APP下载

天然气净化厂尾气在线还原炉燃烧控制

2021-08-04崔吉宏李思李长春叶世贵吕海涛朱超

石油化工自动化 2021年4期
关键词:空气量设定值燃烧器

崔吉宏,李思,李长春,叶世贵,吕海涛,朱超

(中石化广元天然气净化有限公司,四川 广元 628400)

克劳斯硫回收反应是可逆反应,受反应温度下化学平衡的限制,即使采用活性良好的催化剂,硫回收率也很难超过97%[1],尾气中φ(H2S)加φ(SO2)仍达到1%~3%,剩余的硫蒸气和有机硫化物经过高温灼烧后,以SO2形式排放至大气[2],不但造成了环境污染,同时也浪费了硫资源。中国石油炼制行业要求炼油厂必须满足GB 31570—2015《石油炼制工业污染物排放标准》[3],规定一般地区硫磺回收装置尾气排放质量浓度ρ(SO2)≤400 mg/m3,重点地区ρ(SO2)≤100 mg/m3。对于天然气行业,陆上石油天然气开采工业污染物排放标准还在制定中,但按照国内SO2排放的严苛趋势,高含硫天然气净化厂内的硫回收装置将是监管的重要对象。目前克劳斯法硫回收工艺常用的尾气处理工艺有还原吸收尾气处理工艺、低温克劳斯尾气处理工艺、催化氧化尾气处理工艺、氨法尾气处理工艺、碱法尾气处理工艺等[4]。其中,荷兰壳牌公司在20世纪70年代提出的SCOT法还原吸收尾气处理工艺[5],是目前工业中应用最广泛的尾气处理工艺,它能将总硫回收率提高到99.9%左右,在环保要求比较高的国家和地区得到了广泛应用。高含硫天然气净化厂一般不含固定的还原气源(如H2),因此需要使用燃料气在线欠氧燃烧产生还原性气体,同时加热来自硫磺单元的过程气,为下游加氢反应提供反应的基础[6]。所以尾气处理单元在线还原炉的设计及使用必须采用先进合理的控制方案。

1 SCOT尾气处理工艺流程及原理

1.1 工艺流程介绍

加氢燃烧器中主要发生次氧化燃烧,生成还原性烟气,同时将还原性气体与来自硫磺回收单元的克劳斯尾气进行混合并升温。升温后的过程气进入加氢反应器内进行催化转化反应。反应后的过程气经过冷却器冷却,进入急冷塔底部,与来自塔顶的急冷水逆流接触,接触换热后,塔底的急冷水经泵升压后送至急冷水空冷器及后冷器冷却,并循环使用,同时,加氢尾气中所含水蒸气在急冷过程中冷凝后外排至酸水汽提单元;急冷塔塔顶的加氢尾气则进入尾气吸收塔,通过胺液吸收脱除尾气中的H2S,CO2和部分有机硫等酸性气,随后进入尾气焚烧炉。在焚烧炉内,尾气与燃料气、空气混合燃烧,CO及H2S转化为CO2及SO2,通过烟囱排放至大气。

1.2 原理介绍

在线加氢炉由燃烧段和混合段构成,燃烧段发生燃料气与空气的次当量反应产生还原性组分H2和CO在内的高温气体。硫磺尾气在混合段内与燃烧段产生的高温气体混合并升温,使之达到加氢反应器入口温度要求。为防止积碳,一般通入的空气量为当量燃烧时空气量的75%~95%[7],加氢炉内次氧化反应化学反应式如式(1)~式(2)所示:

(1)

(2)

在加氢反应器内,尾气中所含的SO2,单质硫和H2在钴钼催化剂的作用下,加氢还原转化为H2S。COS和CS2在加氢反应器中主要发生水解反应,只有很少一部分被H2还原[8],化学反应式如式(3)~式(8)所示:

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

一般尾气吸收塔内所使用的胺液主要成分为N-甲基二乙醇胺(MDEA),该溶剂具有较高的选择吸收能力,同时再生能耗、降解性和腐蚀性均较小[9],是工业中目前广泛使用的尾气净化脱硫溶剂。用R3N表示MDEA,因此MDEA脱硫及脱碳的主要反应如式(9)和式(10)所示:

(9)

(10)

2 在线还原炉燃烧控制方案

加氢进料燃烧炉的进料为空气和燃料气,主要采用比例交叉限位控制系统[10]进行控制,加氢在线燃烧炉控制方案如图1所示。

图1中,乘法器HU-104B的作用是将燃料气量(FIC-104)乘以空气/燃料气比值控制器(HC-104)的值,计算出燃烧空气量(FIC-103)。除法器HU-104A的作用是将FIC-103的值除以HC-104的值计算燃料气量。根据燃料气量计算出蒸汽量,通过比率器HU-101自动调整蒸汽流量控制FIC-101或FIC-102的设定值,选择器HS-101的作用是选择不同的工况。

图1 加氢在线燃烧炉控制方案示意

2.1 空气与燃料气比率值确定

根据反应式(1),氧气与燃料气完全燃烧时的体积比为2∶1,而空气中氧气质量分数w(O2)=20.9%,因此可以得出空气与燃料气完全燃烧时的体积比为9.57∶1。由于加氢燃烧炉内发生次氧燃烧,φ(空气)为当量燃烧情况下所需空气量的75%~95%,因此,加氢进料燃烧炉的空气/燃料气的值通常为7.18∶1~9.09∶1。在前期装置运行过程中,均出现了加氢燃烧器振动幅度大,金属外壁超温现象,因此,根据混合欧拉多相流模型及标准k-ε湍流模型,利用Fluent软件分析不同配风比下,燃烧室内部燃烧流动特性[11],在当量燃烧情况下空气与燃料气体积流量比值超过8.3时,火焰会对燃烧室尾部有明显冲击,长期会导致防火棉失效,外表面超温。同时,测量不同配风比下加氢燃烧器振动情况,见表1所列。

由表1可知,随着燃烧空气与燃料气体积流量配风比的增加,加氢燃烧器振动情况加剧,同时,急冷水中氢离子质量分数w(H-1)也呈下降趋势。w(H-1)偏低会造成急冷塔腐蚀,因此,综合考虑,设定加氢进料燃烧炉的空气/燃料气为7.5。

表1 不同配风比时加氢燃烧器振动情况

2.2 减温蒸汽系数确定

在正常条件下,加氢炉燃烧室内的燃烧温度约为1 600 ℃,0.4 MPa减温蒸汽的温度约为143 ℃,采用化学对减温蒸汽量进行计算。

燃烧室有效吸热量计算如式(11)所示:

Qg=mBQyΓg

(11)

式中:Qg——燃烧室有效吸热量,kJ;mB——燃料消耗量,kg;Qy——燃料应用极低位发热量,kJ;Γg——燃烧室的热效率,%。

EQ=Qg(1-T0/Tm)

(12)

式中:EQ——燃烧室水蒸气工质所获得的热量,kJ;T0——燃烧室温度,K,当环境温度保持在1 600 ℃时,T0=1 873.15 K;Tm——水蒸气平均吸热温度,K。

Γr=EQ/Bef=(QyΓg/ef)×(1-T0/Tm)

(13)

式中:Γr——燃烧室效率,%,根据加氢燃烧器相关资料得知,Γr=91.7%;ef——燃料气的化学,kJ/kg,以龟山-吉田体系为计算基准,则甲烷的标准摩尔化学为51.88 MJ/kg。

由式(11)~式(13)可得,当1 kg燃料气完全燃烧,燃烧室内蒸汽工质所需吸收的热量计算公式如式(14)所示:

EQ=Qg(1-T0/Tm)=mBQyΓg(1-T0/Tm)=
mB[Γref/(1-T0/Tm)]×(1-T0/Tm)=
mBΓref=47.58(MJ)

(14)

由于水蒸气的比热容c=2.08 (kJ/kg·℃),根据燃烧室的工况可以得知,水蒸气在燃烧室内温度由143 ℃升高至1 600 ℃,因此可以按式(15)计算每千克燃料气在发生完全燃烧时所需的水蒸气量:

m=EQ/cΔT=
47.58×1 000/[2.08×(1 600-143)]=
15.7(kg)

(15)

由于143 ℃下水蒸气的密度为2.129 kg/m3,燃料气密度为0.77 kg/m3,因此,完全燃烧情况下,燃料气与蒸汽的体积流量比为(15.7÷2.129)∶(1÷0.77)=5.67∶1。

3 控制方法

3.1 燃烧空气流量控制

加氢进料燃烧炉出口的气体温度由TIC-201(反作用)控制,调节器的输出同时送入燃烧空气高选器TU-201A和燃料气低选器TU-201B,当燃烧炉出口过程气温度高于TIC-201的设定值时,TIC-201的输出减小,TU-201B将TIC-201的输出送至乘法器HU-104B,此时,控制系统将减小FIC-103的设定值,控制FV-103阀的开度。在燃烧空气流量减小的同时,HU-104A会根据实际的燃烧空气量计算出所需的燃料气量,并通过TU-201A减小燃料气流量调节器FIC-104的设定值,直到与TIC-201的输出相同。

3.2 燃料气流量控制

当加氢进料燃烧炉出口气体的温度低于TIC-201的设定值时,TIC-201的输出增大,增大FIC-104的设定值,从而使FV-104阀的开度增加。在燃料气流量增大的同时,TU-201B的输出送至HU-104B,根据实际的燃料气量计算出所需的燃烧空气量,增大FIC-103的给定值,增大FV-103阀的开度,直至TU-201B的输出增加至与TIC-201的输出相同。

当燃料气组分变化或者硫磺回收单元生产波动时,操作人员可以通过修改HC-104数值设置燃烧空气和燃料气的比例设定值。生产过程中,通过氢气含量分析仪AI-401实时监控急冷塔顶尾气中的φ(H2),如果AI-401上显示φ(H2)低于2%,则应减小燃烧空气/燃料气比值的设定值,当φ(H2)高于2%时,则应增加燃烧空气/燃料气比值的设定值。

3.3 减温蒸汽流量控制

减温蒸汽的主要作用有两点: 一是维持火焰温度正常,二是抑制结焦反应发生。如果加入的蒸汽量过多,会导致燃烧炉内的燃烧火焰不稳定,甚至主火丢失而停炉跳车;同时蒸汽量过高也会导

致燃烧炉振动增大,影响炉内耐火衬里的使用寿命。若加入的减温蒸汽量过少,则达不到保护火嘴和抑制结焦反应的作用[12]。操作人员可以通过蒸汽与燃料气比率设定器HC-101来设置蒸气和燃料气的比例。

4 结束语

加氢在线燃烧炉的燃烧情况对提高硫磺回收装置硫回收率以及尾气排放指标有着重要影响,本文从尾气加氢还原吸收工艺的机理出发,研究了加氢在线燃烧炉比例交叉限位控制系统。根据Fluent软件分析的不同配风比下燃烧室内部燃烧流动特性以及加氢炉振动情况确定了加氢在线燃烧炉的燃料气/燃烧空气,通过化学计算了燃料气/减温蒸汽量。同时,讨论了不同情况下,加氢在线燃烧炉配风的控制方法,保证尾气吸收部分运行稳定、尾气排放达标,使装置实现平稳运行。

猜你喜欢

空气量设定值燃烧器
冷轧镀锌光整机延伸率控制模式的解析与优化
650MW超临界锅炉低氮燃烧器改造后的主要问题与优化调整
漏空气量对凝汽器壳侧流场影响的数值模拟研究
数值模拟研究燃烧器重要参数的影响
“华龙一号”汽轮机旁路系统大气排放阀控制系统的优化
气提式一体化污水处理设备影响因子实验探究
PID 控制在水电厂有功调节的应用
NTFB低氮燃烧器介绍
浅谈燃烧系统改造的效果
风压传感器在燃气热水器中的发展趋势探究