硫化氢制酸焚烧炉的模拟分析

李召召，陈维海，陈未来，程 蕾，顾晓强，蔡 成，孟祥龙

(中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海 201108)

石油、天然气生产过程中会产生大量以硫化氢为主要成分的酸性气体，这部分酸性气在焚烧炉过氧燃烧生成富含SO2的烟气，然后通过干法或湿法工艺制酸[1]。这从根本上解决了石油、天然气生产过程中副产硫化氢气体的污染问题，并且使硫资源得到有效利用。焚烧炉的温度高时，要求焚烧炉的衬里耐热性能好；焚烧炉温度低时，二氧化硫浓度低，三氧化硫浓度高，硫酸产量低，因此焚烧炉温度是反映燃烧质量的一个重要指标。在硫化氢浓度一定时，影响炉膛和炉尾温度的主要因素是配风比。双闭环比值控制以硫化氢为主参数，燃烧风为副参数的控制方案(固定配风比)能满足硫化氢组分的浓度波动不大时焚烧炉的控制要求。然而，炼油厂酸性气硫化氢浓度通常波动较大，其浓度通常在60%～70%范围波动，有时甚至低至50%或高达80%。由于进料组份特别是H2S和CxHy变化会显著影响焚烧炉温度，必须及时地调整配风比。考虑到炉尾温度波动范围比炉内小，有利于系统稳定，采用炉尾温度作为主调节的第三参数，与比值调节系统组成串级比值调节系统，通过温度控制回路给出一个调节系数来改变配风比。这样既可以在H2S和CxHy浓度波动时保证硫化氢充分燃烧，又有利于下游余热锅炉的稳定运行[2-4]。

本文分别使用Aspen Plus软件和Hysys软件建立了焚烧炉的稳态和动态模型。先通过稳态模拟来分析不同温度下焚烧炉出口的组分，来选择合适的焚烧温度，再模拟计算硫化氢浓度在50%～80%范围变动时，固定配风比时焚烧炉出口温度的变化和固定焚烧炉温度时配风比的变化。再通过动态模拟来分析了H2S浓度60%～70%和CxHy浓度0%～3%剧烈波动时焚烧炉温度的动态响应。

1 硫化氢制酸焚烧炉的稳态模拟

图1 用ASPEN PLUS软件对焚烧炉建模

焚烧炉的Aspen Plus模型见图1，焚烧炉模块采用Gibbs反应器单元进行模拟，它作为一个基于Gibbs自由能最小化原理的反应器，求得焚烧炉的出口组成和温度。本文建模时选用PENG-ROB物性方法，环境温度取25℃。焚烧炉处理酸性气：流量2898 Nm3/h；含H2S 65%、CO221%、N210%、C2H63%，NH31%。初步设计焚烧炉内径φ3000 mm，长度12500 mm。焚烧炉温度通过“设计规定”来约束，通过调节空气量使焚烧炉出口烟气达到设定温度。焚烧炉散热损失通过传热计算，经计算焚烧炉温度700、800、900、1000、1100、1200、1300℃对应的散热损失分别为129、149、169、188、208、228、248 kW。

图2 烟气中SO2和SO3流量与焚烧炉温度的关系

分别设定焚烧炉温度为700、800、900、1000、1100、1200、1300℃，所对应的配风比和焚烧炉出口SO2和SO3流量见图2。由图2可以看出，随着配风比由18.33降至7.69，焚烧炉温度从700℃升至1300℃。当焚烧炉温度从700℃升至1100℃时，烟气中SO2流量迅速升高，SO3流量迅速降低；当焚烧炉温度1100℃升至1300℃，烟气中SO2流量升高速度趋缓，SO3流量降低速度趋缓。较高的SO2流量有助于提升硫酸产量，因此较高的温度是有利的，但是这对焚烧炉的设计和衬里选材提出了更高的要求。再加上焚烧炉内温度分布不均匀，通常焚烧炉尾部工作温度设为1100℃，炉内高温区域温度也可能达到1200℃以上。综上，H2S焚烧炉设计时考虑将温度控制在1100℃，此时对应的配风比为9.62。

若酸性气中H2S浓度在65%附近波动不大，H2S焚烧炉采用双闭环比值控制(分别控制酸性气和空气的流量，空气流量与酸性气流量按比值控制)即可满足需求。但是通常酸性气中H2S浓度通常在60%～70%，有时甚至低至50%或高达80%。经模拟计算，若维持9.62的配风比不变，H2S浓度在50%时焚烧炉温度为903℃，H2S浓度在80%时焚烧炉温度为1300℃，温度波动较大。若维持焚烧炉温度恒为1100℃，H2S浓度在50%时配风比为7.30，H2S浓度在80%时配风比为11.94。H2S焚烧炉可考虑串级比值控制方案，在比值控制的基础上引入温度控制，通过温度控制回路给出一个介于0.5～1.5的调节系数，使焚烧炉温度维持在1100℃。

2 硫化氢制酸焚烧炉的动态模拟

Hysys动态模拟引入时间变量，可以模拟压力、温度、液位、各相浓度等随时间的变化。本模型用它来模拟焚烧炉的控制系统，如图3所示，用Gibbs反应器来模拟焚烧炉，物性方法选用PENG-ROB，环境温度取25℃。焚烧炉内径φ3000 mm，长度12500 mm，散热损失208 kW。Compressor模块模拟空气风机，VLV-101模拟酸性气流量调节阀，VLV-102模拟空气流量调节阀。PID(比例-积分-微分控制器)是一种反馈控制器，本模型中FIC-101用于控制酸性气流量，设定值为2 898 Nm3/h； FIC-102用于控制空气流量；TIC-100用于控制焚烧炉温度，设定值为1100℃；PIC-100用于控制炉前空气压力4 kPag。FIC-102的设定值与FIC-101的实测值初始比值(即配风比)设为9.62，通过温度控制回路在计算器模块中给出一个介于0.5～1.5的调节系数。本文通过本模型模拟两种极端情况下(H2S浓度60%至70%之间的剧烈波动和C2H6浓度0至3%之间的剧烈波动)焚烧炉温度的动态响应。

图3 用HYSYS软件对焚烧炉控制系统建模

图4 H2S浓度波动时焚烧炉温度动态响应图

由图4可以看出，H2S浓度瞬时由65%降至60%时，焚烧炉温度瞬时降至1045℃，然后约1 min时间恢复到1100℃；H2S浓度瞬时由60%升至70%时，焚烧炉温度瞬时升至1206℃，然后约1 min时间恢复到1100℃；H2S浓度瞬时由70%降至60%时，焚烧炉温度瞬时降至991℃，然后约1 min时间恢复到1100℃；H2S浓度瞬时由60%升至65%时，焚烧炉温度瞬时升至1158℃，然后约1 min时间恢复到1100℃。

图5 C2H6浓度波动时焚烧炉温度动态响应图

由图5可以看出，C2H6浓度瞬时由3%降至0时，焚烧炉温度瞬时降至1013℃，然后约1 min时间恢复到1100℃；C2H6浓度瞬时由0升至3%时，焚烧炉温度瞬时升至1199℃，然后约1 min时间恢复到1100℃。

3 结论

(1)通过稳态模拟硫化氢制酸焚烧炉温度设定为1100℃较为合理，并计算硫化氢浓度在50%～80%变化时，焚烧炉温度1100℃不变时配风比的变化。

(2)通过动态模拟硫化氢制酸焚烧炉串级比值控制系统，模拟两种极端情况：H2S浓度60%至70%之间的剧烈波动，C2H6浓度0至3%之间的剧烈波动，焚烧炉瞬时温度低至1000℃或高达1200℃左右然后很快恢复到1100℃。

(3)通过模拟分析硫化氢制酸焚烧炉控制温度为1100℃，并采用串级比值调节系统可以有效解决酸性气组分剧烈波动带来的影响。