全開或全關(guān)。如果出現(xiàn)該情況，空氣過量(閥門完全打開)或空氣欠量(閥門完全關(guān)閉)均會(huì)導(dǎo)致裝置的硫回收率降低，使下游的尾氣處理裝置過載。

尾氣質(zhì)量控制器在高負(fù)載時(shí)比在低負(fù)載時(shí)能更快地檢測(cè)到輸出的變化，其整定參數(shù)的選擇取決于工廠負(fù)載(進(jìn)料胺酸性氣和汽提酸氣的總體積流量)，工藝進(jìn)料氣體在硫化回收裝置中的停留時(shí)間在高負(fù)載時(shí)比低負(fù)載時(shí)要短，這意味著尾氣質(zhì)量控制器的死區(qū)時(shí)間在高負(fù)載時(shí)比低負(fù)載時(shí)要短。通過自動(dòng)調(diào)整尾氣質(zhì)量控制器的增益可以優(yōu)化控制器的輸出，在相對(duì)較高的工廠負(fù)載下，控制器的增益必須設(shè)置成相對(duì)較高的值。由于停留時(shí)間與工廠負(fù)載之間的關(guān)系是線性的，尾氣質(zhì)量控制器的增益乘以相對(duì)的工廠負(fù)載，在整個(gè)操作區(qū)間內(nèi)就可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制，尾氣質(zhì)量控制器的比例作用非常小。

3、動(dòng)態(tài)響應(yīng)
以下結(jié)合控制系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷變化、組分變化、負(fù)荷和組分同時(shí)變化的響應(yīng)，介紹克勞斯燃燒器控制方案。

3.1 負(fù)荷變化
空氣分別與胺酸性氣、汽提酸氣、天然氣的體積分?jǐn)?shù)比值是基于對(duì)應(yīng)氣體計(jì)算得出的。如果qV空氣/qV進(jìn)料氣的比值正確，隨著負(fù)載的波動(dòng)，控制系統(tǒng)的前饋部分將起主導(dǎo)作用。最初，所有控制器都處于設(shè)定點(diǎn)，隨著圖1所示胺酸性氣體積流量的增加，控制系統(tǒng)將響應(yīng)如下：
①根據(jù)新增加的胺酸性氣體積流量重新計(jì)算標(biāo)稱總風(fēng)量需求。
②新的標(biāo)稱總風(fēng)量需求與原標(biāo)稱總風(fēng)量需求的比值被轉(zhuǎn)換為相對(duì)工廠負(fù)荷，通過增加尾氣質(zhì)量控制器的增益，可以補(bǔ)償死區(qū)時(shí)間的減少。
③尾氣質(zhì)量控制器的增益增加，由于該控制器處于設(shè)定點(diǎn)，其輸出保持不變。
④從新的標(biāo)稱總風(fēng)量需求中減去微風(fēng)量需求，從而產(chǎn)生主風(fēng)流量控制器新的設(shè)定點(diǎn)?？諝庳?fù)荷分配控制器不需要調(diào)整，因?yàn)樵摽刂破魅蕴幱谠O(shè)定點(diǎn)。
⑤主風(fēng)流量控制器接收更高的設(shè)定值并打開控制閥，直到主風(fēng)體積流量等于新的設(shè)定值。
⑥由于qV空氣/qV胺酸性氣的比值是正確的，因此尾氣質(zhì)量控制器不需要?jiǎng)幼鳌?/span>
⑦當(dāng)微風(fēng)量保持在期望值時(shí)，空氣負(fù)載分配控制器不需要?jiǎng)幼鳌?/span>

3.2 組分變化
在胺酸性氣、汽提酸氣、天然氣的組分出現(xiàn)波動(dòng)的情況下，克勞斯燃燒器控制器的反饋部分和空氣負(fù)荷分配器會(huì)響應(yīng)。最初所有控制器都處于設(shè)定點(diǎn)，假設(shè)胺酸性氣中的Vm(H2S))增加，由于組分變化，qV空氣/qV胺酸性氣的比值將不正確，導(dǎo)致前饋部分供應(yīng)的空氣不足，從而尾氣中Vm(H2S)/Vm(SO2)比值過高，尾氣質(zhì)量控制器檢測(cè)到異常，響應(yīng)如下：
①通過增加尾氣質(zhì)量控制器的輸出，微風(fēng)流量控制器獲得更高的設(shè)定點(diǎn)。
②微風(fēng)流量控制器增加其輸出，直到微風(fēng)量達(dá)到新的設(shè)定點(diǎn)。
③因?yàn)槲L(fēng)量偏離了期望值，空氣負(fù)載分配控制器逐漸減小其輸出量，通過減少微風(fēng)量并增加相同量到主風(fēng)量控制器中。
④微風(fēng)量逐漸返回到正常值，即滿量程的50%時(shí)，同時(shí)主風(fēng)流量控制器達(dá)到新的設(shè)定點(diǎn)。

3.3 負(fù)荷和組分同時(shí)變化
在負(fù)載波動(dòng)和成分變化同時(shí)存在的情況下，前饋部分、反饋部分、空氣負(fù)載分配控制都將采取行動(dòng)。最初所有控制器都處于設(shè)定點(diǎn)，隨著qV胺酸性氣的增加以及胺酸性氣中的Vm(H2S)的增加，克勞斯燃燒器控制系統(tǒng)將響應(yīng)如下：
①根據(jù)新增加的胺酸性氣體積流量重新計(jì)算標(biāo)稱總風(fēng)量需求。
②新的標(biāo)稱總風(fēng)量需求與原標(biāo)稱總風(fēng)量需求的比值被轉(zhuǎn)換為相對(duì)工廠負(fù)荷，增加了尾氣質(zhì)量控制器的增益，從而補(bǔ)償死區(qū)時(shí)間的減少。
③最初尾氣質(zhì)量控制器處于設(shè)定點(diǎn)，即使它的增益增加，但其輸出仍保持不變。
④從新的標(biāo)稱總風(fēng)量需求中減去微風(fēng)量需求，從而產(chǎn)生主風(fēng)流量控制器的新設(shè)定點(diǎn)。由于該控制器仍處于設(shè)定點(diǎn)，因此無需通過空氣負(fù)載分配控制器進(jìn)行調(diào)整。
⑤主風(fēng)流量控制器接收更高的設(shè)定值并打開控制閥，直到主風(fēng)體積流量達(dá)到新的設(shè)定值。
⑥由于組分發(fā)生變化，qV空氣/qV胺酸性氣的比值不正確，因此前饋提供了錯(cuò)誤的qV空氣值，導(dǎo)致尾氣中的Vm(H2S)/Vm(SO2)比值過高。在死區(qū)時(shí)間結(jié)束后，尾氣質(zhì)量控制器會(huì)發(fā)現(xiàn)尾氣中Vm(H2S)/Vm(SO2)比值的變化。
⑦尾氣質(zhì)量控制器開始增加輸出，直到測(cè)量的Vm(H2S)/Vm(SO2)比值再次等于設(shè)定點(diǎn)，由于負(fù)荷增加而增加的增益，將導(dǎo)致微風(fēng)控制器的設(shè)定點(diǎn)更高。
⑧微風(fēng)流量控制器增加輸出，直到微風(fēng)量達(dá)到新的設(shè)定點(diǎn)。
⑨當(dāng)微風(fēng)量偏離期望值時(shí)，空氣負(fù)載分配控制器逐漸減小其輸出，并增加相同的風(fēng)量到主風(fēng)流量控制器。
⑩逐漸將微風(fēng)量返回到微風(fēng)流量控制器量程的50%，同時(shí)主風(fēng)流量控制器達(dá)到了新的設(shè)定點(diǎn)。

4、結(jié)束語(yǔ)
克勞斯燃燒爐燃燒控制對(duì)硫回收的影響很大，它不僅涉及硫回收率，也涉及環(huán)保工程。理解燃燒的機(jī)理，并施以行之有效的控制，對(duì)控制燃燒具有重要意義。

通過前饋、反饋及串級(jí)等控制原理，克勞斯燃燒爐燃燒控制控制方案滿足了不同工況下參與燃燒反應(yīng)的胺酸性氣、汽提酸氣以及燃料氣的合理配風(fēng)，整套克勞斯燃燒爐燃燒控制系統(tǒng)對(duì)進(jìn)料的各種變化響應(yīng)迅速、自動(dòng)運(yùn)行，減少了操作人員的干預(yù)，產(chǎn)品回收率和尾氣排放均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，投用后效果良好。

該克勞斯燃燒爐燃燒控制系統(tǒng)還可以做進(jìn)一步改進(jìn)，通過在胺酸性氣和汽提酸氣進(jìn)料管線上加裝H2S分析儀，可以對(duì)進(jìn)料的成分做出檢測(cè)，控制器可以提前反應(yīng)，減少尾氣分析儀的延時(shí)，有助于提高硫的回收率。

作者：王永波、陳錦玉、李興侯