Pomiar temperatury w instalacji odzyskiwania siarki

Czy można polegać na wzrokowej ocenie operatora w procesie optymalizacji spalania? Testy przeprowadzane wewnątrz zakładów pokazują, że wykorzystanie podczerwieni może przynieść poprawę dokładności oraz pomóc w podniesieniu wydajności.
Siarkowodór (H2S) jest szkodliwym, toksycznym gazem, składnikiem ropy naftowej i gazu ziemnego. We wszystkich temperaturach siarkowodór powoduje korozję stali oraz większości stopów metali wykorzystywanych w przemyśle. W procesie rafinowania ropy naftowej oraz gazu ziemnego wydzielany jest siarkowodór w postaci gazu. Musi on zostać usunięty z gotowych produktów naftowych. W tym celu wykorzystuje się proces Clausa, proces ten jest popularną i szeroko stosowaną metodą w czasie procesu rafinacji, zamieniającą bezużyteczny siarkowodór w czystą siarkę.
Proces Clausa generalnie przebiega w instalacji odzyskiwania siarki (SRU), gdzie siarkowodór przemieniany jest w siarkę w procesie termicznym i katalitycznym. Z uwagi na złożone i skomplikowane reakcje proces wymaga dokładnej regulacji temperatury, szczególnie podczas wypalania w piecu, aby zapobiec zniszczeniu wymurówki ognioodpornej. Wysoka temperatura i korozyjna natura procesu są niewątpliwie największym wyzwaniem dla aparatury pomiarowej.
Pomiar temperatury
Wyróżniamy dwie metody pomiaru i regulacji temperatury w instalacji odzyskiwania siarki. Pierwszy typowy dla urządzeń przetwarzających gaz, gdzie zakładamy, że koncentracja siarkowodoru jest niezmienna. Stały przepływ odpowiedniej ilości powietrza powoduje wypalenie jednej trzeciej siarkowodoru, czego wynikiem jest powstanie stałej odtwarzalnej temperatury i dopóki skład mieszanki pozostaje na stałym poziomie, nie ma potrzeby określać poszczególnych temperatur.
Drugi sposób wykorzystywany jest w rafineriach bądź wytwórniach gazu, które pozyskują surowce z różnych źródeł. Zadaniem operatora jest stała kontrola składu gazu zasilającego. Celem jest utrzymanie takich proporcji mieszanki, aby uniknąć zniszczenia wymurówki w wyniku wahania temperatury na skutek dostarczenia nieoczekiwanych ilości amoniaku lub węglowodorów. W tych instalacjach dokładne pomiary temperatury są niezbędne z kilku przyczyn:

  • pomagają uniknąć zniszczeń wymurówki,
  • dostarczają danych do układu sterowania spalaniem,
  • dostarczają danych o składzie mieszanki do układu regulacji.

Znaczenie tych danych najlepiej podkreśla fakt, że ciężko jest znaleźć instalację pozbawioną monitoringu temperatury.
Pomiar temperatury w piecu Clausa
Regulacja temperatury w piecu reakcyjnym w instalacji odzyskiwania siarki nabrała nowego znaczenia wraz z nadejściem technologii wzbogacania tlenem. Praca w temperaturze zbliżonej do temperatury granicznej pieca wymaga nie tylko dokładnych pomiarów, ale też jak najszybszych ostrzeżeń o nadmiernej temperaturze gazu.
Wyróżniamy kilka metod określania temperatury w instalacji odzyskiwania siarki. Do najczęściej stosowanych należą: metoda „na oko”, termopary oraz termometry na podczerwień.
Metoda wzrokowa „na oko” jest najpowszechniej stosowana. Dokonuje jej doświadczony operator poprzez punkt do obserwacji, gdzie określa kolor procesu spalania. Zaskakujące jest to, że niektórzy operatorzy potrafią ocenić temperaturę z dokładnością do 500C. W przypadku, gdy w zakładzie brakuje doświadczonego pracownika, kolor/temperaturę ocenia się, wykorzystując kolorowe kartki. Szacuje się, że dokładność tej metody wynosi 1000C do 2000C. Podczas gdy można się spierać o dokładność i wiarygodność tej metody w korzystnych warunkach, korzystanie z odpowiednich urządzeń pomiarowych jest dużo bardziej efektywne. Poleganie na operatorze wyklucza również możliwość stworzenia systemu automatycznej regulacji.
Jeżeli chodzi o oprzyrządowanie wykorzystywane w instalacji odzyskiwania siarki, termopary i termometry na podczerwień (IR-Ts) są prawdopodobnie najszerzej stosowanymi sposobami. Każde z nich ma swoje wady i zalety, a ich użycie często zależy od preferencji operatora.
W przypadku gdy dysponujemy określonymi poziomami temperatur, termopary są praktycznie jedynym wyborem spośród tradycyjnych czujników. Niemniej jednak kwasowość środowiska w piecu Clausa jest bardzo szkodliwa dla każdego rodzaju czujnika temperatury. Wysoko korozyjny siarkowodór w temperaturze 13150C (24000F) w połączeniu z wibracjami powstającymi w efekcie spalania oraz dużymi amplitudami temperatury może znacząco skrócić żywotność termopary. W związku z tym, w celu poprawy niezawodności i wiarygodności pomiaru, zazwyczaj stosowane są liczne dmuchawy i osłony. Niestety takie zabezpieczenia utrudniają odczyt faktycznej temperatury gazu przez czujniki. Z drugiej strony dobrze wypozycjonowane termopary osadzone w materiale ognioodpornym dostarczają dokładnych pomiarów temperatury spalania w każdym jego punkcie i mogą być wykorzystane jako część systemu jego wygaszania.
Termometry na podczerwień mogą być montowane w pewnej odległości od procesu spalania i dokonywać pomiaru przez punkt obserwacyjny instalacji odzyskiwania siarki, co rozwiązuje problem kwasowego środowiska pracy. Podobnie do termopar termometry na podczerwień potrafią mierzyć temperatury elementów wewnętrznych, więc również mogą być stosowane jako część systemu wygaszania pieca. Główną przewagą pomiaru temperatury gazu termometrem na podczerwień w stosunku do termopar jest możliwość dokonania go z zewnątrz. Z uwagi na fakt, że temperatury gazu prowadzą do powstawania ekstremalnych warunków podczas procesu Clausa, termometry na podczerwień pozwalają operatorowi wykryć powstanie niebezpieczeństwa dużo wcześniej. Niektóre z tych urządzeń są zdolne do dokonywania jedynie pomiarów jednego rodzaju, więc do odczytu temperatury gazu i elementów ognioodpornych wymagane mogą być osobne termometry. Niemniej jednak dla kompletnej kontroli systemu niezbędne jest dokonywanie równoległych pomiarów tych parametrów.
Pomiary temperatury gazu i materiałów ognioodpornych
Wykonanie równoczesnego pomiaru temperatury gazu i elementów ognioodpornych pojedynczym termometrem na podczerwień jest istotnym zagadnieniem z punktu widzenia instalacji odzyskiwania siarki, a także inżyniera zajmującego się tym procesem. Eliminacja potrzeby instalowania osobnych systemów pomiarowych gazu i elementów ognioodpornych była uważana za naturalną potrzebę w ewolucji systemów na podczerwień. Pojedynczy termometr na podczerwień potrafi rozróżnić pomiar temperatury gazu i powierzchni materiału ognioodpornego, używając fal o różnych długościach. Urządzenie jest w stanie zmierzyć temperaturę wszystkiego, co znajduje się w obrębie jego działania, także punkty w piecu, których zmierzenie termoparą byłoby niepraktyczne.
Największy wytwórca i dostawca gazów przemysłowych w Wielkiej Brytanii, firma BOC wyraziła zgodę na przeprowadzenie serii testów na rzeczywistej instalacji odzyskiwania siarki w celu określenia wzajemnej wiarygodności pomiarów termometrami na podczerwień w porównaniu do termopar w osłonach i osadzonych w materiale ognioodpornym.
W trakcie badań na obiekcie firma LumaSense Technologies oceniła przydatność termometrów na podczerwień, używając sześciu wyspecyfikowanych długości fal zarówno na obiektach absorpcyjnych, jak i rozpraszających, dokonując zmian pełnej gamy parametrów. Wyniki testów w ściśle kontrolowanych warunkach wykazały, że najwyższą temperaturę gazu można uzyskać w zależności od zmieniających się ilości amoniaku oraz procentu dodawanego tlenu. Wyniki również ujawniły, że umieszczenie termopar ma zasadnicze znaczenie dla odczytu pomiaru. Dla przykładu, termopara, którą ukryto zaledwie 5 mm pod powierzchnią elementu ognioodpornego, dokonywała pomiaru o 1400C niższego niż termometr na podczerwień mierzący tę samą powierzchnię. To pokazuje, jak poszczególne elementy pieca mogą wpływać na pracę termopary i jak z tymi problemami radzi sobie termometr na podczerwień.
Ze względu na bardzo trudne warunki panujące w instalacji odzyskiwania siarki każda informacja zebrana dodatkowo poza tym procesem stanowi wyraźną korzyść. Umiejętność jednoczesnego pomiaru zarówno temperatury gazu, jak i materiałów ognioodpornych, bez kontaktu z gorącem i gazami korozyjnymi, sprawia że termometry na podczerwień są bardziej precyzyjne, niezawodne i wiarygodne niż konwencjonalne czujniki. Dodatkowo zapewniają one dużo większy zakres pomiarowy, są łatwo wymienialne i dają możliwość szybszego informowania operatora o wszelkich nieprawidłowościach, co z kolei skraca czas reakcji na dane zdarzenie.
Dla operatorów instalacji odzyskiwania siarki główną zaletą ciągłych pomiarów gazu w czasie rzeczywistym jest możliwość zapewnienia wczesnego ostrzegania przed potencjalnymi niebezpiecznymi temperaturami powstającymi w piecu. Szybki czas powiadomienia o zdarzeniu jest kluczowy w momencie, gdy uszkodzenie elementu ognioodpornego powoduje nagły wzrost temperatury. Dla przykładu, alarm spowodowany nagłym wzrostem temperatury gazu, wywołany nieoczekiwanym spadkiem ilości węglowodoru, uruchamia sięw 20 milisekund, ostrzegając operatora o zagrożeniu. Równoległe wyjścia urządzenia do pomiaru temperatury elementów ognioodpornych mają sygnały alarmowe, które mogą być wykorzystane dla procedur wyłączania pieca w momencie przegrzania.
Z punktu widzenia inżyniera instalatora główną zaletą jest to, że jedynie jeden port jest wymagany do obsługi urządzenia do pomiaru zarówno temperatury gazu, jak i elementów ognioodpornych. Jest to niewątpliwie znaczną oszczędnością w stosunku do jednotorowego pomiaru termoparą. Projekt systemu kompatybilnego z istniejącym już rozwiązaniem sprzętowym pozwala zmniejszyć koszty i znacząco go zmodernizować.
Podsumowując, jeżeli chodzi o oprzyrządowanie w instalacji odzyskiwania siarki, termometry na podczerwień wyróżniają się na polu niezawodności, efektywności i łatwości użycia. Dodatkowo pozwalają na szybsze informowanie operatora o niebezpiecznych zdarzeniach występujących podczas procesu. Z dokładnością wymaganą i niezbędną w procesie Clausa możliwość do jednoczesnego pomiaru temperatury gazu i materiałów ognioodpornych jest najistotniejsza, szczególnie w procesie wzbogacania tlenem. Rozważając zakup urządzenia do pracy w kwaśnym środowisku, jakim jest proces odzyskiwania siarki, termometry na podczerwień wydają się być warte rozważenia.
CE