废酸再生装置焚烧炉重要控制及联锁方案的讨论

2020-12-09王晨陈虹薛守玲董爱娜

石油化工自动化 2020年6期

王晨,陈虹，薛守玲，董爱娜

(中石油华东设计院有限公司，山东青岛 266071)

制硫酸技术目前主要分为“干法制酸”及“湿法制酸”两大类。本文介绍的工艺采用的是湿法制酸技术路线，与烷基化装置配套使用。废酸再生装置的基本流程由燃烧、反应、冷凝、浓硫酸回收及公用工程等单元组成。本文主要针对燃烧单元的燃烧控制方案、焚烧炉重要联锁以及顺序控制进行探讨。

1 焚烧炉燃烧控制

1.1 工艺流程

烷基化装置生产的废酸经雾化后送入焚烧炉，清洁酸性气也送至焚烧炉，在操作温度为1 000 ℃的高温条件下发生裂解反应，同时燃烧掉废酸中的有机杂质。燃料气引至焚烧炉作为燃料，控制焚烧炉温度。焚烧炉出来的高温工艺气经过换热冷却，再经过过滤，控制工艺气杂质质量分数在1.0×10-6以下。当过滤器压力达到设定值后，切换该过滤器，用空气进行反吹清理。焚烧炉的助燃空气来自环境空气，经空气预热器加热，预热后的空气分为两路，一路作为助燃空气输送至焚烧炉，另一路送至二级反应器为SO2催化转化反应提供氧气。

焚烧炉内基本化学反应式如下：

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 焚烧炉燃烧控制方案

焚烧炉内空气含量是废酸再生装置焚烧炉控制的核心之一。当焚烧炉出口wO2<1%时，焚烧炉内部烃类、酸性气等物质无法充分反应，会造成尾气超标、再生浓硫酸浓度达不到预期等后果。焚烧炉内wO2太高，则增加能耗。通过合理地调节废酸、酸性气、燃料气及空气的流量，可以确保炉膛内wO2保持在3%左右，进而保证加热炉负荷正常。具体燃烧控制方案如图1所示。

图1 焚烧炉燃烧控制方案示意

图1中，温度控制器TIC-19的输出值Y是用于保持焚烧炉内部温度的燃料气流量期望值；空气流量控制器FIC-43用于控制燃烧空气流量；焚烧炉燃料气流量控制器FIC-26用于控制燃料气流量；HIC-26用于调节空气/燃料气燃烧理想配比；HIC-01用于计算燃烧1 kg废酸所必需的空气比例，可调节，该数值在现场调试时根据不同的废酸组分进行调整；HIC-02用于计算燃烧1 kg酸性气所必需的空气比例，可调节，该数值在现场调试时根据不同的酸性气组分进行调整；HIC-03用于调节预设的焚烧炉主风所需空气的最小量，保证进入加热炉的主风空气流量不低于该值。

流量计FT-26测得的燃料气体积流量qV1，并进行温压补偿运算后，再乘以预先设定的固定燃料气密度，得到燃料气质量流量qm1，也可以设置在线燃料气密度分析仪AT-02，进行密度补偿计算，得到燃料气质量流量qm1。

为保持焚烧炉内温度，将TIC-19的输出值作为进FIC-26的给定值，进而控制进焚烧炉燃料气的流量控制阀FV-26。

将qm1与空气/燃料配比k1相乘，得到燃烧燃料气所需空气量qm空1。通过废酸流量qm2与空气/废酸比k2相乘，得到燃烧废酸所需空气量qm空2。通过酸性气流量qm3与空气/酸性气配比k3相乘，得到燃烧酸性气量所需空气量qm空3。将qm空1，qm空2，qm空3相加，得到焚烧炉内介质燃烧时所需空气量总和qm空。qm空与预先设定好的焚烧炉主风最小用风量进行比较，即得到保证焚烧炉充分燃烧所需的空气量qm空总。qm空总作为进焚烧炉主路燃烧FIC-43的给定值[1-2]。

通过焚烧炉出口氧含量分析仪AT-01，监测焚烧炉燃烧后氧气含量，AIC-01的值作为FIC-44的给定值，调整燃烧空气旁路流量控制阀FV-44的阀门开度，进而控制焚烧炉出口氧气含量，保证焚烧炉内部处于过氧燃烧。

2 焚烧炉联锁控制方案

在废酸再生装置的焚烧炉中，由于存在烃类、废酸、二氧化硫等危险介质，泄漏的可燃性物质、有毒物质可能会发生火灾、爆炸及人员中毒等严重后果。因此，在装置生产过程中如果出现异常时，必须采用可靠的措施，将异常工况控制在可控范围内。以下介绍废酸装置焚烧炉主要的联锁控制。

2.1 紧急停炉联锁

当炉膛出口氧含量过低、焚烧炉炉膛压力及温度过高或过低、助燃风管线压力过低、焚烧炉换热器温度过高、焚烧炉出口过程气温度过高等情况时，联锁关闭助燃风紧急切断阀、燃料气紧急切断阀、废酸紧急切断阀、酸性气紧急切断阀。焚烧炉联锁停炉主要是为了避免焚烧炉炉内废酸或烃类氧化不完全造成的氧含量过低，且保证空气含量在需求范围内；保证炉膛压力及温度在正常范围内；保证换热器出口温度在设计范围内，避免后续流程的剧烈波动；防止高温工艺气反窜至低压管线，或者设备损坏。为提高装置的自动化控制程度，设计了停车状态、开工状态和投酸状态三种状态，当装置处于停车状态时，要求焚烧炉相关的切断阀处于安全状态。

2.2 长明灯紧急切断联锁

当长明灯出现无火焰、燃料气压力过高或过低、助燃风压力过低、紧急停炉等状况时，联锁关闭长明灯紧急切断阀，避免高温烟气反窜或炉膛爆炸。

2.3 主燃料气紧急切断联锁

当没有火焰检测信号、主燃料气压力过高或过低、紧急停炉、阻火器温度过高或燃料气流量过高或过低时，联锁关闭主燃料气紧急切断阀，避免高温烟气反窜或炉膛爆炸。其中，主燃料气火焰检测信号在炉膛温度不小于750 ℃时不再参与联锁，此时炉膛温度高于燃料气自燃点，燃料气进入焚烧炉炉膛后会自动燃烧。当炉膛温度小于740 ℃时，火焰检测信号重新参与到主燃料气联锁切断。

2.4 酸性气紧急切断联锁

当紧急停炉、阻火器温度过高、酸性气压力及流量过高或过低时，联锁关闭酸性气紧急切断阀，避免高温烟气反窜或者酸性气处理不完全造成尾气超标等事故。

2.5 废酸紧急切断

当旁路吹扫阀未关到位、雾化空气管线压力过低、装置切换到开工状态、紧急停炉时联锁关闭废酸紧急切断阀，保证装置安全，避免高温烟气反窜等事故。

安全联锁逻辑功能根据工艺过程需求确定[3]，废酸再生装置经过SIL分析，将上述的联锁控制方案设置在SIS中[4]；停车状态、开工状态和投酸状态的操作，则由DCS实现。

3 焚烧炉顺序控制方案

焚烧炉的顺序控制方案，主要由如下顺序控制程序组成：主燃料器投入前炉膛吹扫顺控、长明灯点火顺控、主燃料气阀门密封性测试顺控、主燃料气自动投用顺控、酸性气阀门密封性测试顺控、酸性气自动投用顺控、废酸自动投用顺控。顺序控制投用顺序如图2所示。

图2 焚烧炉顺序控制投用顺序示意

由图2看出，顺序控制方案中，只有执行完当前顺序控制程序才允许进入下一步顺序控制程序。在顺序控制投用时需要确保相关的联锁已经投用，避免出现当顺控结束后联锁条件触发时，无法触发联锁动作。当主燃料气自动投用顺序控制未顺利通过时，应及时切断主燃料气进料并重新开工。废酸投用与酸性气投用可以根据生产要求进行不同选择。