高峰，贠瑩，戴金玲

(中國石油化工股份有限公司 大連石油化工研究院，遼寧 大連 116045)

石化企業(yè)生產過程中產生的揮發(fā)性有機物(VOCs)處理技術可以分為回收法和非回收法兩大類。回收法常用于組成簡單、濃度較高且有利用價值VOCs的處理；非回收技術常用于組成復雜、濃度較低以及回收價值低的VOCs的治理[1]。熱氧化法(或熱燃燒法)是目前常用的一種非回收類的VOCs消除技術，主要有直接燃燒法和催化燃燒(氧化)法[2]。相比于直接燃燒法，催化氧化法由于反應器中催化劑的使用，需要的反應溫度要低很多，廣泛用于治理石化企業(yè)污水處理場等散發(fā)的廢氣[3]。催化氧化法工藝流程簡單，但要求進入反應器的廢氣量和濃度不能劇烈波動，以避免反應器的溫度大幅變化。中國石化大連石油化工研究院(簡稱大連院)開發(fā)的“總烴濃度均化-催化氧化”技術通過在催化氧化反應器前設置總烴濃度均化罐，利用均化劑的“吸附-解吸”作用有效穩(wěn)定了均化罐出口的VOCs濃度[4-5]。

1 催化氧化工藝流程簡介

某石化企業(yè)采用“總烴濃度均化-催化氧化”技術處理重油催化裂化裝置的污水池池頂廢氣和罐區(qū)罐頂廢氣，處理前的廢氣組成見表1，表2所列。

表1 罐區(qū)罐頂廢氣組分的含量

表2 含油污水池池頂廢氣組分的含量

按照GB 31571—2015《石油化學工業(yè)污染物排放標準》規(guī)定[6]，要求處理后的廢氣中ρ(苯)≤4 mg/m3，ρ(甲苯)≤15 mg/m3，ρ(二甲苯)≤20 mg/m3。催化氧化系統(tǒng)工藝流程如圖1所示，廢氣經風機引出后送入總烴濃度均化罐內，在罐內脫硫及總烴濃度均化劑的作用下，廢氣中的硫化物被脫除，同時廢氣的總烴濃度得到均化，避免了總烴濃度的劇烈波動給設施帶來的沖擊[7]。均化罐處理后的廢氣再與空氣混合，使廢氣中的總烴質量濃度降至3 g/m3以下，滿足催化氧化反應器的進氣濃度要求，空氣稀釋后的廢氣需要經過過濾器脫除廢氣中的顆粒物以避免催化劑中毒[8]，然后廢氣再進入“換熱-加熱-催化氧化反應”單元。過濾后的廢氣經過換熱器和加熱器升溫后，達到催化氧化的反應溫度250～450 ℃。在催化氧化反應器中，廢氣中的有機物在催化劑的作用下，與空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應，轉化成水和二氧化碳，并釋放出大量的反應熱。通過換熱器將反應熱回收，用于預熱進反應器前的廢氣，換熱后的凈化氣經排氣筒排放到大氣中。

圖1 催化氧化系統(tǒng)工藝流程示意

2 控制方案設計

“總烴濃度均化-催化氧化”裝置治理的廢氣為有毒有害物質，對裝置的自動化程度、安全等級要求較高。該裝置采用技術成熟、性能可靠的分散控制系統(tǒng)(DCS)對裝置進行集中控制和管理[9]。裝置內的現(xiàn)場變送器(溫度、壓力、流量等)、執(zhí)行器等信號遠傳到DCS，在DCS上集中監(jiān)視、操作和控制，確保裝置安全、穩(wěn)定及長周期運行。

來自污水池和罐區(qū)的廢氣首先進入均化罐內進行混合和濃度均化，為保證均化罐的安全運行，需要將均化罐的罐頂壓力和罐內溫度控制在一定范圍內。當均化罐的罐頂壓力pT-101達到高高限2.6 kPa或罐內溫度tT-101達到高高限80 ℃時，會觸發(fā)“總烴濃度均化-催化氧化”裝置停運。裝置停運動作：停止電加熱器，全開空氣進氣閥(TV-104)，打開廢氣放空閥(XV-101)，關閉廢氣進氣閥(XV-102)。裝置停運聯(lián)鎖邏輯如圖2所示。

圖2 催化氧化裝置停運聯(lián)鎖邏輯示意

均化罐處理后的廢氣與空氣混合后降低了廢氣中的總烴質量濃度，混合后的氣體經催化風機送入催化反應器進行氧化反應。在該過程中，需要控制催化風機，當催化風機存在運行狀態(tài)反饋且出口壓力過低(壓力低限值設為200 Pa)時，證明催化風機運行處于失壓狀態(tài)，此時會觸發(fā)催化風機聯(lián)鎖，同時觸發(fā)裝置停運。此外，催化風機還設置了故障報警信號點，催化風機故障信號產生時也會觸發(fā)催化風機聯(lián)鎖及裝置停運。催化風機聯(lián)鎖邏輯如圖3所示。

圖3 催化風機聯(lián)鎖邏輯示意

廢氣進入廢氣過濾器前設置可燃氣體報警器，實時監(jiān)測進入反應器的可燃氣體濃度，使其在爆炸下限以下。根據HAZOP分析以及SHBZ 06—2019《石油化工緊急停車及安全聯(lián)鎖系統(tǒng)設計導則》，該處設置成“三取二”高高限聯(lián)鎖，當檢測到可燃氣體濃度不小于25%LEL(AT-101～103，三取二)時，會觸發(fā)“總烴濃度均化-催化氧化”裝置停運。

催化氧化反應器正常運行時，為了保證反應溫度在合適的區(qū)間內，需要控制反應器入口溫度及出口溫度。反應器入口溫度tICA-103采用單回路PID調節(jié)，根據溫度調節(jié)器(TICA-103)的設定值與檢測值的偏差，經調節(jié)器運算后改變輸出值tY-103，該輸出值送至電加熱器電氣控制柜中的調整器，使反應器入口溫度保持穩(wěn)定。反應器出口溫度tICA-104采用單回路調節(jié)，根據溫度調節(jié)器(TICA-104)的設定值與檢測值的偏差，經調節(jié)器運算后改變輸出值tY-104，該輸出值送至TV-104閥，通過調節(jié)TV-104閥的開度使反應器出口溫度保持穩(wěn)定。當tICA-103≥480 ℃，或tICA-104≥580 ℃時，會觸發(fā)“總烴濃度均化-催化氧化”裝置停運。

電加熱器內部設有2組過熱保護，每組分別設置溫度檢測點和故障信號點。當溫度檢測點tT-102A/B≥500 ℃，或過熱保護發(fā)出故障信號時，會觸發(fā)“總烴濃度均化-催化氧化”裝置停運。

此外，在DCS控制畫面和現(xiàn)場操作柱分別設置手動復位按鈕，以便聯(lián)鎖程序調試。

“總烴濃度均化-催化氧化”裝置中各個聯(lián)鎖信號點在達到高高限或低低限的聯(lián)鎖值前都有高限或低限報警值，見表3所列。

表3 “總烴濃度均化-催化氧化”裝置報警值

3 開工方案設計

為了進一步提高“總烴濃度均化-催化氧化”裝置自動化程度，設計了“一鍵開工及停工”程序。“總烴濃度均化-催化氧化”裝置開工程序如圖4所示。

圖4 “總烴濃度均化-催化氧化”裝置開工程序示意

裝置啟動前需確保TV-104閥為開啟狀態(tài)，XV-102閥為關閉狀態(tài)。當現(xiàn)場滿足裝置開工條件后，一鍵啟動“總烴濃度均化-催化氧化”程序。確認裝置無警報后，遠程啟動催化風機，風機頻率為f。催化風機有遠程和就地兩種狀態(tài)，當催化風機A處于遠程、催化風機B處于就地狀態(tài)時啟動催化風機A；反之，啟動催化風機B。當催化風機A，B都處于遠程狀態(tài)，需要操作員選擇啟動催化風機A或B；當催化風機A，B都處于就地狀態(tài)，畫面提示“催化風機不具備啟動條件”，返回程序初始狀態(tài)。

遠程啟動催化風機后，當檢測催化風機出口壓力高于引氣壓力0.2 kPa時，且催化風機存在運行狀態(tài)反饋時，說明催化風機啟動成功。催化風機平穩(wěn)運行20 min后，需要電加熱器輔助加熱，每間隔30 s啟動一組電加熱器，并將電加熱器功率調至最大，快速提高催化反應器內的溫度。需要注意：在程序執(zhí)行過程中，若提示“存在報警”信號，則切除開工過程，控制畫面提示“裝置存在報警”，此時需要操作員解決相關報警后方可執(zhí)行開工程序。

當tICA-103升至100 ℃后，打開XV-102閥。電加熱器接受tICA-103后進行PID調節(jié)，TV-104閥接受tICA-104后也進行PID調節(jié)，此時裝置開工過程結束進入正常運行狀態(tài)。

4 停工方案設計

“總烴濃度均化-催化氧化”裝置停工程序啟動后，首先判斷裝置是否存在警報，若裝置存在警報，控制系統(tǒng)畫面提示“裝置存在報警”，返回程序起始處，此時無法執(zhí)行停工程序，需要先處理裝置的報警信號；若裝置無警報，則執(zhí)行以下動作：停止電加熱器，打開TV-104閥，打開XV-101閥，關閉XV-102閥。待tICA-104降到100 ℃以下，畫面提示“停工程序執(zhí)行完畢”。等到“總烴濃度均化-催化氧化”裝置降到常溫后，操作員停止催化風機?！翱偀N濃度均化-催化氧化”裝置停工程序如圖5所示。

圖5 “總烴濃度均化-催化氧化”裝置停工程序示意

5 安全方案設計

“總烴濃度均化-催化氧化”裝置的安全方案設計，主要包括以下幾方面內容：

1)“總烴濃度均化-催化氧化”裝置急停按鈕的設置。在該裝置內安裝防爆現(xiàn)場操作柱，操作柱上設置現(xiàn)場急停按鈕，在DCS控制畫面上設置一鍵切斷按鈕，當煉廠發(fā)生火災等緊急情況時，在現(xiàn)場操作柱或DCS控制畫面上都可以一鍵切斷該裝置。

2)控制系統(tǒng)。該裝置內的溫度變送器、流量變送器、壓力變送器、液位變送器、氣動開關閥信號、催化風機啟停、運行狀態(tài)、遠程/就地以及故障信號等都接入控制室現(xiàn)有的DCS中，實現(xiàn)該裝置的操作和控制。

3)故障安全。該裝置內儀表采用不間斷電源交流供電方式，規(guī)格為交流220 V，20 kVA兩套獨立回路，以確保DCS的供電安全，不間斷時間為30 min。DCS的CPU，電源，通信，關鍵I/O卡件均冗余配置。

4)可燃/有毒氣體探測器的設置。在均化罐附近設置可燃氣體探測器及有毒氣體探測器檢測環(huán)境中的可燃氣及有毒氣，在廢氣過濾器前設置可燃氣體報警器檢測進入反應器的可燃氣體濃度，可燃氣體和有毒氣體檢測報警器輸出的4～20 mA 信號直接送至 DCS的獨立卡件進行報警顯示。

5)儀表防雷設計。安裝就地式電涌防護器或DCS端電涌防護器[10]用來減少雷電現(xiàn)象帶來的設備損害。

6 結束語

廢氣治理裝置作為石化企業(yè)生產裝置的配套環(huán)保設施，要在盡量減少人工操作頻率、降低運行成本并使裝置安全穩(wěn)定運行的同時，使廢氣達標排放。本文所設計的控制方案實現(xiàn)了對“總烴濃度均化-催化氧化”裝置的自動控制，裝置自投用至今已穩(wěn)定運行10個月，凈化后的尾氣排放滿足環(huán)保標準要求。