JP5121927B2 - 硫黄回収装置のための空気需要フィードバック制御システムおよび方法 - Google Patents

Description

本出願は、２００７年６月２１日に出願された本出願人らの同時係属米国仮特許出願第６０／９４５４９５号の優先権を主張するものである。

本発明の分野は、クラウスプラント硫黄回収装置のための制御システム、特に、複数の熱段階を含むクラウスプラントのための制御システムである。

通常、硫黄化合物（特に硫化水素）は、熱段階、連続的なその後の１つ以上の触媒段階を含む１つ以上のクラウスプラント硫黄回収装置を用いて廃ガスから除去され、その後、大気中に放出される。クラウスプラントを用いた硫黄回収は概念的に単純で当該技術分野において知られているが、多くの変数パラメータにより、クラウスプラントの効果的な運転は単純ではない。数ある要因の中でも、クラウスプラントへの供給流の化学組成（例えば、硫化水素、炭酸ガスおよび水の含有量および相対的比率）は、クラウスプラントの上流で用いられる設備およびプロセスのタイプにより、大きく変動し得る。したがって、クラウス反応の具体的な化学量論的要求に基づき、熱段階の酸素量の厳密な制御がクラウスプラントの効果的な運転に重要である。

単一の熱段階を有する大部分の現在知られている構成では、熱段階において必要な酸素の量の制御のため、廃ガス供給の一定の化学組成が想定される。供給ガス中の硫化水素濃度のわずかな変動を調整し、かつ熱段階制御機器における誤差を明らかにするために、熱段階の空気需要論理に対して微調整を行うため、そのようなプラントではフィードバック制御機器を設置することが一般的な方法である。通常、そのようなシステムにおけるフィードバック論理は、最終触媒段階から離れるテールガス中の硫化水素と二酸化硫黄とのモル比のガス分析を含む。次に、テールガスアナライザからの制御信号を用いて、排出物流中の所望の硫化水素／二酸化硫黄比を得るため、熱段階に供給される空気または他の酸素含有ガスの量をわずかに変更する。そのような構成の典型例が米国特許第４，１００，２６６号明細書に述べられており、酸素含有ガス中の測定酸素濃度ならびにテールガスおよび放出ガス流中の種々の成分の測定濃度に基づいて作動するコントローラを用いて酸素含有ガス流が調整される。同様に、ＲＥ０２８８６４では、酸素または酸素含有ガス流を調整するための制御信号が、（ａ）熱段階の入口における硫化水素および酸素の測定濃度と補正値ならびに（ｂ）テールガス中の成分の測定濃度から生成されるシステムについて述べている。

更に知られている構成（例えば、国際公開第２００６／００５１５５号パンフレットまたは米国特許第３，０２６，１８４号明細書）では、合成制御信号を生成し、次に、これが熱段階への酸素含有ガス流を直接調整するために用いられるように、熱段階および触媒段階の下流での測定を用いてプロセス制御がなされる。合成制御信号は、２つのプロセスポイントに基づいて酸素流の更なる微調整を可能にするが、通常、２つのプロセスポイントにおける不均衡間の差異を許容しない。

あるいは、米国特許第４，５４３，２４５号明細書に述べられているように、クラウスプラントの全体的な性能を最適化するために熱段階の温度制御が用いられ得、更に別の知られている手法では、米国特許第４，８３６，９９９号明細書に述べられているように、クラウスプラントテールガス中の硫化水素／二酸化硫黄比に応答する炭化水素を表す応答信号（硫化水素を表す応答信号ではなく）を較正することにより、熱段階への酸素供給が制御され得る。

そのような知られているテールガス制御回路は多くの状況下で良好に作動する傾向にあるが、特に、極めて大量のサワー供給を処理する必要がある比較的大型のクラウスプラントでは、様々な問題点が残存する。そのようなプラントは、並行して作動する複数の熱段階、その後の連続して作動する１つ以上の触媒段階を含む場合が多い。残念なことに、並行熱段階を有するそのような知られている構成は、テールガスアナライザ（通常、硫化水素／二酸化硫黄比を測定する）からのフィードバック制御に関する問題を提示する。例えば、１つの熱段階が過剰な空気または酸素で作動し、一方、他の熱段階（複数可）が適正量または少なすぎる空気で作動する場合、所望のテールガス比が得られない場合がある。そのようなプラントではテールガスアナライザが一般的な触媒段階の下流に配置されるため、下流のアナライザは独立して作動する熱段階間の差異に反応しにくい。そのようなものとして、アナライザのフィードバック制御信号は熱段階の１つに対して適切な処置を行うが、他の熱段階に対して不適切な処置を行い、問題を拡大する可能性がある。したがって、クラウスプラントの制御は高すぎるテールガス硫化水素／二酸化硫黄比から低すぎる硫化水素／二酸化硫黄比まで常に揺れ動き得る。

複数の並行熱段階を有するプラントと関連する問題の少なくとも一部を回避するため、米国特許第６，２８７，５３５号明細書に述べられているように、追加の熱段階への可燃性ガスの流量と、追加の熱段階からの硫黄枯渇ガス流中の硫化水素／二酸化硫黄比とを測定することにより、追加の熱段階への酸素流制御がなされるクラウスプラント構成が実施され得る。そのような構成および方法は、大きく向上した可燃性酸性ガスのスループットを有利に可能にするが、それでもいくつかの問題が残存する。繰り返すが、テールガス中の硫化水素と二酸化硫黄との所望の比率の偏差は、この偏差を生じさせたかまたは引き起こした特定の熱段階まで遡ることができない。

したがって、クラウスプラントの運転制御の多くの方法が当該技術分野において知られているが、それらのすべてまたはほとんどが１つ以上の不利点を被っている。したがって、クラウスプラントにおける制御のための改善された構成および方法を提供する必要性が依然として存在する。

本発明は、複数の並行熱段階を有するクラウスプラントの制御の構成および方法に関し、熱段階および触媒段階からの排出組成物の測定が、１つ以上の熱段階の１つ以上の運転パラメータの変更を独立して可能にする制御信号を生成するために用いられる。

本発明の主題の一態様では、クラウスプラントの運転を制御する方法は、第一および第二の熱段階排出物の化学組成をモニタリングするステップ（第一および第二の熱段階は並行して作動する）と、触媒段階排出物の化学組成をモニタリングする更なるステップ（第一および第二の熱段階排出物を受け取るため、触媒段階は第一および第二の熱段階に接続される）とを含む。更に別のステップでは、熱段階排出物および触媒段階排出物の測定から得られる結果に基づき、第一および第二の熱段階の少なくとも１つにおいて運転パラメータが独立して調整される。

最も好ましくは、熱段階排出物および／または触媒段階排出物の化学組成をモニタリングするステップは、硫化水素および／または二酸化硫黄の濃度を測定することを含み、最も典型的には、硫化水素／二酸化硫黄比の測定することを含む。測定濃度に基づき、第一および／または第二の制御信号が計算され、かつ第一および／または第二の制御信号が、第一および第二の熱段階の少なくとも１つの１つ以上の運転パラメータを調整するために用いられることが概して好ましい。加えて、第一および第二の熱段階の少なくとも１つにおける温度が測定されることが意図される。したがって、好適な運転パラメータは、第一および／または第二の熱段階への空気の流量、酸素含有ガスの流量、サワーガスの流量ならびに／あるいは第一および／または第二の熱段階における温度を含む。

したがって、異なる観点から見ると、クラウスプラント制御システムは、クラウスプラントの第一の熱段階に機能的に接続された第一の排出物アナライザと、クラウスプラントの第二の熱段階に機能的に接続された第二の排出物アナライザとを有し、第一および第二の熱段階は並行作動するように構成される。そのようなプラントでは、第一のコントローラが、第一の熱段階に機能的に接続され、第一の熱段階の第一の運転パラメータを制御するように構成され、第二のコントローラが、第二の熱段階に機能的に接続され、第二の熱段階の第二の運転パラメータを制御するように構成される。第三の排出物アナライザがクラウスプラントの触媒段階に機能的に接続され、触媒段階は第一および第二の熱段階から混合排出物を受け取るように構成される。制御装置が、第一、第二および第三の排出物アナライザに接続され、第一および第二のコントローラの第一および第二の運転パラメータの独立した調整を可能にするようにプログラムまたは構成される。

最も典型的には、第一、第二および／または第三の排出物アナライザは硫化水素／二酸化硫黄比を測定するように構成され、第一および第二の温度アナライザが第一および第二のコントローラに接続され得る。特別に意図されるプラントでは、制御装置は、それぞれ第一および第二のコントローラに第一および第二の制御信号をもたらすようにプログラムされ、これにより、第一および第二の熱段階の硫化水素／二酸化硫黄比の設定値を独立して調整する。あるいは、または更に、制御装置は、それぞれ第一および第二のコントローラに第一および第二の制御信号をもたらすようにプログラムされ、これにより、第一および第二の熱段階の運転温度を独立して調整するようにしてもよい。望ましい場合、制御装置は第一のコントローラと一体化され得る。

本発明の種々の目的、特徴、態様および利点は、添付図面とともに本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明からより明らかになる。

本発明の主題による例示的なクラウスプラント制御構成を示す略図である。

本発明人らは、各熱段階の運転が個々に制御され、所望の硫化水素／二酸化硫黄比を有する排出物をもたらすように、一連の一般的な触媒段階の上流の複数の並行熱段階を有するクラウスプラントの制御システムが実施され得ることを見出した。したがって、特別に意図される構成および方法では、ガスアナライザが各熱段階の排出口に設けられ、それぞれの段階から排出するガス流中の硫化水素／二酸化硫黄比を分析するように構成される。一般的な下流の触媒段階テールガス中の所定かつ所望の硫化水素／二酸化硫黄比に基づき、かつクラウスプラントの個々の熱段階における実際の硫化水素／二酸化硫黄比に基づき、処理装置は、上流の熱段階の各排出口に対して必要な対応する補正比を計算する。したがって、テールガスアナライザからの計算フィードバック制御信号は、熱段階の各ガスアナライザコントローラにおいて硫化水素／二酸化硫黄比の設定値を再設定する。したがって、それぞれの熱段階の各ガスアナライザコントローラは、その段階の排出物流中の所望の硫化水素／二酸化硫黄比を得るため、その熱段階に供給される空気（または他の酸素含有ガス）の量をわずかに追加または除去するために用いられる。

図１に概略的に示される本発明の主題の一例示的態様では、クラウスプラント１００は、並行作動する２つの熱段階１１０Ａおよび１１０Ｂと、上流の熱段階１１０Ａおよび１１０Ｂの混合排出物を受け取り、連続的に作動する２つの触媒段階１２０Ａおよび１２０Ｂとを含む。熱段階排出物１１２Ａおよび１１２Ｂは、それぞれのセンサ１３０Ａおよび１３０Ｂならびに関連アナライザ／コントローラ１３２Ａおよび１３２Ｂによって分析される。最も好ましくは、アナライザ／コントローラ１３２Ａおよび１３２Ｂからのアナライザ信号は、対応するセンサからの信号に応じて生成され、アナライザ／コントローラ１５２に送信される。触媒段階排出物１２２は、それぞれのセンサ１５０および対応するアナライザ／コントローラ１５２によって分析される。次に、アナライザ／コントローラ１５２は、排出物１１２Ａおよび１１２Ｂ、したがって、触媒段階排出物１２２の組成を全く単独に独立して調整するため、アナライザ／コントローラ１３２Ａおよび１３２Ｂからのアナライザ信号ならびにアナライザ／コントローラ１５２からのアナライザ信号に基づき、アナライザ／コントローラ１３２Ａおよび１３２Ｂの初期設定値を個々に再調整するようにプログラムされる。したがって、アナライザ／コントローラ１５２とアナライザ／コントローラ１３２との間に一方向または双方向の情報の流れがあり得ることが理解されるはずである。

本発明の主題の別の態様では、種々の運転パラメータの個々の制御が、図１についての上述の方法以外の方法にて実行され得ることが理解されるはずである。例えば、別個の制御装置がすべてのセンサおよび／またはアナライザから信号を受信し得、そのように送信される信号が、熱段階お（複数可）よび／または触媒段階の１つ以上の運転パラメータの測定値に対応することが意図される。次に、そのような中央制御装置はすべての熱段階および触媒段階の運転パラメータを制御するために用いられ得る。一方、望ましい場合、各アナライザ／コントローラが制御装置の少なくとも一部も含み、したがって、中央制御装置を不要にし得ることが意図される。次に、そのようなアナライザ／コントローラは、互いとの一方向、より好ましくは双方向通信を可能とするため、少なくとも２つの他のアナライザ／コントローラとの接続を可能にするように構成される。

センサおよびアナライザ／コントローラのタイプに関しては、あらゆる知られているセンサおよびアナライザ／コントローラが本明細書で用いるのに適していると見なされることが理解されるはずである。しかし、センサが排出物中の少なくとも１つの成分のリアルタイムまたは近似リアルタイム（例えば、１０分未満、より好ましくは５分未満の遅延時間）の組成情報を提供することが特に好ましい。したがって、最も典型的には、センサは光学要素（例えば、分光センサ）を、あまり好ましくない態様では（例えば、変動が比較的緩慢な場合）クロマトグラフィー要素を含む。センサが単一成分（例えば、硫化水素）または複数成分（例えば、硫化水素と二酸化硫黄）またはその代理マーカーを測定するのに適し得ることが更に理解されるはずである。一方、複数成分を測定するために用いられ得る複数のセンサも意図される。

熱段階のためのセンサは、触媒段階への混合排出物の入口点の上流に配置されることが概して好ましい。例えば、熱段階が下流の硫黄凝縮器を有する場合、センサは凝縮器の排出口またはその近傍に配置されることが意図される。一方、硫黄凝縮器が存在しない場合、通常、センサは熱段階排出口の極めて近傍に配置される。本発明の主題の更に企図される態様では、追加のセンサが熱段階混合排出物流中の少なくとも１つの成分濃度を検知するように、追加センサが配置され得ることが意図され、これは、３つ以上の熱段階排出物が混合される場合に特に有利であり得る。次に、追加センサは、化学量論的不均衡の可能性に関する更なる情報を提供するために制御装置に接続され得る。同様に、２、３またはそれ以上の触媒段階が用いられる場合、一連の触媒段階における複数のセンサが設けられ得ることが意図される。

好適なアナライザおよび／またはコントローラに関しては、空気および／または酸素供給、サワーガス供給ならびに／あるいは熱段階における温度を調整するためのあらゆる知られているアナライザおよびプロセスコントローラが本明細書で用いるのに適していることが意図される。したがって、そのようなアナライザおよび／またはコントローラは単一のデバイスに組み込まれ、または別個の要素として設けられ得る。上記に指摘されたように、コントローラは熱段階のコントローラを改変する制御装置の少なくとも一部も含み得る。

したがって、これより、クラウスプラントの適切な運転に重要である、熱段階に供給される空気または他の酸素含有ガスの量の精密制御がなされ得ることが理解されるはずである。対照的に、触媒段階の前に複数の並行熱段階が先行する場合、現在知られているテールガスフィードバック制御方式ではそのような調整をなすことができない。

したがって、硫黄回収装置のための制御システムの具体的な実施形態および適用が開示された。しかし、本明細書での本発明の概念から逸脱することなく、既に述べられたこと以外の更に多くの改変が可能であることが当業者には明らかであるはずである。したがって、本発明の主題は、本発明の開示の精神における場合を除き、限定されるべきではない。更に、本明細書および意図される特許請求の範囲を解釈する際、すべての用語は、文脈と一致する、できる限り広範な態様にて解釈されるべきである。特に、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」および「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、非排他的態様にて要素、成分またはステップを指すと解釈されるべきであり、言及された要素、成分またはステップが、明示的に言及されない他の要素、成分またはステップと存在し、または用いられ、または組み合わせられ得ることを示す。更に、参照して本明細書に組み込まれる文献中の用語の定義または使用が、本明細書で示されるその用語の定義と矛盾し、またはこれに反する場合、本明細書で示されるその用語の定義が適用され、文献中のその用語の定義は適用されない。

Claims (13)

1. クラウスプラントの運転を制御する方法であって、
   （ａ）第一および第二の熱段階が並行して作動し、第一および第二の熱段階排出物の化学組成をモニタリングするステップと、
   （ｂ）第一および第二の熱段階排出物を受け取るために第一および第二の熱段階に接続される触媒段階排出物の化学組成をモニタリングするステップと、
   （ｃ）ステップ（ａ）および（ｂ）から得られる結果に基づき、第一および第二の熱段階の少なくとも１つにおける運転パラメータを独立して調整するステップとを含む、方法。
2. ステップ（ａ）および（ｂ）の少なくとも１つにおける化学組成をモニタリングするステップが、硫化水素および二酸化硫黄の少なくとも１つの濃度を測定することを含む、請求項１に記載の方法。
3. ステップ（ａ）および（ｂ）における化学組成をモニタリングするステップが、硫化水素／二酸化硫黄比を測定することを含む、請求項１に記載の方法。
4. 第一および第二の制御信号を計算し、第一および第二の制御信号の少なくとも１つを用いて第一および第二の熱段階の少なくとも１つにおける運転パラメータをそれぞれ調整するステップを更に含む、請求項２または３に記載の方法。
5. 第一および第二の熱段階の少なくとも１つにおける温度をモニタリングするステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
6. 運転パラメータが、第一および第二の熱段階の少なくとも１つへの空気の流量、酸素含有ガスの流量、サワーガスの流量ならびに第一および第二の熱段階の少なくとも１つにおける温度からなる群より選択される、請求項１に記載の方法。
7. クラウスプラントの第一の熱段階に機能的に接続された第一の排出物アナライザと、
   クラウスプラントの第二の熱段階に機能的に接続された第二の排出物アナライザであって、第一および第二の熱段階が並行作動するように構成される、第二の排出物アナライザと、
   第一の熱段階に機能的に接続され、第一の熱段階の第一の運転パラメータを制御するように構成された第一のコントローラと、
   第二の熱段階に機能的に接続され、第二の熱段階の第二の運転パラメータを制御するように構成された第二のコントローラと、
   第一および第二の熱段階から混合排出物を受け取るように構成されたクラウスプラントの触媒段階に機能的に接続された第三の排出物アナライザと、
   第一、第二および第三の排出物アナライザに接続され、第一および第二のコントローラの第一および第二の運転パラメータの独立した調整を可能にするようにプログラムされた制御装置とを含む、クラウスプラント制御システム。
8. 第一および第二の排出物アナライザが、硫化水素／二酸化硫黄比を測定するように構成された、請求項７に記載の制御システム。
9. 第三の排出物アナライザが、硫化水素／二酸化硫黄比を測定するように構成された、請求項７に記載の制御システム。
10. 第一および第二のコントローラに接続された第一および第二の温度アナライザを更に含む、請求項７に記載の制御システム。
11. 制御装置が、それぞれ第一および第二のコントローラに第一および第二の制御信号をもたらすようにプログラムされ、これにより、第一および第二の熱段階の硫化水素／二酸化硫黄比の設定値を独立して調整する、請求項７に記載の制御システム。
12. 制御装置が、それぞれ第一および第二のコントローラに第一および第二の制御信号をもたらすようにプログラムされ、これにより、第一および第二の熱段階の運転温度を独立して調整する、請求項７に記載の制御システム。
13. 制御装置が第一のコントローラと一体化された、請求項７に記載の制御システム。

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