王晨,陳虹，薛守玲，董愛娜

(中石油華東設(shè)計(jì)院有限公司，山東 青島 266071)

制硫酸技術(shù)目前主要分為“干法制酸”及“濕法制酸”兩大類。本文介紹的工藝采用的是濕法制酸技術(shù)路線，與烷基化裝置配套使用。廢酸再生裝置的基本流程由燃燒、反應(yīng)、冷凝、濃硫酸回收及公用工程等單元組成。本文主要針對燃燒單元的燃燒控制方案、焚燒爐重要聯(lián)鎖以及順序控制進(jìn)行探討。

1 焚燒爐燃燒控制

1.1 工藝流程

烷基化裝置生產(chǎn)的廢酸經(jīng)霧化后送入焚燒爐，清潔酸性氣也送至焚燒爐，在操作溫度為1 000 ℃的高溫條件下發(fā)生裂解反應(yīng)，同時(shí)燃燒掉廢酸中的有機(jī)雜質(zhì)。燃料氣引至焚燒爐作為燃料，控制焚燒爐溫度。焚燒爐出來的高溫工藝氣經(jīng)過換熱冷卻，再經(jīng)過過濾，控制工藝氣雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.0×10-6以下。當(dāng)過濾器壓力達(dá)到設(shè)定值后，切換該過濾器，用空氣進(jìn)行反吹清理。焚燒爐的助燃空氣來自環(huán)境空氣，經(jīng)空氣預(yù)熱器加熱，預(yù)熱后的空氣分為兩路，一路作為助燃空氣輸送至焚燒爐，另一路送至二級反應(yīng)器為SO2催化轉(zhuǎn)化反應(yīng)提供氧氣。

焚燒爐內(nèi)基本化學(xué)反應(yīng)式如下：

H2S+1.5O2=SO2+H2O

(1)

COS+1.5O2=CO2+SO2

(2)

CO+0.5O2=CO2

(3)

CH4+O2=CO2+H2O

(4)

CxHy+(x+1/4y)O2=xCO2+y/2H2O

(5)

H2SO4=SO2+H2O+0.5O2

(6)

1.2 焚燒爐燃燒控制方案

焚燒爐內(nèi)空氣含量是廢酸再生裝置焚燒爐控制的核心之一。當(dāng)焚燒爐出口wO2<1%時(shí)，焚燒爐內(nèi)部烴類、酸性氣等物質(zhì)無法充分反應(yīng)，會(huì)造成尾氣超標(biāo)、再生濃硫酸濃度達(dá)不到預(yù)期等后果。焚燒爐內(nèi)wO2太高，則增加能耗。通過合理地調(diào)節(jié)廢酸、酸性氣、燃料氣及空氣的流量，可以確保爐膛內(nèi)wO2保持在3%左右，進(jìn)而保證加熱爐負(fù)荷正常。具體燃燒控制方案如圖1所示。

圖1 焚燒爐燃燒控制方案示意

圖1中，溫度控制器TIC-19的輸出值Y是用于保持焚燒爐內(nèi)部溫度的燃料氣流量期望值；空氣流量控制器FIC-43用于控制燃燒空氣流量；焚燒爐燃料氣流量控制器FIC-26用于控制燃料氣流量；HIC-26用于調(diào)節(jié)空氣/燃料氣燃燒理想配比；HIC-01用于計(jì)算燃燒1 kg廢酸所必需的空氣比例，可調(diào)節(jié)，該數(shù)值在現(xiàn)場調(diào)試時(shí)根據(jù)不同的廢酸組分進(jìn)行調(diào)整；HIC-02用于計(jì)算燃燒1 kg酸性氣所必需的空氣比例，可調(diào)節(jié)，該數(shù)值在現(xiàn)場調(diào)試時(shí)根據(jù)不同的酸性氣組分進(jìn)行調(diào)整；HIC-03用于調(diào)節(jié)預(yù)設(shè)的焚燒爐主風(fēng)所需空氣的最小量，保證進(jìn)入加熱爐的主風(fēng)空氣流量不低于該值。

流量計(jì)FT-26測得的燃料氣體積流量qV1，并進(jìn)行溫壓補(bǔ)償運(yùn)算后，再乘以預(yù)先設(shè)定的固定燃料氣密度，得到燃料氣質(zhì)量流量qm1，也可以設(shè)置在線燃料氣密度分析儀AT-02，進(jìn)行密度補(bǔ)償計(jì)算，得到燃料氣質(zhì)量流量qm1。

為保持焚燒爐內(nèi)溫度，將TIC-19的輸出值作為進(jìn)FIC-26的給定值，進(jìn)而控制進(jìn)焚燒爐燃料氣的流量控制閥FV-26。

將qm1與空氣/燃料配比k1相乘，得到燃燒燃料氣所需空氣量qm空1。通過廢酸流量qm2與空氣/廢酸比k2相乘，得到燃燒廢酸所需空氣量qm空2。通過酸性氣流量qm3與空氣/酸性氣配比k3相乘，得到燃燒酸性氣量所需空氣量qm空3。將qm空1，qm空2，qm空3相加，得到焚燒爐內(nèi)介質(zhì)燃燒時(shí)所需空氣量總和qm空。qm空與預(yù)先設(shè)定好的焚燒爐主風(fēng)最小用風(fēng)量進(jìn)行比較，即得到保證焚燒爐充分燃燒所需的空氣量qm空總。qm空總作為進(jìn)焚燒爐主路燃燒FIC-43的給定值[1-2]。

通過焚燒爐出口氧含量分析儀AT-01，監(jiān)測焚燒爐燃燒后氧氣含量，AIC-01的值作為FIC-44的給定值，調(diào)整燃燒空氣旁路流量控制閥FV-44的閥門開度，進(jìn)而控制焚燒爐出口氧氣含量，保證焚燒爐內(nèi)部處于過氧燃燒。

2 焚燒爐聯(lián)鎖控制方案

在廢酸再生裝置的焚燒爐中，由于存在烴類、廢酸、二氧化硫等危險(xiǎn)介質(zhì)，泄漏的可燃性物質(zhì)、有毒物質(zhì)可能會(huì)發(fā)生火災(zāi)、爆炸及人員中毒等嚴(yán)重后果。因此，在裝置生產(chǎn)過程中如果出現(xiàn)異常時(shí)，必須采用可靠的措施，將異常工況控制在可控范圍內(nèi)。以下介紹廢酸裝置焚燒爐主要的聯(lián)鎖控制。

2.1 緊急停爐聯(lián)鎖

當(dāng)爐膛出口氧含量過低、焚燒爐爐膛壓力及溫度過高或過低、助燃風(fēng)管線壓力過低、焚燒爐換熱器溫度過高、焚燒爐出口過程氣溫度過高等情況時(shí)，聯(lián)鎖關(guān)閉助燃風(fēng)緊急切斷閥、燃料氣緊急切斷閥、廢酸緊急切斷閥、酸性氣緊急切斷閥。焚燒爐聯(lián)鎖停爐主要是為了避免焚燒爐爐內(nèi)廢酸或烴類氧化不完全造成的氧含量過低，且保證空氣含量在需求范圍內(nèi)；保證爐膛壓力及溫度在正常范圍內(nèi)；保證換熱器出口溫度在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，避免后續(xù)流程的劇烈波動(dòng)；防止高溫工藝氣反竄至低壓管線，或者設(shè)備損壞。為提高裝置的自動(dòng)化控制程度，設(shè)計(jì)了停車狀態(tài)、開工狀態(tài)和投酸狀態(tài)三種狀態(tài)，當(dāng)裝置處于停車狀態(tài)時(shí)，要求焚燒爐相關(guān)的切斷閥處于安全狀態(tài)。

2.2 長明燈緊急切斷聯(lián)鎖

當(dāng)長明燈出現(xiàn)無火焰、燃料氣壓力過高或過低、助燃風(fēng)壓力過低、緊急停爐等狀況時(shí)，聯(lián)鎖關(guān)閉長明燈緊急切斷閥，避免高溫?zé)煔夥锤Z或爐膛爆炸。

2.3 主燃料氣緊急切斷聯(lián)鎖

當(dāng)沒有火焰檢測信號、主燃料氣壓力過高或過低、緊急停爐、阻火器溫度過高或燃料氣流量過高或過低時(shí)，聯(lián)鎖關(guān)閉主燃料氣緊急切斷閥，避免高溫?zé)煔夥锤Z或爐膛爆炸。其中，主燃料氣火焰檢測信號在爐膛溫度不小于750 ℃時(shí)不再參與聯(lián)鎖，此時(shí)爐膛溫度高于燃料氣自燃點(diǎn)，燃料氣進(jìn)入焚燒爐爐膛后會(huì)自動(dòng)燃燒。當(dāng)爐膛溫度小于740 ℃時(shí)，火焰檢測信號重新參與到主燃料氣聯(lián)鎖切斷。

2.4 酸性氣緊急切斷聯(lián)鎖

當(dāng)緊急停爐、阻火器溫度過高、酸性氣壓力及流量過高或過低時(shí)，聯(lián)鎖關(guān)閉酸性氣緊急切斷閥，避免高溫?zé)煔夥锤Z或者酸性氣處理不完全造成尾氣超標(biāo)等事故。

2.5 廢酸緊急切斷

當(dāng)旁路吹掃閥未關(guān)到位、霧化空氣管線壓力過低、裝置切換到開工狀態(tài)、緊急停爐時(shí)聯(lián)鎖關(guān)閉廢酸緊急切斷閥，保證裝置安全，避免高溫?zé)煔夥锤Z等事故。

安全聯(lián)鎖邏輯功能根據(jù)工藝過程需求確定[3]，廢酸再生裝置經(jīng)過SIL分析，將上述的聯(lián)鎖控制方案設(shè)置在SIS中[4]；停車狀態(tài)、開工狀態(tài)和投酸狀態(tài)的操作，則由DCS實(shí)現(xiàn)。

3 焚燒爐順序控制方案

焚燒爐的順序控制方案，主要由如下順序控制程序組成： 主燃料器投入前爐膛吹掃順控、長明燈點(diǎn)火順控、主燃料氣閥門密封性測試順控、主燃料氣自動(dòng)投用順控、酸性氣閥門密封性測試順控、酸性氣自動(dòng)投用順控、廢酸自動(dòng)投用順控。順序控制投用順序如圖2所示。

圖2 焚燒爐順序控制投用順序示意

由圖2看出，順序控制方案中，只有執(zhí)行完當(dāng)前順序控制程序才允許進(jìn)入下一步順序控制程序。在順序控制投用時(shí)需要確保相關(guān)的聯(lián)鎖已經(jīng)投用，避免出現(xiàn)當(dāng)順控結(jié)束后聯(lián)鎖條件觸發(fā)時(shí)，無法觸發(fā)聯(lián)鎖動(dòng)作。當(dāng)主燃料氣自動(dòng)投用順序控制未順利通過時(shí)，應(yīng)及時(shí)切斷主燃料氣進(jìn)料并重新開工。廢酸投用與酸性氣投用可以根據(jù)生產(chǎn)要求進(jìn)行不同選擇。

4 結(jié)束語

焚燒爐是廢酸再生裝置的核心設(shè)備之一。經(jīng)過核算，將焚燒爐內(nèi)wO2控制在3%左右時(shí)，是比較經(jīng)濟(jì)的水平。提高焚燒爐的自控和安全水平，是保證其充分、平衡、高效、安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行及平穩(wěn)操作的關(guān)鍵所在，是保障廢酸再生率的根本，也是

尾氣環(huán)保達(dá)標(biāo)的前提。通過焚燒爐的燃燒控制、聯(lián)鎖控制及順序控制，有效地提高了焚燒爐的自動(dòng)化控制水平，并保障了焚燒爐的安全長周期運(yùn)行。