废酸裂解炉火焰检测信号不稳定的原因分析及措施

2022-09-27赵小存

硫酸工业 2022年6期

赵小存，赵燕

[中国石化长城能源化工（宁夏）有限公司，宁夏灵武750411]

在废酸裂解装置中，火焰检测器对装置的稳定运行起着至关重要的作用。火焰检测器是熄火保护装置的重要组成部分，配套有燃烧控制系统，可实现燃烧器的点火与熄火保护，在燃烧器意外熄火时快速切断向裂解炉供应的可燃气，同时切断废硫酸进料，并进行声音报警和记录提醒，防止炉膛燃料聚集引起爆炸。

若火焰检测信号消失，装置联锁关闭所有燃气（天然气、解析气、酸性气）和废硫酸进料快切阀门，并将雾化废硫酸的压缩空气阀开度设置为20%，长明灯火焰保持燃烧，延时180 s后停止空气风机的运行，再延时180 s后停止主鼓风机，尽可能燃烧掉可燃气体，用空气置换炉膛和整个系统，防止可燃气聚集发生闪爆。因此，火焰检测信号联锁的可靠性，对装置的安全性与稳定运行起着不可替代的作用。笔者着重介绍了火焰检测器的工作原理及影响因素，针对火焰检测信号不稳定的问题，分析其原因，提出了解决措施。

1 火焰检测器的工作原理

中国石化长城能源化工（宁夏）有限公司（以下简称宁夏能化）废酸裂解装置的火焰检测器是由科融环境提供的XHT-5 UVA-1-B-290/38型内窥式紫外线火焰检测器，设计和制造符合国家防爆标准的有关规定。该火焰检测器由火焰处理器与紫外光敏探头两部分组成，主要用于长期连续地监测各种轻油及燃气燃烧的火焰，处理器与探头间由两芯双绞屏蔽电缆连接。电缆线径及长度会对火焰检测效果产生影响，建议线径不大于1.0 m2、长度不超过20 m，否则可能检测不到火焰。探头尾部安装有UV光敏管，火焰发出的光信号传至UV光敏管上，由UV光敏管完成光电转换。

火焰检测探头与处理器间的信号传输采取电流传输方式，以提高抗干扰能力，并通过两芯屏蔽电缆进行，火焰检测处理器将探头传来的信号通过匹配电路、施密特触发器、单稳态触发电路进行处理后，进行有无火焰的判别，并给出相应指示及输出。火焰检测器工作原理见图1。

图1 火焰检测器工作原理

紫外线火焰检测器适用于气体燃烧时燃烧强度高、燃料组分有较大变化后可燃物质含量比较高的情况。紫外线火焰检测器可以直接检测火焰中波长为160～260 nm的紫外光，响应速度快，但灵敏度较差，火焰检测器表面允许最高温度为85 ℃，检测距离200～6 000 mm，只能用于距离较短、洁净的封闭环境，因此存在一定的误报率。

2 火焰检测信号间断性消失的影响因素

2.1 火焰检测器安装位置的影响

宁夏能化的废酸裂解装置在炉膛负压-0.2～-0.05 kPa工况下运行，改造前期设计的两个火焰检测器安装的检测方向与燃烧室轴线垂直，在负压、助燃空气风量、燃气的影响下，火焰整体由燃烧室偏向裂解炉方向，火焰发出的紫外光偏离探头的视角，造成火焰检测信号频繁消失，触发装置联锁停车。通过观火孔观察火焰燃烧方位，对比托普索焚烧炉火焰检测器的安装方向，对火焰检测器的安装位置进行改造。检测方向与燃烧室轴线的夹角调整为30°，正对火焰燃烧火蕊，即火焰总长度的三分之一处[1]，解决了燃烧火焰紫外光偏离检测器视角的问题。

火焰检测探头的安装位置及要求非常苛刻，如果检测探头安装的位置或角度不能满足条件，火焰检测器将不能准确地捕捉到紫外光，进而检测不到火焰或检测效果不稳定。火焰检测器的安装应注意以下几点：

1）火焰检测探头应安装在炉壁不易结焦处。

2）火焰检测探头视角范围内的目标火焰应比较稳定，在改变风量及调节燃烧气流量时不会造成目标火焰脱离视角范围。

3）在火焰检测探头视角范围内不能有妨碍检测的物体，如炉墙、水管、筋板等物体对火焰检测形成障碍，应对上述物体进行修改，并使所有修改尽可能减小对风量的影响。

4）应安装在目标火焰的上部或侧面，所有视角内应尽可能充满目标火焰，同时使探头对准目标火焰根部，尽量避开其他火焰。

2.2 裂解炉内环境的影响

含有多种矿物元素的废硫酸，在裂解炉内分解成大量的SO2气体和含有钙、铁、硅、磷等元素的粉尘颗粒，同时产生大量水蒸气和不燃烧的惰性气体。火焰检测器是用法兰固定安装在导管内部，导管前端对着火焰高温区域，温度应不高于180 ℃。

高温会损坏火焰检测器的处理器和检测探头，检测探头的冷却介质采用干燥、洁净、常温的压缩空气，入口流量应大于等于1.5 m3/min，且连续不间断地对火焰检测器进行冷却降温。

火焰检测探头位于燃烧器中，探头与火焰间充满燃气，若裂解炉呈正压状态，探头前端可能会出现结焦或石英镜片积灰。另外，燃气中含有大量三原子分子的物质、杂质和水蒸气，极易部分或全部吸收火焰发出的紫外线，导致检测不稳定或根本检测不到火焰。为了避免上述情况的发生，应保证裂解炉内部处于负压状态，火焰检测器安装导管入口与炉膛的压差应大于等于1.46 kPa，且有不间断的新鲜压缩空气对检测探头进行冷却和吹扫。

2.3 可燃气组分的影响

在低温甲醇洗装置中，吸收了H2S和COS的富硫甲醇，在热再生塔中加热再生，经过冷却后对产出的酸性气体进行分析，数据见表1。

表1 酸性气组分设计值和实际值 φ: %

由表1可知，有效气体H2S的实际含量明显低于设计值。进气化炉的煤浆硫含量不同，实际操作也会影响酸性气中H2S的含量，通过对现场手动取样数据的计算和分析，得出酸性气中φ(H2S)约为20%，不燃气体φ(N2)和φ(CO2)约为79%。低浓度H2S酸性气不易燃烧，在惰性气体（N2、CO2）含量比较高的情况下，可燃气体燃烧时紫外线光波会随机变化，波长变短，强度变弱，此时检测器的信号会出现跳跃。在裂解炉炉膛负压（-0.05～-0.2 kPa）的环境下，炉内介质会快速向炉尾移动，也会造成火焰检测信号不稳定。

宁夏能化的废酸裂解装置的裂解炉燃气是天然气（主要成分为CH4）和变压吸附置换解析气[其中φ(H2)6%、φ(CO)93%]。为了解决火焰检测信号不稳定的问题，宁夏能化设计了可燃气体进裂解炉的多管路管线，CH4、H2和CO这三种气体燃烧时能辐射出大量的紫外线，可以弥补酸性气燃烧时紫外线辐射弱的弊端。另外，通过优化操作，将一部分酸性气体回流到H2S浓缩塔进行提纯，气提分离出部分CO2，提高进裂解炉酸性气的H2S浓度，使燃烧更稳定。

2.4 进料温度的影响

进料温度对裂解炉的整体温度影响比较大，尤其是在冬天影响更为明显。酸性气和助燃空气的温度接近-10 ℃，天然气和解析气的温度也在0 ℃左右，温度太低，燃烧室燃气喷嘴处达不到燃烧条件，所有燃气在进入高温炉膛后才会燃烧，火焰检测视角范围内无燃烧火焰，造成火焰检测信号消失。

为了保证酸性气和燃气在燃烧室喷嘴处能稳定燃烧，可采取以下措施：①控制燃烧室的炉膛温度在1 000 ℃以上；②通过热循环风机将进入燃烧室的助燃空气温度提升到600 ℃以上；③通过提升源头温度和保温，将酸性气的进口温度提高到10 ℃以上。

2.5 助燃空气风量的影响

燃烧室燃气喷枪管线采用分布式独立结构设计（见图2），使燃气流能够充分弥散入空气流中。燃气喷头采用防风结构，配合旋流式稳焰器，酸性气喷嘴根据其压力设计采用扇形旋涡式喷射（见图3），酸性气和助燃空气逆时针旋转，可增强酸性气与空气的混合效果，提高酸性气的燃烧能力。裂解炉内有三堵蓄热墙，能够增加物料停留时间，阻止热能快速流失，使旋转的混合气和高温裂解物料均匀地向炉尾移动，促进燃气充分燃烧、废酸裂解完全。

图2 燃烧室燃气管线结构设计

图3 裂解炉燃气喷头

如果助燃空气风量过大，燃烧室内的火焰在超大风量工况下不稳定，火焰被吹离探头检测范围，会致使检测信号消失；如果助燃空气风量不足，燃烧室缺氧会造成可燃气不能充分燃烧，同时三原子分子物质、杂质和水蒸气吸收火焰发出的紫外线，使燃烧器内的紫外线减少，导致火焰检测信号跳跃或消失，故调节好配风比，对火焰检测至关重要。经生产实践证明，调节燃气与空气体积比为1∶(10～15)[3]，助燃空气总流量控制在3 800～5 500 m3/h（根据负荷进行调整），燃烧室阀前助燃空气的压力调节至1.5 kPa左右，空气大阀开度为23%左右，有助于燃烧火焰稳定。