楊 振

東華工程科技股份有限公司 合肥 230024

比值分析儀在硫磺回收裝置中的應(yīng)用

楊 振*

東華工程科技股份有限公司 合肥 230024

本文論述克勞斯硫磺回收工藝中尾氣在線分析的檢測原理，介紹硫磺比值分析儀的系統(tǒng)組成，并提出硫磺比值分析儀的安裝與使用的注意事項。

比值分析儀 硫磺回收 紫外光譜法

在石油化工生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量含有H2S、SO2等危害氣體的尾氣，直接排放大氣會造成嚴重的環(huán)境污染。隨著社會的發(fā)展，國家對石油化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中環(huán)保的要求越來越高，我國于1997年制定《大氣污染物綜合排放標準》來限制H2S、SO2等大氣污染物的排放。為實現(xiàn)節(jié)能減排、環(huán)境保護等目的，石油化工生產(chǎn)尾氣中的H2S、SO2氣體普遍采用硫回收裝置進行回收[1]。

1 硫磺回收工藝

克勞斯硫回收工藝是近年來國外發(fā)展的硫磺回收先進工藝技術(shù)，一般采用工藝路線成熟的高溫?zé)岱磻?yīng)和兩級/三級催化反應(yīng)工藝。根據(jù)酸性氣中H2S含量不同，可以采用部分燃燒法或分流法。酸性氣中H2S濃度較高時通常采用部分燃燒法，此法是將全部原料氣引入制硫燃燒爐，在爐中按制硫所需的O2量嚴格控制配風(fēng)比, 使H2S燃燒后生成SO2的量滿足H2S：SO2接近于2：1。H2S與SO2在燃燒爐內(nèi)發(fā)生高溫反應(yīng)生成氣態(tài)硫磺，未完全反應(yīng)的H2S和SO2再經(jīng)過轉(zhuǎn)化器，在催化劑的作用下，進一步完成轉(zhuǎn)化過程。酸性氣濃度較低時常采用分流法，將一部分的原料氣引入制硫燃燒爐，在爐中按制硫所需的O2量嚴格控制配風(fēng)比，使H2S在爐中全部生成SO2；另外一部分的原料氣在爐后與其混合進一、二級轉(zhuǎn)化器，在催化劑的作用下，發(fā)生克勞斯反應(yīng)生成硫磺，完成制硫過程。無論采用哪種方式，硫磺回收裝置的核心是控制好H2S與SO2的比值[2]。 H2S與SO2比值越接近于2，平衡轉(zhuǎn)化率越高。因此，制硫尾氣線上設(shè)置H2S/SO2在線分析儀是硫磺回收裝置檢測儀表的關(guān)鍵。

2 檢測原理

目前市場上硫磺比值分析儀通常都是在采用紫外光度法分別檢測H2S 與SO2的體積百分比濃度的基礎(chǔ)上，將兩者相除計算，以獲得該比值。以聚光公司OMA-3510為例，硫磺比值分析儀采用全息光柵分光技術(shù)和差分光學(xué)吸收光譜分析技術(shù)，利用各化學(xué)組分對不同波長光波產(chǎn)生不同的特征吸收譜線的特質(zhì)，通過對被測介質(zhì)連續(xù)吸收光譜衰減的分析，精確計算出不同化學(xué)組分的含量。

比值分析儀的光學(xué)檢測原理見圖1。分析儀主要由光源模塊、樣氣室、檢測器、光路基座及光學(xué)校驗鏡等組成。

圖1 硫磺比值分析儀光學(xué)檢測系統(tǒng)

光源可采用閃爍氙燈或連續(xù)氘燈，光譜檢測范圍為190～450nm。樣氣室是一個兩端帶石英窗的不銹鋼封閉長管，具有樣氣入口和出口。檢測器由4個單獨的配有高精度光過濾器的硅光電二極管組成。光路基座是一個大口徑的不銹鋼管，一部分在電氣箱內(nèi)，一部分在樣氣箱內(nèi)與檢測器箱連通。其工作原理：一束由單光源氙燈發(fā)出的紫外脈動閃爍光經(jīng)過濾光器后， 只有被測氣體組分的吸收波長光譜和參比基準光譜的紫外光通過透鏡再平行射出，該光束穿過樣氣室再進檢測器。當被測混和氣體流經(jīng)樣氣室時，相應(yīng)波長的光譜被待測氣體組分吸收，剩余的光譜再同時經(jīng)過高精度濾光器到達檢測器，各個濾光器只允許特定波長的被測氣體組分的吸收光譜(依次對應(yīng)H2S、SO2、硫蒸汽和參比基準)通過[3]。

3 系統(tǒng)組成

硫磺比值分析儀系統(tǒng)組成見圖2。主要分為采樣系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)。

圖2 硫磺比值分析儀系統(tǒng)

采樣系統(tǒng)主要由采樣探頭、進樣閥、硫磺捕集器、樣氣室、射流泵組成。樣氣被射流泵抽取，經(jīng)過采樣探管和硫磺捕集器進氣體室，經(jīng)光譜儀測量尾氣中的H2S與SO2氣體成分后，尾氣回排至工藝管道。在樣氣采集的過程中，硫磺堵塞是行業(yè)共性的難題，因為硫磺在130℃以下會發(fā)生結(jié)晶[4]。為了防止硫磺堵塞，工程中通常采取以下三種措施：

(1)比值分析儀直接安裝在工藝管線上，減少采樣管線，以減少硫磺堵塞的可能性；同時，采樣探頭插入工藝管線的中心保證了所取樣氣具有代表性。

(2)硫磺捕集器外部包纏管，以氮氣或者空氣換熱冷卻。通過分析器柜上的截止閥控制風(fēng)量，使得硫磺捕集器出口樣氣溫度低于120℃，樣氣中的氣態(tài)硫磺被冷凝析出，冷凝出的液態(tài)硫磺在重力作用下排回工藝管線，達到了除去樣氣中夾帶的硫霧并降低樣氣中的硫蒸汽壓力的目的。

(3)設(shè)置必要的輔助系統(tǒng)，包括電伴熱、蒸汽伴熱、反吹系統(tǒng)等。為防止采樣系統(tǒng)堵塞和保證分析儀安全運行，工程中通常采取電伴熱和蒸汽伴熱相結(jié)合的保溫方式，并可在樣氣管線發(fā)生堵塞時啟動空氣反吹或蒸汽反吹?？諝夥创凳侵缚諝庖宦贩聪蜻M硫磺捕集器、進樣閥吹掃采樣探頭；另一路則經(jīng)過樣氣室、吸氣器、回樣閥吹掃回樣口，其主要作用是防止系統(tǒng)堵塞。當除霧器和樣氣室溫度、樣氣室壓力或儀表風(fēng)壓力中任何一個超出預(yù)先設(shè)定的正常范圍時，都會啟動空氣自動反吹以清潔采樣系統(tǒng)，故障清除后儀表自動恢復(fù)運行。在儀表預(yù)熱階段或電源發(fā)生故障時, 儀表自動保持反吹狀態(tài)直到樣氣室溫度達到正常范圍。為保證采樣系統(tǒng)的清潔, 可通過程序設(shè)置定期空氣反吹。

電控系統(tǒng)使用正壓通風(fēng)保護，主要包括控制器、加熱器、繼電器、電磁閥、熱電阻、電源及其它電子模塊等?？刂破魇瞧浜诵?，它提供了所有的控制和自檢功能，可以設(shè)定輸出各種測量參數(shù)和故障信息，也可通過RS―485接口實現(xiàn)遠程操作，系統(tǒng)采用程序控制方式實現(xiàn)溫控、壓控、吹掃、定時和檢測， 并按特定的控制算法來計算H2S和SO2的百分比濃度及其比值。

4 安裝與使用

硫磺比值分析儀安裝前，需要在管道上焊接夾套式法蘭及接管。然后在法蘭上面安裝全通徑球閥和探頭法蘭，固定探頭。探頭提供拆裝手柄，方便實現(xiàn)探頭安裝或拆卸。探頭法蘭內(nèi)有盤根密封，同時內(nèi)置保護氣吹掃口，用以連接壓縮空氣，避免運行過程中H2S泄漏。硫磺比值分析探頭安裝見圖3。

圖3 硫磺比值分析探頭安裝

硫磺比值分析儀投用前需具備的條件：① 啟動蒸汽伴熱及電伴熱，確保所有保溫措施投入使用。這一點非常重要，直接關(guān)系到分析儀使用效果；② 儀表風(fēng)要求風(fēng)壓不低于4.5 bar，并在儀表風(fēng)接入分析儀之前安裝濾油、濾水裝置?，F(xiàn)場檢測器箱位于表的右側(cè)面，需要放置硅膠干燥劑。

硫磺比值分析儀在維護性檢修中注意事項：

(1)疏通射流泵。此檢修發(fā)生于儀表顯示報警“探頭堵塞”或顯示數(shù)值長時間無變化并且手動吹掃后數(shù)值為零的情況。具體操作為：先用內(nèi)六角螺絲刀關(guān)閉探頭上方的維護球閥，再用內(nèi)六角螺絲刀將氣體室拆下來，然后用細鋼絲或其他物件疏通射流泵直到射流泵向內(nèi)吸氣為止。最后將維護球閥打開裝上氣體室即可。

(2)疏通探頭。此檢修一般周期為一年甚至更長。發(fā)生于疏通射流泵后數(shù)值依然為零或顯示探頭堵塞的情況。具體操作為：拆開連接在探頭上的所有氣路，打開焊接球閥保護氣然后將探頭拔出來，檢查探頭下方的斜口處是否堵塞，若堵塞則用硬物疏通或用高溫蒸汽吹掃疏通。

(3)蒸汽系統(tǒng)的維護。若冬天氣溫過低時有可能將蒸汽冷凝，此時需要將蒸汽出口處加上保溫，保證蒸汽不冷凝。

(4)擦洗光纖和透鏡。此操作發(fā)生于透鏡或探頭污染時的清洗[5]。

5 投運及運行情況

以某項目為例，按照以上要求做好開車前所有準備工作。開車階段記錄的初始數(shù)據(jù)見表1。

表1 硫磺比值分析儀投運原始數(shù)據(jù)

由表1可以得出結(jié)論：

(1)H2S/SO2兩者比值最終趨近于2:1。剛開始投料時，工藝運行不穩(wěn)定，H2S未能充分燃燒，H2S/SO2兩者比值大于2:1。隨著工藝操作的穩(wěn)定，H2S/SO2兩者比值逐漸下降，最終趨近于2:1。這正符合克勞斯反應(yīng)規(guī)律。因為在克勞斯硫制反應(yīng)中，SO2是由H2S部分燃燒產(chǎn)生的，通過加入的空氣量的多少可以控制SO2的產(chǎn)生比例。

(2)以H2S+SO2(%)作為參考指標，當H2S/SO2兩者比值為1.9時，H2S、SO2兩者總含量最小。當H2S/SO2兩者比值大于1.9時，H2S+SO2(%)呈增大的趨勢。這也符合克勞斯制硫反應(yīng)的理想摩爾比的條件，即H2S/SO2配比維持在2:1左右，硫的轉(zhuǎn)化率最高，剩余H2S和SO2量最小，反之則有增大的趨勢。隨著時間的推移，操作條件的變化使數(shù)據(jù)與理想曲線更加吻合。

該分析儀投運一年來運行正常。由于沒有長距的取樣管線且對取樣法蘭及閥門采用了蒸汽伴熱，從根本上避免了硫冷凝堵塞取樣管的問題。運行中取樣管線除儀表正常的自動吹掃外，無需人工清理。H2S/SO2比值、H2S含量、SO2含量也是趨近于理想曲線的。

6 結(jié) 語

傳統(tǒng)的人工化驗，由于其化驗周期長，化驗結(jié)果缺乏實時連續(xù)性且人為誤差較大，很難滿足現(xiàn)代化工業(yè)先進自動化水平的要求。在線分析儀具有自動校零、自檢驗、自動報警的功能。此外，分析儀配有RS485串行通信口，數(shù)據(jù)信號可接入DCS實現(xiàn)在線監(jiān)控。目前，硫磺比值在線分析儀已廣泛應(yīng)用于克勞斯法硫磺回收裝置中。

1 佟新宇.硫磺裝置硫比值分析儀的在線分析及應(yīng)用控制[J].自動化儀表，2009，30(1)：23-30.

2 國家環(huán)境保護局.石油化學(xué)工業(yè)廢氣治理[M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，1996：50-54.

3 王 森.在線分析儀器手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：95-101.

4 劉光啟.化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001：228-229.

5 陳 怡.硫回收裝置中比值分析儀存在的問題和解決辦法[J].石油化工自動化，2013，49(3)：68-70.

(修改回稿 2016-09-18)

*楊 振：工程師。2007年畢業(yè)于北京化工大學(xué)自動化專業(yè)。從事自控設(shè)計工作。聯(lián)系電話：13966701401， E-mail:yangzhen@chinaecec.com。