1、UV_II 型硫回收装置尾气 H2S/SO2分析仪的研制与应用庄际，袁文章，陈怡，张新华，陈力钧（南化集团研究院，江苏南京 210048）摘要： 本文介绍基于朗伯-比尔定律开发、主要应用于“克劳斯”硫回收装置的 UV_II 型硫回收装置尾气 H2S/SO2 分析仪。该仪器替代价格昂贵的进口仪表，已成功应用于扬子石化的硫回收装置。关键词：H 2S/SO2 分析仪；S7-200；“差温”除硫；“克劳斯 ”硫回收1 前言炼化企业 H2S 气体一般采用“克劳斯”装置将 H2S 转化为硫磺来回收。在“克劳斯”工艺过程中，空气与 H2S 酸性气的配比调节非常重要，它直接影响硫化氢的转化率、单质硫的收率、产
2、品质量及“克劳斯”装置中硫化氢和二氧化硫等有害尾气的排放量。配比调节的关键是 H2S/SO2 比例的在线分析 ，而我国现有 H2S/SO2 分析仪大多从国外进口，价1格昂贵。因此，开展 H2S/SO2 在线分析仪的研制工作是非常有意义的。2 仪器的工作原理紫外光在气体或溶液中的吸收一般遵从朗伯-比尔定律：（1）kALeI0I吸收后光的强度I0物质浓度为零（即不存在吸收物质）时光的强度A样气或被测介质的浓度L工作气室（比色皿）的长度K与物质及波长有关的常数对一个特定的测量工作气室和测量波长以及特定的被测物质，其工作气室的长度 L 和吸收常数 K 是一定的，通过测量该物质吸收前、后的紫外光的强度，
3、便可以测量出它的浓度。我们利用朗伯-比尔定律选定不同组分下对本组分有较大吸收的紫外波长作为测量波长来分析气体中二氧化硫、硫化氢和单质硫的浓度，同时选择一个各组分都不吸收的紫外波长作为参比波长，并通过模型计算尽量消除单质硫和硫有机物对硫化氢和二氧化硫比值的测量干扰。分析仪测定二氧化硫浓度的测量波长为 283nm，硫化氢测量波长为 228nm，单质硫的测量波长为 254 nm，参比波长选用 396nm。3 仪器的硬件构成整个分析仪可以分成采样及差温除硫系统、光学分析系统、电气控制系统和正压防爆系统四个部份。整体结构如图 1。图 1 仪器结构图3.1 采样及差温除硫系统样品气体由仪器内置的抽气泵从工
4、艺管道中提取，抽气泵以加热后的仪表风为动力，利用文丘利原理产生负压，带动样气运动。以热仪表风为动力的优点是可以防止硫、油、杂质在抽气泵内析出。从样品气出工艺管线到进分析仪之间必须采取恒温措施，保证样气温度不降低进样气管通过管道上 1 英寸蒸气加热球型阀插入到过程管道中，抽气泵以100 毫升/分钟的速度将样品气经由除硫器提取。加热箱采用电加热方式，以维持样气测量池恒温(额定 150) ；除硫器通过冷却样品气的方式使单质气态硫冷凝成液态硫，再通过除硫器内装特制捕获器将单质硫分离。除硫器中的气体温度以及测量池温度使用铂电阻温度探测器(RTD)测量并输入到控制器中，测量池压力通过压力传感器测量并输入到
5、控制器中。测量后样品气由抽气泵出口返回到工艺管道中。分析仪可通过关闭进样阀和出样阀的方式实现与过程管道的完全隔离。图 2 仪器气路图3.2 光学系统光学测量系统从紫外光源箱，经恒温测量箱，延伸至信号检测箱。此光学系统包括紫外光源组件、测量池和光电信号接收器。紫外光源组件主要由频闪氙灯 和脉冲变压器组2成。测量池由一个两端 UV 级窗口封闭的 5 英寸长不锈钢管和用于样气输入与排出的不锈钢管组成。光电信号接收器由一个支持四个紫外增强型光电二极管的电路板组成，每一个光电二极管前有一个与测量波长相对应的紫外光学滤光片，以探测某一特定波长的紫外光。图 3 分析仪光学原理图3.3 电气控制系统分析仪电气
6、控制及显示系统包括紫外光源供电控制和信号放大处理、显示操作面板及PLC 控制系统几个部分，安装在紫外光源箱和信号检测箱内。紫外光源供电控制部分产生一个脉冲高压电源，提供给频闪氙灯。脉冲高压电源是利用 NE555 振荡器产生占空比可调的高频脉冲序列，经高频脉冲变压器升压后产生的直流高压。该电压再经恒压调节后提供给频闪氙灯，驱动紫外频闪氙灯工作。信号放大处理部分是将光电信号接收器送来的信号和其它温度、压力传感器送来的信号进一步放大、采样、保持并转换成 PLC 控制系统能接收的信号。显示操作面板选用 5.7 英寸液晶点阵式文本显示触摸屏 ktp178micro，在屏幕上可以显示二氧化硫浓度、硫化氢浓
7、度及比值，也显示分析仪内部各个参数，用手指触摸液晶屏上即可实现功能操作和参数修改。仪器的控制系统选用可编程控制器 S7-200PLC，共配置了 7 个模拟量输入通道，4 个模拟量输出通道，16 个数字量输入输出通道。可实现对测量、参比、温度、压力等信号的采样、计算并与触摸屏实现信号交换，完成对整个分析仪各个参数的测量和控制。4 个模拟量输出通道中有 3 个为 4-20 毫安的独立模拟量输出信号，模拟量输出范围可进行完全编程。3.4 正压防爆系统本分析仪属于正压防爆型电气设备，采用正压补偿结构形式 。在启动和运行时，设3备箱体内部充以干净的保护气体，使其内部的气压高于设备外部的气压，从而限制了周
8、围爆炸性气体混合物进入设备的内部。把电气设备可能产生的火花、电弧和危险温度的部分全部放置在这种正压设备外壳保护之内，使其不可能与周围含有爆炸性气体混合物接触，即使设备外壳内部产生火花、电弧和危险温度，也不可能引起爆炸事故的发生，同时采取措施，在保护气体供应出现故障的情况下也能进行保护，从而达到安全运行的目的。4. 仪器的软件开发仪器的软件开发包括三部分：PLC 控制系统的编程、触摸控制器的编程和 PLC 与触摸控制器的通讯编程，软件总体设计如下图所示。图 4 软件设计框图PLC 的编程使用 STEP 7-Micro/WIN 4.0，它是 S7-200PLC 专用的 32 位编程软件包, 用于实
9、现仪器的数据采集、计算、输出、控制、报警和通讯等功能。触摸控制器的组态使用 SIMATIC WinCC flexible 软件，它是一种前瞻性的面向机器的 HMI 软件。PLC 与触摸控制器的通讯在 WinCC flexible 设置即可。5. 仪器的技术参数和技术指标5.1 仪器的技术参数 测量波长： 228，283，254，396nm灯管： 紫外频闪氙灯探测器： 紫外（UV）加强型光电二极管测量池长度： 127mm(5 英寸)周围环境温度：-20 到 50最大(RH)： 90%未凝聚最高海拔： 2000 米(6500ft.)仪表供电： 220Vac(额定)/50 Hz 6A防爆等级： Ex
10、pxdm II BT45.2 仪器的技术指标：测量范围 SO2：0 至 1.0% ，H 2S：0 至 2.0%准确度 H2S 和 SO2：满刻度值的5%敏感度 满刻度值的0.15%重复性 满刻度值的1.5%样本条件 空气抽吸 2 升/分，典型响应速度 90%15 秒，典型(默认含有光噪)零点漂移 小于满刻度值的3%( 24 小时)6. 现场使用情况扬子芳烃厂“克劳斯”硫回收装置设计生产能力为 1.44 万吨硫/年，制硫过程采用克劳斯法。受生产条件影响，原料气中的 H2S 浓度和烃的浓度是不断变化的，所以检测尾气中的 H2S 与 SO2 的比例，及时调整 H2S 燃烧炉的空气补给量，对装置的正常
11、运行是十分重要的。UV_II 型尾气 H2S/SO2 分析仪对扬子石化公司芳烃厂 “克劳斯 ”装置燃烧炉出口气体进行了在线测量，测量取样点选择在装置尾气总管上，管道（设计）压力为 0.1kpa。本分析仪自投运以来已达一年多，运行中取样管线除仪表正常的自动吹扫外，无人工清理，也无硫积聚的迹象，仪器运行正常，证明了本分析仪在除硫设计和“硫蒸汽硫化氢浓度二氧化硫浓度”模型设计是可以信赖的，也说明分析仪各方面设计是可行的。分析仪投运后的部分运行数据如图 5 所示。图 5 仪器运行曲线为了确认 UV_II 型硫回收装置尾气 H2S/SO2 分析仪的准确性，我们用标气法对分析仪进行现场校验。在现场，关闭工
12、艺进样阀，打开标样进口阀，用标准钢瓶样气（该标气的不确定度为 1.5%，置信因子 K=2）送入分析仪。对比标准样气的浓度与分析仪指示值，以此来确定仪表的准确性。第一次标定时，通入 1.01% SO2 标气，仪器显示值 1.01%；通入1.51% H2S 的标气，仪器显示值 1.51%。仪器运行两个月后，再次用样气标定，第二次标定时，通入 1.01% SO2 标气，仪器显示值 1.01%；通入 1.51% H2S 标气，仪器显示值 1.53%，测试数据见表 1。时隔两个月，两次标定值仍保持一致，说明仪器的准确度和长期稳定性比较好。表 1 标准气体测试上行 下行SO2 标气 0.00 0.50 1
13、.01 1.01 0.50 0.00显示浓度 0.00 0.48 1.01 1.01 0.50 0.01误差 0.00 -0.02 0.00 0.00 0.00 0.01H2S 标气 0.00 1.51 2.01 2.01 1.51 0.00显示浓度 0.01 1.53 2.02 2.01 1.53 0.00误差 -0.01 0.02 0.01 0.00 0.02 0.00从以上数据中可以看到。最大 H2S 绝对误差为 0.02%浓度，以 H2S 浓度测量量程为2%计算，则其最大相对误差为 1%。最大 SO2 绝对误差为-0.02% 浓度，以 SO2 浓度测量量程为 1%计算，则其最大相对误差
14、为 2%。均符合仪器设计要求。7结论从扬子芳烃厂硫回收现场的应用结果来看，UV_II 型尾气 H2S/SO2 分析仪满足了生产工艺流程的要求，实现了生产流程的在线测量。该仪表及时反映了生产过程的变化，起到了指导生产、稳定工艺、减少尾气排放的作用。同时，仪表国产化后，不仅可以大大降低仪表成本，还可以为用户提供更为可靠、直接的售后服务工作，使得尾气 H2S/SO2 分析仪在硫磺回收装置上起到应有的作用。参考文献：1 李菁菁. 硫回收及尾气处理. J炼油设计, 1999,8(29):36-422 李丽. 脉冲氙灯特性分析及应用. J光电对抗与无源干扰 2001,(1):42-473 GB/T 383
15、6.1-87,爆炸性环境用防爆电器设备正压型电气设备标准SThe development and application of UV_II type sulfur recovery unit tail gas H2S/SO2 analyzerZHUANG Ji, YUAN Wen-zhang, CHEN Yi, ZHANG Xin-hua, CHEN Li-jun(Research Institute of Nanjing Chemical Industry Group, Nanjing 210048, China)Abstract:Based on Lambert - Beer law ,
16、the UV_II type sulfur recovery unit tail gas H2S/SO2 analyzer was described. This analyzer is mainly used in “Claus“ sulfur recovery unit; it has been successfully applied to YPCs sulfur recovery unit.Key words: H2S/SO2 analyzer; S7-200; temperature difference method to eliminate sulfur; “Claus“ sulfur recovery
