（机械电子工程专业论文）基于bayes估计的催化剂失效判定方法.pdf

摘要 摘要 石油化工行业是我国国民经济的支柱产业之一，然而它也是我国工业界的 污染大户。在生产过程存在多种易燃、易爆和有毒的物质，因此石化企业是一 种安全环保要求高的企业。为此，对石化企业的化工装置进行监控是十分必要 的，特别对于存在大量氧化还原反应的化工装置，对其使用的催化剂进行监控 更成为重中之重。这对于保证企业安全生产，减少对大气的污染，提高催化剂 的有效利用率和降低企业生产成本，都具有十分重要的意义。 本课题以广州石化硫磺回收装置为例，建立了一套基于b a y e s 估计的催化 剂失效判定方法。本文首先对装置的工艺流程进行了简要的分析，在工艺流程 分析和专家经验总结的基础上，对催化剂影响参数及关键监测点进行了详细的 分析和归纳。接着根据硫磺回收装置生产流程的特点，分析了关键监测点的影 响参数。采用多元线性回归，分别对各关键监测点及其影响参数进行历史数据 分析，从而拟合出各关键监测点的趋势预测模型。最后通过预测模型获得各关 键监测点的预测值及其发生概率，再利用分层次b a y e s 估计对催化剂趋势状态 进行判定。 另外，本文根据课题研究对象的特点，结合生产中的现实情况，初步建立 了一套自学习机制。本文提出的自学习机制主要包含两个方面：一是关键监测 点预测参数自学习机制，采用逐步回归法对海量参数进行变量筛选，使预测模 型能得到进一步的参数修正，为b a y e s 估计提供更加可靠的预测值；二是关键 监测点选择机制，基于专家经验，总结的关键监测点的共同点，得出在催化剂 失效时各关键监测点都出现的数据波动特征，形成初步的关键监测点选择机制。 最后，对本文所做的研究工作进行了总结，并针对课题目前研究情况和结 果，对其将来的研究进行了展望，指出了需要进一步完善和改进的地方。 关键词：b a y e s 估计催化剂失效判定逐步回归 ! 至三些查兰三兰堡圭兰竺兰兰 a b s t r a c t p e t r o c h e m i c a li n d u s t r yi so n eo ft h em a i n s t a yi n d u s t r i e si no u r n a t i o n a l e c o n o y h o w e v e r ， i t i sa l s ot h em o s tc o n t a m i n a t i v e i nt h e p r o c e s so fp r o d u c t i o n ，t h e r ei sm u c hc o n t a m i n a t i o nw h i c hi se a s yt ob u r n ， e x p l o d ea n db ep o i s o n o u s i ti sn e c e s s a r yf o rap e t r o c h e m i c a le n t e r p r i s e t ob eh i g h l ys a f ea n de n v i r o n m e n t a l l yp r o t e c t i v e a i m m i n ga tt h i sg o a l ， t h ea c t i v i t ys t a t u so fa c t i v a t o ri st h em o s ti m p o r t a n ti nt h ei n s p e c t i o n a n dc o n t r 0 1 ，e s p e c i a l l yf o rt h ec h e m i c a le q u i p m e n tw i t hm a s so x i d i z i n g r e a c t i o n ，b e c a u s ei ti sv e r ys i g n i f i c a n tt oe n s u r et h es a f t yp r o d u c t i o n ， r e d u c ea i rp o l l u t i o n ，i m p r o v et h ee f f e c to fa c t i v a t o r ，a n dd e c r e a s et h e c o s t i nt h i sp a p e r ，t h es u l p h u rr e c o v e r yd e v i c ei si n v e s t i g a t e d b a s e d u p o nt h eb a y e se s t i m a t i o n ，ad i s c r i m i n a n tm e t h o di sp u tf o r w a r df o rt h e a c t i v i t ys t a t u so fa c t i v a t o r f i r s t ，t h ec h e m i c a lp r o c e s s i s b r i e f l y a n a l y z e d ， a n dt h e nt h ei n f l u e n c ep a ra i t l e t e r sa r ec o n c l u d e da n dt h ek e y i n s p e c tp o i n t sa r es e l e c t e dd u et op r o c e s sa n a l y s i sa n de x p e r te x p e r i e n c e i na c c o r d a n c ew i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fd e v i c e ，t h ep a r a m e t e r i n f l u e n c e so nt h ep r o c e s sa r ea n a l y z e d s e c o n d ， t h ee s t i m a t e sf o rt h e i n f l u e n c ep a r a m e t e r sa r ef o r e da n dt h em o d e l st op r e d i c tt h et e n d e n c i e s f o rt h ek e yi n s p e c tp o i n t sa r eb u i l tu pb ym e a n so fm u l t i p l er e g r e s s i o n f i n a l l y ，t h ep r e d i c t i v ev a l u e sf o rt h ep r o c e s sp a r 硼e t e r sa n dr e l a t e d p r o b a b i l i t i e st oo c c u ra r eo b t a i n e do nt h ek e yp o i n t sb yt h er e g r e s s i o n m o d e l ，a n dt h ea c t i v i t ys t a t u so fa c t i v a t o ri st h e nd i s c r i m i n a t e db yt h e 1 a y e r e db a y e se s t i m a t i o n f u r t h e r m o r e ，as e l f l e a r n i n gm e c h a n i s mi se l e m e n t a r yb u i l tu pb a s e d u p o nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec h e m i c a ld e v i c e t h em e c h a n i s mi n c l u d e s t w oa s p e c t s o n ei sf o rt h ep r e d i c t i o n so fp r o c e s sp a r a m e t e r s ， t h e ya r e s e l e c t e du s i n gt h es t e p w i s er e g r e s s i o na n a l y s i st oi m p r o v et h ee s t i m a t e p r e c i s i o n t h eo t h e ri sf o rt h es e l e c t i o no ft h ek e yp o i n t s ， t h ec o m m o n f l u c t u a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ed a t a ， w h i c hw i l lh a p p e no n c et h e a c t i v a t o ri si n v a l i d ， a r ec o n c l u d e db yt h ee x p e r te x p e r i e n c e a tl a s t 。 t h er e s e a r c hw o r ki ss u 唧a r i z e d ，a n dt h ef u r t h e rr e s e a r c h i s s u e sa r ea l s op o i n t e do u t k e yw o r d s ：b a y e se s t i m a t i o n a c t i v a t o r d e t e r m i n a n to fi n v a l i d a t i o n s t e p w i s er e g r e s s i o na n a l y s i s i i i 第一章绪论 第一章绪论 本章首先介绍了本课题的研究背景与实际意义，然后介绍了b a y e s 估计的 国内外研究现状及动态，最后介绍了本课题的来源及主要研究内容。 1 1 研究背景及问题的提出 1 1 1 研究背景 石油和化工是高污染的行业，据统计，石油和化工行业废水、废气、固体 废物的排放量分别居全国工业排放总量的第一、四、五位。其生产过程中有多 种易燃、易爆和有毒的物质，排放的污染物特征复杂，易对环境产生不良的影 响，因此石化企业是一种安全环保要求高的企业。我国的石化企业大多建于计 划经济体制下，很多企业依然沿用多投入、高消耗来实现高产出的粗放型经营模 式，同时环境管理采用末端治理的方法，从而导致环境污染的增加和环境资源 的退化。一方面，随着我国不断制定和实施严格的环境法规，提高排污费的收 费标准和扩大排污费征收范围，企业产品的社会成本将增加。另一方面，企业 生产过程中污染物的大量排放将对环境大气造成严重污染，不仅会影响人民的 健康同时也会影响企业的声誉，给企业造成无形的损失m 。 因此化工装置的监控问题得到了越来越多的重视。特别对于存在大量氧化 还原反应的化工装置，对其使用的催化剂活性的监控更成为重中之重。对催化 剂活性的有效监控，一方面可以保证氧化还原反应的顺利正常进行，以免影响 下一级流程的工作条件以致最终造成环境污染；另一方面可以提高对催化剂的 有效利用率，减少对其更换的频次，从而可以节约更换所需的人力物力，达到 降低企业生产成本的目的。 1 1 _ 2 问题的提出 针对催化剂活性检验分析的问题，国内外现在有很多的检验分析方法。但 是大部分方法都属于直接检验的分析方法，而这种分析方法在化工装置中使用 广东工业丈学工学硕士学位论文 是不合适的。因为直接检验就意味要着要停止生产，这对于连续生产的化工装 置来说就是要付出巨大的能源代价的。所以需要寻求一种不影响正常生产又能 对催化剂活性状态进行判断的方法才能满足化工装置的实际生产要求。 中国石油化工股份有限公司广州分公司( 以下简称广州石化) 的硫磺回收 装置( 又称为两万吨年制硫装置) 是广卅i 石化的重点生产装置，装置的主要排 放污染物是二氧化硫，每年排放二氧化硫的量为o 7 9 1 0 8 立方米。对硫磺回 收装置中的催化剂活性的控制好坏将不仅影响产品质量和回收率，而且还会影 响装置排放尾气中的s 含量。因此如何实现整个硫磺回收装置生产过程的催化 剂活性状态监控，提高生产过程操作和控制的稳定性、安全性，保证产品质量、 目标产品的回收率并节能降耗，降低生产成本，减少污染物的排放，达到提高 综合经济效益的目的成为当前研究的热点m 。因此，本课题以硫磺回收装置中的 c l a u s 反应系统的催化剂为研究对象。 经过对硫磺回收装置的调研分析发现催化剂的活性状态可以通过一些相关 的工艺参数的观测值间接判定。因此，催化剂失效判定问题属于通过可以观测 变量来推断某些不能观测的变量值的推断问题。对于这类通过可以观测变量来 推断某些不能观测的变量值的推断问题，当前国内外研究最成熟、应用最多的 就是b a y e s 估计技术，因此本文采用该技术对催化剂活性状态进行统计推断。 1 1 3 国内外的发展状况 b a y e s 估计的研究现在大部分集中在各类系统的可靠性或者机械装备的可 靠性方面。 在国夕 ，早在1 9 9 2 年i n t e r n a t i o n a ls o c i e t yf o rb a y e s i a na n a l y s i s ( i s b a ) 组织就开始成立。其主要目的就是为了促进b a y e s 估计分析方法在科学理论与 科学应用等方面的理论发展与实际应用。近期学术成果主要有：如法国的 c n r s ( 法国国家科学研究中心) 的b r u n ol e c o u t r e 致力研究在设计与监控 试验中，应用b a y e s 理论对设计试验的试验对象个数和监控试验的结束时间进 行预测。他的预测是建立在试验的先验经验和局部可监控数据的基础之上的， 因而在应用方面获得实用有效的预测效果m 。又如美国的u n i v e r s i t yo f m a s s a c h u s e t t s 的p a o l as e b a s t i a n i 和h a r v a r dm e d i c a ls c h o o l 奇勺 i a r c o 第一章绪论 r 锄o n i 在欧洲受初等教育人口优化研究上应用b a y e s 群聚理论进行分类研究， 并在2 0 0 5 年发表b a y e s i a nc l u s t e r i n gb yd y n a m i c so fe u r o p e a ns c h o o l p o p u l a t i o n ”学术论文阐述其研究成果m 。在非齐次m a r k o v 链中应用b a y e s i a n 分析方面就有t h eg e o r g ew a s h i n g t o nu n i v e r s i t y 的r e f i ks o y e ra n dm i n j e s u n g 使用分等级的b a y e s 估计方法进行深入研究。他们研究的对象模型是随时 间的变化而变化的变量。他们的学术论文“b a y e s i a na n a l y s i s o f n o n h o m o g e n e o u sm a r k o vc h a i n s ”论述了他们这方面的研究。 国外新的研究应用方面有如p a u lj m o s t e r t 、j a c o b u sj j r o u x 和 a n d r i e t t eb e k k e r 一起致力研究应用b a y e s 估计来分析基于w e i b u l l 模型的癌 症存活周期。他们提出使用b a y e s 估计进行分析会得到适合于w ei b u l l 模型所 需求的生命参数，从而可以对癌症存活周期作出趋势分析预测”1 。s t e v e nl s h e r i f f 和r o g e rw o o d a e d 等人则利用b a y e s i a n 分析土耳其的狩猎成功率的空 间估计。他们指出传统的频率估计方法虽然在大采样数据情况下能得到稳定的 无偏结果，但在小采样信号的情况下就得不到令人满意的结果。为此他们利用 分级模型技术发展的小区域估计的方法，并在实践中验证了他们的方法的有效 性”1 。 在我国国内关于可靠性研究方面的应用，在2 0 0 4 年中国工程物理研究院结 构力学研究所的王金诺和西南交通大学机械工程学院的李超提出了一种适用于 串并联混合系统的b a y e s 可靠性综合方法。他们将并联系统等效为串联单元， 从而将串并联混合系统转化为纯串联系统。并利用系统的后验分布确定各分系 统的先验分布，再通过各分系统的一阶、二阶矩综合获得系统的一阶、二阶矩， 在此基础上进行系统可靠性分析计算。他们使用实例应用系统分析说明了其方 法的有效性和实用性m 1 。又如太原理工大学信息工程学院的武晓嘉，杨盘洪把基 于b a y e s 估计的多传感器数据融合方法同农业专家系统相结合，针对农业环境 和资源监测的具体实际，构造了基本概率分配函数，获得了精确的测量结果一，。 在装备方面就有西北工业大学的李秀春，师义民等人，利用经验b a y e s 方法和 极大似然法研究具有冷贮备部件串联系统可靠性指标的近似置信限“。又如。吉 林大学数学学院洪乐研究了电视机失效率鉴定试验的一种b a y e s 方法。这种方 法综合了电视机研制过程中的先验信息，在确保电视机质量的前提下，与传统 广东工业大学工学硕士学位论文 的鉴定检验方案相比，会大大节省检验时间m ，。 国内除了在上述的可靠性研究方面的应用，在其它方面的研究都有一定新 发展。如北京理工大学爆炸灾害预防、控制国家重点实验室的张天飞，蔡瑞娇， 董海平，温玉全利用弹射弹单元试验数据和全弹鉴定试验数据，应用多层b a y e s 可靠性评估方法对某弹射弹的可靠性进行了估计，评估结果为该弹射弹的可靠 性达到了0 9 9 6 。其结果表明，他们采用的方法是有效的，比g j b 3 7 6 中规定的 计数法要极大地降低全弹试验量“”。又如在2 0 0 5 年湖南工程学院的朱志勇在其 发表的“基于b a y e s 法则和b p 神经网络的高速动态情形下车型识别”学术论文 中针对在高速动态情形下的车型识别问题，采用共轭梯法修正b p 网络b a y e s 法 则对大量样本去除“噪声”，使特征样本向量更有代表性，理论与实际证明， 他这样做得到b p 网具有强容错能力，能识别没有看过的汽车样本，从而提高了 车型识别精度n ”。 1 1 4 解决思路 由国内外的研究情况可见，b a y e s 估计方法在化工的应用并不多见，而采 用b a y e s 估计方法对催化剂活性状态进行间接统计推断更是一种创新的应用尝 试。它与传统的采用直接检验的方法相比有以下的特点： l 、对催化剂的活性状态检验无须停止生产，具有不干扰生产的特点； 2 、能更准确地控制催化剂的更换周期、降低催化剂更换率，具有降低生产 成本的特点： 3 、能对催化剂活性状态更有效判定，减少因催化剂提前老化而又未能及时 更换所造成的大气污染。 因此，本文针对催化剂活性状态的监测问题，提出一种基于b a y e s 估计的 催化剂状态判定的间接统计推断方法。 经进一步的调查发现，化工装置对催化剂活性状态的控制是以到达“事前 控制”为目标的。而基于本装置观测值的b a y e s 估计只能在催化剂发生失效后 才能得出结果，因而以本装置观测值作为输入的b a y e s 估计只能属于“事后控 制”，并不能满足广州石化的化工装置的实际要求。因此，本课题对单一的b a y e s 估计方法进行了改进，结合预测技术以满足实际需求。 4 第一章绪论 基本解决思路是：首先，以与催化剂失效有关联的关键监测点作为预测对 象，在硫磺回收装置的上游装置寻找预测对象的工艺影响参数，然后利用这些 参数和预测对象的历史数据来进行模型拟合，这样就可以利用提前一个生产节 拍的工艺影响参数的观测值对预测对象进行预测，进而得到它的预测值及其发 生概率。然后，再把计算所得的预测值及其发生概率作为b a y e s 估计模型的输 入值，从而得出催化剂失效状态趋势判定。解决思路说明图如图卜1 所示： 图l - l 解决思路说明图 f i g 1 - 1t h ee x p l a i ng r 印ho f s o l u t i o nt h o u g h t 、v a y 1 2 本课题研究意义及可行性分析 1 2 1 课题研究意义 由于长期沉重的生产任务，导致化工装置长期处于高负荷状态。当负荷量 长期过大时催化剂就会提前出现失效，仍然按照定期进行催化剂的更换必然造 成催化反应不完全。如果不能及时地、正确地识别催化剂有效与否，不仅引起 本级的催化反应不完全反应，而且会产生恶性链锁反应，轻则导致化工产品质 量下降，重则引起生产中断，严重的甚至造成灾难性的后果。随着计算机及网 络技术的广泛应用，基于各种传感器技术及信息处理技术的发展，通过网络对 广东工业大学工学硕士学位论文 装置的运行状态参数进行远程监测成为了可能m ，。 基于i n t e r n e t 的装置状态监测，在此基础上对催化剂失效判定进行b a y e s 估计更具优越性，其意义和作用更为显而易见： 1 信息集中性。通过远程监测，便于对分散的装置的运行状态进行统一监 视，有利于集中各种信息，从而方便参考参数获取。 2 预测准确及时性。通过远程监测，能及时获取上一级生产节拍的装置运 行的状态参数，这样能使对本级的预测建立在上一级生产参数基础上，不仅大 大提高预测的准确性，更能提前一个生产节拍得出其趋势预测。 3 判定的灵活性。通过i n t e r n e t 进行网络远程自动判定，方便异地工作。 无论何时何地都可以监视到装置运行的情况并能获得基于装置运行状态参数而 作出准确及时的估计，即使远在他方的专家，也能通过网络给现场提供及时的 指导。 4 协作判定性。利用i n t e r 兀e t ，可以邀请到更多专家进行多方的催化剂 有效与否判定，在一定程度上弥补了企业内部人力资源不足的情况，拓展了催 化剂失效判定经验积累。 5 数据利用的高效性。充分收集装置生产过程中的各种监测参数进行案例 参数的沉积，这样既可以为日后进行模型修改提供真实可靠的参考参数，同时 也可以充分利用监测数据，避免监测数据的浪费。 可见，通过i n t e r n e t 进行远程监测和在此基础上对催化剂失效判定进行 b a y e s 估计具有明显的经济效益。 1 2 2 可行性分析 随着计算机及网络技术的广泛应用，基于各种传感器技术及信息处理技术 的发展，以及国内各炼油厂开始相继采用集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r 0 1 s y s t e m ，简称d c s ) ，通过网络对装置的运行状态参数进行远程监测成为了可能。 d c s 的应用极大地增强了系统的控制能力，同时为上层管理提供大量的基础监 测数据。在大量基础数据支持的基础上，再利用厂内局域网和i n t e r n e t 技术， 使得基于b a y e s 估计的催化剂失效判定方法能够建立在对大量准确及时的参考 数据分析基础上，并为日后形成案例学习机制提供丰富的案例数据，使得进一 6 第一章绪论 步修正模型参考参数成为可能。 本文认为本课题是可行的，原因归结为以下几点： ( 1 ) 、本课题具有重大实用意义。研究对象硫磺回收装置是广州石化的重点 生产装置，氧化还原反应又是该装置的重点受控生产流程，对催化剂监控更成 为重中之重，因此通过本课题研究能为其提供一种对催化剂失效与否的趋势判 定方法对其意义十分重大。 ( 2 ) 、本课题具有通用性。虽然研究对象是硫磺回收装置的c l a u s 反应系统 的催化剂，但是它的研究方法可以应用于与其结构相似的监控点或者监控对象。 ( 3 ) 、本课题具有现实硬件支持。据统计，至1 9 9 8 年中国石化集团公司所 属企业已有3 3 7 套d c s 系统投入使用，这为本课题提供了大量的基础监测数据。 本课题只需通过调用生产装置的数据接口就可以获得相应的实时数据与历史数 据，这样大大降低了本课题的资金设备投入。 ( 4 ) 、本课题具有专家技术支持。在本课题开始前，广州石化已经开始了污 染源智能诊断专家系统的开发项目。本课题作为它的纵向研究项目，所以得到 大量的专家分析结论与专家经验，并且得到广州石化c l a u s 反应系统专家的技 术支持。 ( 5 ) 、本课题具有理论技术支持。虽然催化剂失效判定方面的研究现在还比 较少，但是参考比较其它研究方面的研究方法发现本课题的研究对象的特点、 结构以及可控条件都符合应用b a y e s 估计。 1 3 课题研究内容 1 3 1 课题来源 本项目受2 0 0 4 年广州市制造业信息化工程示范项目：广州石化安全、环境 与职业健康综合集成管理系统的研究与开发资助。( 项目编号：2 0 0 4 2 3 d 1 2 1 1 ) 项目的研究目标：针对我国流程企业环境污染的共性问题，参考中石化广 州分公司的实际需求，分析了流程行业在实时数据传输和信息系统集成中存在 的共性问题，结合当前现场测控网络技术、计算机技术、信息处理技术等的最 新成果而开发一套包括在线环境监测仪表、计算机网络及软硬件于一体的系统， 广东工业大学工学硕士学位论文 以实现在网络环境下对监控参数进行趋势预测与判定。本项目研究监控参数趋 势预测与判定，首先以中石化广州分公司为例实现对石油化工装置的催化剂判 定。一方面直接提高相关行业的环境监测和管理能力；另一方面对困扰流程企 业实现现场控制系统与管网之间的信息集成的问题解决有重要的参考价值；同 时，本项目的有关理论研究成果和软件技术成果还将为冶炼、钢铁、及其它制 造企业生产过程监测参数控制提供有益的借鉴和参考。 1 3 2 课题研究内容 本文主要完成以下几个方面的工作： ( 1 ) 对硫磺回收装置的工艺流程以及装置的污染源机理进行了深入的研究 与分析； ( 2 ) 对污染源智能诊断专家系统所总结的专家技术以及专家经验进行了学 习与研究； ( 3 ) 对b a y e s 估计的相关原理与实践应用的深入学习与研究： ( 4 ) 对多元参数影响下的监测参数的相关分析和趋势预报的相关原理与应 用实例深入学习与研究； ( 5 ) 对系统自学习机制的设计以及数据挖掘方法深入学习与研究： 通过系统的运行实例介绍系统的运行过程及验证了有关功能； 总结全文工作，并对以后进一步的研究工作进行了展望。 1 4 论文的结构和技术路线 论文以广州石化硫磺回收装置为例，全面论述基于b a y e s 估计的催化剂失 效判定的设计方法和开发过程，论文的结构与技术路线如图卜2 所示： 第一章绪论 1 5 本章小结 图1 2 论文的结构及技术路线 f 培1 2 c o n n g u m t i o na 1 1 d t e c h n i c a lr o u t eo f p a p e r 本章首先介绍了本课题的研究背景与问题的提出，然后介绍了国内外研 究现状及动态和提出了本课题的解决思路，最后介绍了本课题的来源及主要研 究内容和论文结构及技术路线。 广东工业大学工学硕士学位论文 第二章硫磺回收装置工艺流程及监测参数关联分析 本章，先对硫磺回收装置的工艺流程进行分析，总结硫磺回收装置的生产 特点和装置结构，接着，在基于装置的工艺流程分析的基础上，进一步说明c l a u s 反应系统中的氧化还原反应的催化剂的作用以及与其相关的监测参数。主要是 概括硫磺回收装置的c l a u s 反应系统中的氧化还原反应的催化剂的作用，整理 其氧化还原反应中各参数指标的关联，并总结出与催化剂相关联的监测参数以 及其相关等级。这些内容是基于b a y e s 估计的催化剂失效判定的主要专家知识 及经验。 2 1 硫磺回收装置工艺流程分析 广州石化硫磺回收装置是上游生产装置( 主要是溶剂再生装置与污水汽提 装置) 的配套环保装置，是处理上游装置排放的酸性气，使之达到环保要求， 减少对环境的污染，以社会效益为主要目的r t ”“。装置的主要功能是将上游装 置送来的酸性气中的气态硫转化成固态硫，将硫磺回收，加以利用，同时将硫 磺回收过程中产生的废气进行处理，处理后的达标废气通过烟囱排向大气。因 此硫磺回收装置按照功能可以划分成前后两部分，前一部分是硫磺回收部分， 后一部分是尾气处理部分n 。硫磺回收装置是机、电、液、气、仪一体化的大型 复杂系统，装置由多种设备组成，管线复杂，其中有主体设备3 3 套( 见附录1 ) ， 各种调节阀3 7 个，各种温度、压力、液位、流量以及相关环境监测点( 监测仪 表) 1 5 0 多个( 见附录2 ) 。装置的工艺流程简图如图2 一l 所示，其工艺流程分 析如下。 t 0 第二章硫磺回收装置工艺流程及监测参数关联分析 图2 1 硫磺回收装置工艺流程简图 f 远2 - lc r a f tn o wc h a r to fs u l p h u rr e c o v o d e v i c e 2 1 1 硫磺回收部分 自装置外来的酸性气经酸性气分液罐( v 3 5 0 1 ) 分液后，用蒸汽加热至1 6 0 ，酸性气与鼓风机送来的风混合后在主燃烧炉( f 3 5 0 1 ) 中进行反应，按烃 氨类完全燃烧和1 3 硫化氢生成二氧化硫控制风量。燃烧后高温过程气经废热 锅炉( e 3 5 0 1 ) 冷却至3 1 1 ，再经一级冷凝冷却器( e 3 5 0 2 a ) 冷却至1 7 4 ， 捕集分离液硫后，过程气与主燃烧炉( f 3 5 0 1 ) 的高温气流掺合至2 4 0 ，进入 一级反应器( r 3 5 0 1 ) ，在催化剂的作用下，发生克劳斯反应，过程气温度升至 2 9 3 ，经二级冷凝冷却器( e 3 5 0 2 b ) 冷却至1 6 9 ，捕集分离液硫后，过程 气再与炉内高温气流掺合至2 0 5 ，进入二级反应器( r 3 5 0 2 ) ，过程气温度升 至2 2 5 ，经三级冷凝冷却器( e 3 5 0 2 c ) 冷却至1 5 8 ，再经捕集器( v 3 5 0 4 ) 分离出液硫后至尾气处理部分。 自一、二、三级冷凝冷却器( e 3 5 0 2 a 、b 、c ) ，捕集器( v 3 5 0 4 ) 捕集分离 出的液硫，分别进液硫封罐( v 3 5 0 3 a 、b 、c 、d ) ，自流至液硫储罐( v 3 5 0 5 ) 的第一段，用液硫脱气泵( p 3 5 0 2 a 、b ) 循环脱气，同时可在池内注氨，以达 到加速脱气的目的。一段脱气后的液硫经槽内溢流板至槽的二段进一步循环脱 奎三些奎兰；三兰堡圭兰堡篁圣 气，二段脱气后的液硫经液硫泵( p 3 5 0 1 a 、b ) 送出装置，至工厂现有硫磺回 收装置成型或液硫出厂设施。 硫磺回收部分的工艺流程示意图如图2 2 所示。 酸 图2 2 硫磺同收部分的工艺流程示意图 f i g 2 - 2c m r n o ws k e t c hm 印o f s u l p h u rr e c o v e r yp 耐 2 1 2 尾气处理部分 c o t 部分 自硫磺回收部分来的尾气，进入s c o t 炉混合室( m 2 0 1 ) ，该炉分前后两段。 前段为还原气发生段，燃料气和空气进行比例调节后入炉的前段，使其发生次 化学当量反应，生成氢气和一氧化碳，此时前段炉温度在1 7 0 0 1 7 2 0 ，炉 后段为混合段，还原气与硫磺尾气( 1 5 8 ) 混合，混合后尾气温度为2 8 0 ， 进入s c o t 反应器( r 2 0 1 ) 。在催化剂的作用下，过程气中的单体硫及二氧化硫 被还原成硫化氢，二氧化碳及硫氧碳被水解生成硫化氢和二氧化碳；加氢反应 为放热反应，加氢后气体温度为3 2 5 ，进入急冷塔( c 2 叭) 的下部，用急冷 水降温。急冷水自急冷塔底部流出，温度约7 3 ，经急冷水泵( p 2 0 1 s ) 加压 后，进入急冷水冷却器( e 2 0 1 a 、b ) 冷却至4 0 入塔顶，少部分急冷水经急 冷水过滤器( x 2 0 1 a 、b ) 过滤后返回p 2 0 l s 入口。因尾气冷却后温度较低， 尾气中的水蒸气被急冷水冷凝，过剩的急冷水由急冷水泵送至酸性水汽提装置。 为了防止酸性水对设备的腐蚀，需向急冷水中注氨，操作中根据p h 值大小确定 注入的氨量n ”n “。 降温后的尾气进入s c o t 吸收塔( c 2 0 2 ) 下部，与塔上部进入的3 0 甲基 乙二醇胺溶液逆流接触，吸收尾气中的硫化氢及部分二氧化碳，从塔顶出来的 第二章硫磺回收装置工艺流程及监测参数关联分析 净化尾气中的硫化氢含量为4 0 0 p p m ( 体) ，进入焚烧炉燃烧器( f 2 0 2 ) ，用焚烧 炉空气鼓风机( k 2 叭s ) 供给焚烧所需的空气，由燃料气的流量控制炉膛温度 为7 5 0 ，使尾气中残留的硫化氢及其它硫化物几乎完全转化为二氧化硫。焚 烧后的尾气经焚烧炉废热锅炉( e 2 0 2 ) 冷却至3 5 0 ，经8 0 米高烟囱排放。烟 囱中的压力较低，以保证系统在低压下运行。 自尾气吸收塔排出的半贫液，经半贫液泵( p 2 0 2 s ) 送至脱硫( 二) 装置 的减粘焦化干气吸收塔( t 1 0 1 ) 及重催干气吸收塔( t 1 0 2 ) 的中部，吸收了硫 化氢的富液经再生后，经泵( p 1 0 3 a ，b ) 送至s c o t 吸收塔循环使用。 自燃烧炉废热锅炉产生的l - 0 5 m p a 蒸汽，少部分作为酸性气预热器及空气 预热器热源，其余经调节阀减压后送至工厂1 o m p a 蒸汽管网。 当硫磺回收部分事故状态时，酸性气经专线送火炬焚烧；当尾气处理部分 事故时，硫磺尾气管线可通过跨线，直接进入焚烧炉后进入烟囱n “n “。 尾气处理部分的工艺流程示意图如图2 3 所示。 图2 3 尾气处理部分的r ：艺流程示意图 f i g 2 3c r a f tn o ws k e t c hm a po f e x h a u s tg a sd i s p o s i n gp a n 2 1 3 工艺流程相关说明 1 酸性气组成 酸性气主要为以下物质：h ：s ，c o ：，h ：，n h ，烃等。这些酸性气主要来 自污水气提和溶剂再生( 脱硫) 。酸性气组成情况如下： 广东丁业大学工学硕士学位论文 组成h 。sc 0 7 范围v 6 5 8 01 7 2 7 设计值v 7 02 2 5 2 工艺原理 h cn h 3 1 2 l 2 21 5 1 ) 热反应部分的主要反应式为： 1 3 h 。s 十1 2 晚一1 3 s o 。+ h 。o + q( 2 1 ) 2 3 h 。s + 1 3 s o 。- l x s 。十2 3 h ：0 +q( 2 2 ) 热反应在主燃烧炉( f 一3 5 0 1 ) 中进行，热反应温度1 2 0 0 1 2 5 0 时硫转化 率为6 0 7 0 ，当酸气含有c 0 2 、n h 。、烃等杂质，会发生副反应m m ”。 2 ) 催化反应部分主要反应式： 2 h 。s + s 0 2 = 3 x s 。+ 2 h 。0 + q( 2 3 ) 催化反应在c l a u s 反应器( r 3 5 0 l 和r 3 5 0 2 ) 中进行，催化反应是在催化剂 ( 人工合成氧化铝型硫磺催化剂l s 一8 1 1 ) 作用下发生的反应，催化反应又叫做 c l a u s 反应n 。 3 ) 加氢还原反应主要反应式： s 0 2 + 3 h 2 + h 2 s + 2 h 2 0 + q( 2 4 ) s + h 。一h 。s + q( 2 5 ) c o s + h 。o c 0 。+ h 。s + q( 2 6 ) c s z + 2 h z o 。+ c 0 t 十2 h 。s + q( 2 7 ) 加氢还原反应在加氢还原器( r - 2 0 1 ) 中进行，加氢还原反应又叫做s c o t 反应呻”圳。 2 2 装置主要监测变量与控制分析 1 酸性气燃烧炉( 主燃烧炉f 3 5 0 1 ) 的温度 根据制硫反应的特点，酸性气燃烧炉温度必须控制在一定的温度范围。本 装置酸性气燃烧炉工艺设计温度1 4 0 0 ，工艺指标规定为1 0 0 0 1 3 0 0 ，实际 生产中，炉膛温度随原料气的流量、硫化氢的浓度和配风的多少而变化，生产 过程中注意如下几点： ( 1 ) 正常生产中按制硫反应的需要配风，炉膛温度随原料和风的变化而变 1 4 5 4 3 oh 第二章硫磺回收装置工艺流程及监测参数关联分析 化。 ( 2 ) 在正常配风的情况下，炉膛温度若接近1 2 5 0 ，必须严防超温。 ( 3 ) 在原料气流量或硫化氢浓度较低时，装置处于低负荷运转，由于反应 热少，应注意系统各点温度，但同时注意配风不得过量，防止过程气中含氧量 过大。 2 风气比 酸性气燃烧炉内空气与原料气量的体积比，简称为风气比。适当的风气比 是提高转化率的重要因素，理论配风可按公式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 计算求得，但 实际配风一般可按下列参数调节： ( 1 ) 随原料气的变化而变化，来量大配风大；反之，则配风小，在平稳操 作时可启动比值控制仪表和在线分析仪表自动控制风气比。 ( 2 ) 随原料气中硫化氢浓度而变化，浓度高配风大。 ( 3 ) 随原料气中含烃而变化，含烃高，则配风大。 ( 4 ) 视炉温高低而定，在相同的原料气流量和不同浓度下，配风大温度高； 在硫化氢浓度小于2 0 时，则应适当加大配风，以维持一定的炉温。 ( 5 ) 过程气取热器出口的气体分析氧含量小于2 ，否则配风过大，尤其是 在开工升温过程中必须注意这个问题。 ( 6 ) v 3 5 0 4 出口过程气组成的分析，理论上要求：( h 。s + c o s ) 含量与s o 。含 量的比值为2 。即： ( h ：s + c o s ) s 0 。= 2 ( 2 8 ) 若此比值大于2 时为配风不足：小于2 时则配风过大；当比值为2 时，硫 的转化率最高。比值偏离2 时，转化率显著下降。 3 c l a u s 转化器( r 3 5 0 1 a 和r 3 5 0 1 b ) 温度 转化器的温度指示依据催化剂的使用温度而制定，人工合成氧化铝型硫磺 催化剂一l s 一8 1 1 在2 4 0 一2 8 0 条件下活性最佳，在实际生产中必须考虑系统热 量平衡和硫的露点温度，转化器入口的过程气温度控制在高于硫的露点温度3 0 左右为合适，另外，由于在转化器内进行的化学反应主要是放热反应，而且 二转的硫化氢浓度比一转低，故控制二转入口稍低于一转，对放热反应更为有 利。 广东工业大学工学硕士学位论文 转化器在正常状态下应该是床层温度高于入口温度3 0 一5 0 ，按设计温 度为：一转入口1 7 0 一2 2 0 ，出口2 8 0 一3 5 0 ；二转入口2 0 0 一2 3 0 ，出 口2 4 0 一2 6 0 ；并要求通过调节转化器的入口温度来控制床层温度，其指标 为：一转床层2 8 0 一3 2 0 ；二转床层温度2 4 0 一2 6 0 。 在原料气浓度低，处理量小的情况下，相应降低一，二转床层温度也是必 要的，即保证e 3 5 0 1 与两转化器之间的热量平衡，避免堵塞，又可得到较高的 转化率，转化器的温度用高温掺合阀调节，其开度大小，又只与入口温度有关， 而且改变入口气流的组成，影响床层反应和转化率，所以，在正常操作中，不 能调节过度。 4 冷凝冷却器( e 3 5 0 2 a b c ) 的温度 控制冷却器的温度主要目的是尽可能将气相中的硫转变为液态，减少硫的 蒸汽压，三级冷却器出口温度要求控制在1 5 8 一1 7 4 ，在低处理量或低浓度 时，e 3 5 0 2 a 容易被某种盐类和碳黑等沉积物堵塞，尤其是在温度低于1 5 0 时， 这种可能性更大，因此，在这种情况下，控制各冷却器一定的出口温度特别重 要。 e 3 5 0 2 a b c 的温度主要由过程气入口温度、流量和调节冷却水位的高低 而定，并控制一定汽包压力，e 3 5 0 2 a b c 的蒸汽压力控制0 3 m p a 。 5 s c o t 转化器( r 2 0 1 ) 温度 s c o t 转化器入口温度是由温度控制器t i c 一2 0 0 5 控制的。t i c 一2 0 0 5 作用于 s c o t 烧嘴燃气供应线中的燃料气控制阀。 在正常操作期间，转化器入口温度设在2 2 0 一2 6 5 。 应避免向烧嘴供应过剩空气，因为过剩空气会与还原气中的氢起反应，使 反应器温升得过高。反过来，空气太多会使碳沉积在催化剂上。 6 急冷塔( c 2 0 1 ) 操作参数与调节 流经急冷塔c 一2 0 1 的冷却水循环是由急冷塔底泵p 一2 0 l s 来维持的。水 在换热器e 一2 0 1 a b 中被冷却。冷却水循环量由流量控制器f i c 一2 0 1 1 控制。 在急冷水冷却器上游，一部分冷却水被抽回而流经过滤器x 一2 0 1 。一部分经过 滤的水被排到酸性水汽提器，其余的水返回泵p 一2 0 l s 的入口。水的排出量与 急冷塔中的冷凝水相当，由急冷塔底部的液位控制器l i c 一2 0 0 5 控制。塔底液 第二章硫磺回收装置工艺流程及监测参数关联分析 位控制器作用于酸性水排出管线中的控制阀。 流经过滤器x 一2 0 l 的水量是用f i 一2 0 1 3 手动调节的，f i 一2 0 1 3 的读数应为 循环水量的1 0 ，循环水的质量是用p h 分析仪a i 一2 0 0 3 测定的。所需的水p h 值应大于6 ，若急冷水的p h 值小于6 应及时把n h 3 注入循环水中，或更换部分 急冷水，即可得到所需的p h 值，n h 3 的量是用f _ 2 0