陳東

（中石油東北煉化工程有限公司吉林設計院，吉林吉林132002）

在某廠濃硝酸裝置氨氧化爐改造中，對原有氨氧化爐控制系統(tǒng)進行兩次改造，實現(xiàn)了對進入氨氧化爐的氨氣和空氣配比的平穩(wěn)控制，使裝置滿足對一氧化氮生產的需要。

1 工藝簡述

該裝置采用直硝法生產濃硝酸，主要原料為氨氣。氨氣與空氣經(jīng)過濾，在鉑催化劑作用下反應生成一氧化氮和水，同時放出大量熱量，氧化爐內溫度為800～830℃。一氧化氮再經(jīng)過初步氧化、重氧化吸收后生成濃硝酸。其中，氨氧化爐的氨氣及空氣的配比比例關系到反應能否正常進行，而且氨和空氣比例超過一定極限將會引起爆炸，因而該裝置中的重點就是控制好氨氣和空氣的比例。因為一氧化氮是后續(xù)生產的原料，所有一氧化氮的生產關系到最終產品的效益，所以一氧化氮的產量和質量也是整套裝置的關鍵所在。

2 原有控制方案

原有的控制方案如圖1所示。氨氣及空氣流量通過手動閥門XV－101和XV－102控制。開車點火之前，氨氣和空氣在配比過程中同時通入氨氧化爐，通過觀測氨氣和空氣的流量，待氨空比達到規(guī)定摩爾比時，氨氧化爐開始手動點火。

圖1 原有裝置方案流程示意

原有控制方案存在以下幾個問題：

a）氨氣及空氣流量均通過手動閥門控制?？刂普{節(jié)滯后、反應慢、不精確。

b）氨氣和空氣在未配比好前就已通入氨氧化爐，待氨空比達到規(guī)定摩爾比后，氨氧化爐再開始手動點火，這樣就會有未經(jīng)氧化的氨進入系統(tǒng)，在后續(xù)生產過程中容易產生銨鹽（NH4NO3）給生產帶來安全隱患，同時導致氨耗增加以及尾氣摩爾比超標。

c）該控制方案限定了生產為間歇生產方式，極大地降低了生產效益，而且無法確保產品的質量。

3 控制方案的改造

3.1 首次改進

3.1.1 控制方案的選擇

通過對原有裝置控制方案的分析，為了控制好氨氣的氨氧率并使產量平穩(wěn)，主要是控制好氨氧化爐中氨氣和空氣的配比。氨氣流量干擾頻繁且該工藝不允許負荷有較大波動，為了使氨氣qV1和空氣qV2平穩(wěn)，qV2／qV1恒定，選擇了雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。當改變qV1，qV2會自動跟蹤變化，qV2／qV1不變?？刂品桨噶鞒倘鐖D2所示。

3.1.2 相應的優(yōu)化改造過程

在氨氣及空氣管線上增設自動調節(jié)閥FV－101和FV－102，根據(jù)氨氣及空氣管線上體積流量進行自動配比調節(jié)；氨氧化爐增加自動點火裝置，點火氣源為穩(wěn)定的氫氣源。開車點火之前，空氣先行通入氨氧化爐；氨氣管線上增加開車副線，關閉遙控切斷閥HV－101，打開遙控切斷閥HV－102，讓氨氣先在氨氣系統(tǒng)內循環(huán)；等氨氣體積流量FT－101達到預設值后，打開比值控制回路FY－101控制FV－102的開度來調節(jié)進入氨氧化爐的空氣體積流量；待氨空配比達到規(guī)定摩爾比并且氨氣及空氣體積流量都穩(wěn)定后，再打開HV－101，關閉HV－102，使氨氣通入氨氧化爐，此時啟動自動點火裝置，氨氧化爐平穩(wěn)運行。

圖2 首次改進后控制方案流程示意

改進后，經(jīng)過一段時間的運行，發(fā)現(xiàn)兩個流量閉合回路克服了各自的外界干擾，主、副流量都比較平穩(wěn)，從而實現(xiàn)了氨氣和空氣體積流量的比值恒定，使進入氨氧化爐的總負荷相對平穩(wěn)，實現(xiàn)了生產的連續(xù)運行。氨氣進入氨氧化爐后立即被氧化燃燒，在開車階段可減少系統(tǒng)內銨鹽的生成量，有效地降低系統(tǒng)中氨的消耗以及尾氣中氧化氮含量。但一氧化氮的轉化率不穩(wěn)定，頻繁出現(xiàn)波動，波動在7%～12%，相應的尾氣處理效果仍然不能滿足環(huán)境排放要求。

3.2 二次優(yōu)化改進

3.2.1 控制方案的選擇

再次對工藝進行分析后發(fā)現(xiàn)，氨氣在氧化過程中產生一氧化氮的同時釋放大量的熱，這些熱量使氨氧化爐觸媒催化層的溫度出現(xiàn)波動，從而影響氨氧化效果。影響觸媒催化層溫度的原因很多，諸如：進入氨氧化爐的氨氣、空氣初始溫度的干擾；進入氨氧化爐的氨氣、空氣的壓力變化；負荷的變化；觸媒的活性變化、大氣溫度、壓力變化等。因此，穩(wěn)定一氧化氮生產的關鍵是控制好氨氧化爐觸媒催化層的溫度，可通過調節(jié)進入氨氧化爐的氨氣和空氣體積流量的比值來實現(xiàn)。當溫度受其他干擾而發(fā)生變化時，則可通過主控制器（此處為溫度控制器）改變氨氣與空氣的比值來補償，以滿足工藝的要求。在新的控制方案中引入了雙閉環(huán)變比值控制系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 雙閉環(huán)變比值控制系統(tǒng)示意

在新的控制系統(tǒng)中qV1作為主流量，qV2作為副流量，構成比值控制回路（這與首次改造是相同的），主控制參數(shù)為氨氧化爐觸媒催化層的溫度t，與qV2／qV1構成串級控制回路。主調節(jié)器采用PID控制規(guī)律，副調節(jié)器選擇PI控制規(guī)律，調節(jié)作用為正。

3.2.2 相應的優(yōu)化效果

增加了對氨氧化爐觸媒催化層溫度的檢測，增加熱電偶溫度計TE－101。二次改造后，通過一段時間的生產運行，氨氧化爐觸媒催化層始終處于最佳工作溫度，克服了外界的干擾，一氧化氮的生成率波動很小，達到預期目的。

4 結束語

經(jīng)過前后兩次改造，使比值控制在氨氧化爐控制系統(tǒng)中得到充分利用，實現(xiàn)了較好的控制效果。尤其二次優(yōu)化改造后，生產運行平穩(wěn)，產量和質量均達到前所未有的高度。一氧化氮的產量提高，從而提高了濃硝酸的產量；同時銨鹽的生成率大幅降低，極大地減少了后期尾氣處理的難度，使尾氣排放指標達到規(guī)定水平，并且取得了較好的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益。

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