基于硫磺回收装置的克劳斯配风控制系统的制作方法

本发明属于克劳斯硫磺回收工艺技术领域，涉及基于硫磺回收装置的克劳斯配风控制系统。

背景技术：

现有酸性气硫磺回收工艺，其主要设备包括沿气流方向的制硫燃烧炉、两级克劳斯反应器等。在制硫燃烧炉中发生高温热反应，进料气中三分之一的h2s被燃烧成so2，三分之二的h2s与生成的so2发生克劳斯反应，离开燃烧室的混合气体被冷却，然后液体硫磺被分离，气体再先后进入两级克劳斯反应器发生克劳斯催化反应，进一步提高硫磺回收率将酸性气体中的h2s转化为硫磺回收。整个工艺中利用仪控系统，确保装置保持平稳、高效运行。例如，在酸性气管线设置酸性气组成在线分析仪，在二级克劳斯反应器后设置h2s/so2比例分析仪，实现对配风的有效控制。

克劳斯制硫反应总反应方程式可表示如下：

2h2s+so2＝s2+2h2o+q(放热)

当克劳斯反应器中的反应物h2s、so2浓度愈接近当量反应比，该反应的转化率愈高。因此控制克劳斯工艺的配风是提高克劳斯工艺转化率的关键。

传统的克劳斯配风控制系统采用“比例+前馈”双回路模式，主风占总供风量的80～90％并保持与酸性气流量成一定比例，并随着酸性气流量的波动而变化，称之为比例控制。副风占到总配风量的10～20％，由末级克劳斯反应器出口设置的h2s/so2在线分析仪对反应结果进行实时监测，并将检测结果与标准值比较后对副风进行适当的修正，称之为前馈控制。

比例控制模式主要应对酸性气流量的波动，主风按照一定的比例跟踪酸性气流量的变化，而且调节幅度比较大，属于粗放型调整模式。

前馈控制模式主要应对酸性气浓度的变化，安装于克劳斯末级反应器出口的在线检测仪表监控反应器生成物中h2s与so2的比值变化，通过pid控制器精确调节副风的流量使克劳斯工艺反应器出口h2s与so2的比例趋近于理想反应比例。

比例+前馈的控制系统具有控制回路简单的特点，但是由于h2s/so2在线分析仪安装在末级克劳斯反应器出口，获得的检测结果总是滞后于酸性气的实时变化。当克劳斯末级反应器出口的过程气组成数据从h2s/so2在线分析仪表现出来之后，由于酸性气与空气混合燃烧并经过克劳斯反应器反应需要一定的时间，实际上指示的是一段时间之前酸性气配风情况。

同时，前馈控制实际上是根据目标值与测量值不断对比并进行修正的一个过程，该过程加剧了控制系统的时间滞后，导致现有比例+前馈的控制系统无法达到较高的克劳斯反应收率。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有生产装置和工艺存在的上述缺陷，提出了基于硫磺回收装置的克劳斯配风控制系统。本发明的工艺可以极大的缩短滞后时间，提高配风的精确度，从而提高克劳斯工艺的转化率。

本发明是采用以下的技术方案实现的：

一种基于硫磺回收装置的克劳斯配风控制系统，包括燃烧单元、克劳斯反应单元和配气单元，以及根据工艺要求连通以上单元的管道和设置在管道上的阀门，所述燃烧单元包括制硫燃烧炉和连通制硫燃烧炉出气管的制硫余热锅炉；制硫燃烧炉设置有进风管和酸性气进气管，所述克劳斯单元包括一级冷凝冷却器、加热器、一级转化器、二级冷凝冷却器、二级转化器、三级冷凝冷却器、尾气分液罐；所述配气单元包括制硫鼓风机、分别位于制硫鼓风机主风管道和副风管道上的主风风量调节阀和副风风量调节阀，主风管道和副风管道汇合与制硫燃烧炉的进风管连通；

所述主风管道和副风管道上设置有流量的检测仪表，主风风量调节阀上设置根据设定值加以控制的pid控制器，酸性气进气管上设置有测量酸性气流量的流量检测仪表，主风管道和酸性气进气管上的流量检测仪表的信号输出端与主风风量调节阀上的pid控制器的信号输入端电连接；一级转化器与二级转化器之间的管道上设置有h2s/so2在线检测仪表，h2s/so2在线检测仪表和副风管道上的流量检测仪表连接在所述dcs控制系统的信号输入端，副风风量调节阀上设置的流量控制器连接在所述dcs控制系统的信号输出端。

进一步地，所述酸性气进气管包括清洁酸性气进气管和含氨酸性气进气管，清洁酸性气进管、含氨酸性气进气管连通的管道上分别设置有测量酸性气流量的检测仪表。

进一步地，所述h2s/so2在线检测仪表设置于二级冷凝冷却器的出口管道上。

上述系统的克劳斯配风控制包括如下流程：

(1)基于酸性气组成按照化学反应方程式计算得出酸性气理论配风系数，根据酸性气流量，设定初始主风流量和副风流量，通风后酸性气在制硫燃烧炉中发生燃烧反应；

(2)自制硫燃烧炉排出的过程气依次进入一级转化器和二级转化器，进行克劳斯反应；

(3)一级转化器和二级转化器之间的h2s/so2在线检测仪表检测过程气中h2s和so2的含量，dcs控制系统收集h2s/so2在线检测仪表的数据，修正步骤(1)中的副风原设定值，依据副风新设定值调节副风风量调节阀，控制副风流量；

(4)完成h2s和so2催化转化的过程气，最终进入尾气处理装置；催化反应生成的硫磺单质流入硫磺回收装置。

具体地，所述步骤(1)中根据酸性气风量，pid控制系统调节主风设定值，调节主风风量调节阀，控制主风的流量，依据公式如下：

主风按照酸性气的流量比例控制，计算公式如下：

q主风设定值＝q酸性气×k0式ⅰ

式ⅰ中：

q酸性气：酸性气流量，nm³/h；

k0：酸性气理论配风系数，基于酸性气组成按照化学反应方程式计算得出初始值根据实际运行情况调整，该计算方法为本领域常规计算方法。

其中，所述步骤(1)中设定初始副风流量，副风流量调整至副风流量量程的1/5～4/5。

具体地，所述步骤(3)中根据h2s/so2比例，控制工况变化后副风需要追踪的风量，设定副风新设定值，调节副风风量调节阀，依据公式如下：

副风新设定值计算公式：

q副风新设定值＝q副风原设定值+(q酸性气+q空气)×k×(ch2s-2cso2)×2.5式ⅱ

式ⅱ中：

q副风原设定值：副风调节阀原来的流量设定值，nm³/h；

q副风新设定值：副风调节阀需要的流量设定值，nm³/h；

q酸性气：酸性气流量，nm³/h；

q空气：依据式ⅰ，总风流量为q主风设定值和q副风原设定值之和，nm³/h；

k：体积修正系数，基于酸性气组成按照各组分的化学反应方程式计算得出体积修正系数，该计算方法为本领域常规计算方法；

ch2s：h2s/so2在线分析仪检测h2s浓度，mol％；

cso2：h2s/so2在线分析仪检测so2浓度，mol％。

本发明中，操作风量的控制可通过本发明设备及其相关连接管配置的流量检测仪、pid流量控制器和dcs控制系统实现，根据预设程序实现工艺流程切换控制。

本发明的系统中加热器可采用蒸汽加热器、电加热器、在线加热炉、高温掺合阀等加热装置。

本发明的有益效果是：

1)本发明的基于硫磺回收装置的克劳斯配风控制系统，将h2s/so2在线分析仪的设置地点由克劳斯二级反应器出口，更改在克劳斯一级反应器出口，减少检测反馈的滞后时间；利用过程气中h2s、so2含量控制配风，缓解了由于比例控制不稳定造成的震荡问题。

2)本发明的配风系统根据克劳斯一级反应器出口的h2s/so2在线分析仪h2s浓度直接计算需氧量并赋予副风调节阀作为目标追踪值，不再通过pid回路调节，缩短了调整时间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为实施例1提供的基于硫磺回收装置的克劳斯配风控制系统的示意图；

图2为对比例1提供的传统克劳斯配风控制系统的示意图；

图中标号：1制硫燃烧炉、2制硫余热锅炉、3一级冷凝冷却器、4加热器、5一级转化器、6过程气换热器、7二级冷凝冷却器、8二级转化器、9三级冷凝冷却器、10尾气分液罐、11制硫鼓风机、12主风风量调节阀、13副风风量调节阀、a酸性气进气管、b尾气出气管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的设备、材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明中，控制系统控制h2s/so2在线检测仪表、风量调节阀均为现有技术中常用的手段，pid控制器为常规控制系统。

实施例1

如图1所示，本实施例基于硫磺回收装置的克劳斯配风控制系统，包括燃烧单元、克劳斯反应单元和配气单元，以及根据工艺要求连通以上单元的管道和设置在管道上的阀门，其特征在于，

所述燃烧单元包括制硫燃烧炉1和连通制硫燃烧炉出气管的制硫余热锅炉2；制硫燃烧炉设置有进风管和酸性气进气管a；

所述克劳斯单元包括依次连通设置的一级冷凝冷却器3、加热器4、一级转化器5、二级冷凝冷却器7、二级转化器8、三级冷凝冷却器9、尾气分液罐10；一级冷凝冷却器与制硫余热锅炉的尾气出气管相连通，一级冷凝冷却器设置有液硫出液管；二级冷凝冷却器设置有与一级转化器出气管连通的进气管、与二级转化器进气管连通的出气管，二级冷凝冷却器进气管、出气管均部分设置于过程气换热器6内部，过程气换热器、二级冷凝冷却器分别设置有液硫出液管；三级冷凝冷却器设置有液硫出液管、与尾气分液罐连通的尾气出气管；尾气分液罐设置有液硫出液管、与外界连通的尾气出气管b；所述各设备的液流出液管与硫封罐连通；

所述配气单元包括制硫鼓风机11、分别位于制硫鼓风机两条出风管道上的主风风量调节阀12和副风风量调节阀13，主风与副风都来自制硫鼓风机，主风风量大，副风流量小但是精确，主风与副风汇合后一起进入制硫燃烧炉，制硫鼓风机两条出风管道汇合与制硫燃烧炉的进风管连通。

所述主风管道和副风管道上设置有流量的检测仪表，主风风量调节阀上设置根据设定值加以控制的pid控制器，酸性气进气管上设置有测量酸性气流量的流量检测仪表，主风管道和酸性气进气管上的流量检测仪表的信号输出端与主风风量调节阀上的pid控制器的信号输入端电连接。

h2s/so2在线检测仪表具体设置于二级冷凝冷却器的出口管道上，二级冷凝冷却器出口温度适宜，而且过程气中的硫雾较少，可有效保护在线仪表采样系统的使用寿命。h2s/so2在线检测仪表和副风管道上的流量检测仪表连接在所述dcs控制系统的信号输入端，副风风量调节阀上设置的流量控制器连接在所述dcs控制系统的信号输出端。

酸性气进气管包括清洁酸性气进气管和含氨酸性气进气管，清洁酸性气进管、含氨酸性气进气管连通的管道上分别设置有测量酸性气流量的检测仪表。

以10万吨/年硫磺回收装置设计负荷工况，本发明提供的基于硫磺回收装置的克劳斯配风控制系统的控制过程包含以下具体步骤：

(1)基于酸性气组成按照化学反应方程式计算得出酸性气理论配风系数，根据酸性气流量，设定初始主风风量调节阀和副风风量调节阀；酸性气与主风按比例混合后进入制硫燃烧炉，酸性气发生燃烧反应；

(2)自制硫燃烧炉排出的高温过程气进入制硫余热锅炉冷却，冷却的过程气进入一级冷凝冷却器；过程气中的硫在一级冷凝冷却器中凝为液硫，液硫捕集分离后进入硫封罐，随后过程气经加热器升温，进入一级转化器；在一级转化器中的催化剂的作用下，过程气中的h2s和so2进行克劳斯反应，转化为元素硫，排出一级转化器的高温过程气经过过程气换热器进入二级冷凝冷却器；在过程气换热器中，来自一级转化器的高温过程气与来自二级冷凝冷却器的低温过程气进行换热，降温的高温过程气进入二级冷凝冷却器；在二级冷凝冷却器中，过程气进一步冷却，其中的硫凝为液硫，液硫捕集分离后进入硫封罐，随后冷却的过程气经过h2s/so2在线检测仪表，再进入过程气换热器升温后，进入二级转化器；

(3)h2s/so2在线检测仪表检测过程气中h2s和so2的含量，dcs系统收集h2s/so2在线检测仪表的数据，修正步骤(1)中的副风原设定值，依据副风新设定值调节副风风量调节阀，控制副风流量；

(4)在二级转化器中，过程气中剩余的h2s和so2进一步发生催化转化，转化后的高温过程气经三级冷凝冷却器进一步冷却进入尾气分液罐，三级冷凝冷却器和尾气分液罐中冷凝的液硫被捕集分离后进入硫封罐；制硫尾气进入尾气处理部分，回收硫封罐中的液硫。

具体而言，步骤(1)中酸性气h2s浓度85％，初始酸性气流量1060nm³/h，pid控制系统根据主风设定值，调节主风风量调节阀，控制主风的流量，依据公式如下：

主风按照酸性气的流量比例控制，计算公式如下：

q主风设定值＝q酸性气×k0式ⅰ

式ⅰ中：

q酸性气：酸性气流量，nm³/h；

k0：酸性气理论配风系数，基于酸性气组成按照化学反应方程式计算为2。

依据式ⅰ计算，设定初始主风流量为2120nm³/h，副风流量预设为100nm³/h。

步骤(2)中制硫余热锅炉中高温过程气冷却至320℃，一级冷凝冷却器中过程气冷却至160℃，加热器中过程气升温至240℃，过程气换热器中过程气冷却至275℃，二级冷凝冷却器中过程气冷却至160℃，过程气换热器中过程气升温至210℃，三级冷凝冷却器中过程气冷却至160℃。

步骤(3)中h2s/so2在线检测仪表检测so2浓度0.3％(mol％)、h2s浓度0.6％(mol％)，当酸性气流量不变但是浓度出现变化时，在线仪表检测结果出现变化，检测结果so2浓度0.2％(mol％)、h2s浓度0.8％(mol％)；此时主风由于酸性气的流量没有改变因此保持不动；而副风按照检测结果将出现变化：dcs系统控制工况变化后副风需要追踪的风量，设定副风新设定值，调节副风风量调节阀，依据公式如下：

副风新设定值计算公式：

q副风新设定值＝q副风原设定值+(q酸性气+q空气)×k×(ch2s-2cso2)×2.5式ⅱ

式ⅱ中：

q副风原设定值：副风调节阀原来的流量设定值，nm³/h；

q副风新设定值：副风调节阀需要的流量设定值，nm³/h；

q酸性气：酸性气流量，nm³/h；

q空气：总风流量(q主风设定值+q副风原设定值)，nm³/h；

k：体积修正系数，基于酸性气组成按照各组分的化学反应方程式计算得出体积修正系数；

ch2s：h2s/so2在线分析仪检测h2s浓度，mol％；

cso2：h2s/so2在线分析仪检测so2浓度，mol％。

依据式ⅱ计算，主风流量保持2120nm³/h，q副风原设定值为100nm³/h，q酸性气为1060nm³/h，q空气为2200nm³/h，ch2s为0.008，cso2为0.002；体积修正系数k根据化学反应方程式计算得出，为0.87；

q副风新设定值＝128.5nm³/h；

副风流量的设定值将根据计算值迅速调整到128.5nm³/h，副风调节阀按照新设定值将副风的流量迅速调整到位，调整时间约为28.82s；利用过程气中h2s含量精确控制配风，缓解了由于比例控制不稳定造成的震荡问题。

对比例1

如图2所示，对比例1与实施例1的不同在于，该系统中的配气单元中h2s/so2在线检测仪表设置于尾气分液罐的出气口。以10万吨/年硫磺回收装置设计负荷工况计算制硫炉燃烧后过程气流经整个克劳斯工艺耗费时间如下表1所示：

表1.对比例1整个克劳斯工艺耗时时间表

当在线检测仪表安装在克劳斯工艺末级反应器出口时，单位体积的酸性气自进入克劳斯工艺开始被处理直至反应结束得到反应结果所耗费的时间高达～57.02s，即每一次优化调整的周期是57.02s，明显高于实施例1中的调整时间。

当然，上述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定对本发明的实施例范围。

本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的均等变化与改进等，均应归属于本发明的专利涵盖范围内。