廢酸再生裝置焚燒爐重要控制及聯(lián)鎖方案的討論

王晨,陳虹，薛守玲，董愛娜

(中石油華東設計院有限公司，山東 青島 266071)

制硫酸技術目前主要分為“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、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)鎖以及順序控制進行探討。

1 焚燒爐燃燒控制

1.1 工藝流程

烷基化裝置生產的廢酸經霧化后送入焚燒爐，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，同時燃燒掉廢酸中的有機雜質。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過換熱冷卻，再經過過濾，控制工藝氣雜質質量分數在1.0×10-6以下。當過濾器壓力達到設定值后，切換該過濾器，用空氣進行反吹清理。焚燒爐的助燃空氣來自環(huán)境空氣，經空氣預熱器加熱，預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器為SO2催化轉化反應提供氧氣。

焚燒爐內基本化學反應式如下：

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

焚燒爐內空氣含量是廢酸再生裝置焚燒爐控制的核心之一。當焚燒爐出口wO2<1%時，焚燒爐內部烴類、酸性氣等物質無法充分反應，會造成尾氣超標、再生濃硫酸濃度達不到預期等后果。焚燒爐內wO2太高，則增加能耗。通過合理地調節(jié)廢酸、酸性氣、燃料氣及空氣的流量，可以確保爐膛內wO2保持在3%左右，進而保證加熱爐負荷正常。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用于調節(jié)空氣/燃料氣燃燒理想配比；HIC-01用于計算燃燒1 kg廢酸所必需的空氣比例，可調節(jié)，該數值在現場調試時根據不同的廢酸組分進行調整；HIC-02用于計算燃燒1 kg酸性氣所必需的空氣比例，可調節(jié)，該數值在現場調試時根據不同的酸性氣組分進行調整；HIC-03用于調節(jié)預設的焚燒爐主風所需空氣的最小量，保證進入加熱爐的主風空氣流量不低于該值。

流量計FT-26測得的燃料氣體積流量qV1，并進行溫壓補償運算后，再乘以預先設定的固定燃料氣密度，得到燃料氣質量流量qm1，也可以設置在線燃料氣密度分析儀AT-02，進行密度補償計算，得到燃料氣質量流量qm1。

為保持焚燒爐內溫度，將TIC-19的輸出值作為進FIC-26的給定值，進而控制進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，得到焚燒爐內介質燃燒時所需空氣量總和qm空。qm空與預先設定好的焚燒爐主風最小用風量進行比較，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，調整燃燒空氣旁路流量控制閥FV-44的閥門開度，進而控制焚燒爐出口氧氣含量，保證焚燒爐內部處于過氧燃燒。

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、二氧化硫等危險介質，泄漏的可燃性物質、有毒物質可能會發(fā)生火災、爆炸及人員中毒等嚴重后果。因此，在裝置生產過程中如果出現異常時，必須采用可靠的措施，將異常工況控制在可控范圍內。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，聯(lián)鎖關閉助燃風緊急切斷閥、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；保證爐膛壓力及溫度在正常范圍內；保證換熱器出口溫度在設計范圍內，避免后續(xù)流程的劇烈波動；防止高溫工藝氣反竄至低壓管線，或者設備損壞。為提高裝置的自動化控制程度，設計了停車狀態(tài)、開工狀態(tài)和投酸狀態(tài)三種狀態(tài)，當裝置處于停車狀態(tài)時，要求焚燒爐相關的切斷閥處于安全狀態(tài)。

2.2 長明燈緊急切斷聯(lián)鎖

當長明燈出現無火焰、燃料氣壓力過高或過低、助燃風壓力過低、緊急停爐等狀況時，聯(lián)鎖關閉長明燈緊急切斷閥，避免高溫煙氣反竄或爐膛爆炸。

2.3 主燃料氣緊急切斷聯(lián)鎖

當沒有火焰檢測信號、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，聯(lián)鎖關閉主燃料氣緊急切斷閥，避免高溫煙氣反竄或爐膛爆炸。其中，主燃料氣火焰檢測信號在爐膛溫度不小于750 ℃時不再參與聯(lián)鎖，此時爐膛溫度高于燃料氣自燃點，燃料氣進入焚燒爐爐膛后會自動燃燒。當爐膛溫度小于740 ℃時，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，聯(lián)鎖關閉酸性氣緊急切斷閥，避免高溫煙氣反竄或者酸性氣處理不完全造成尾氣超標等事故。

2.5 廢酸緊急切斷

當旁路吹掃閥未關到位、霧化空氣管線壓力過低、裝置切換到開工狀態(tài)、緊急停爐時聯(lián)鎖關閉廢酸緊急切斷閥，保證裝置安全，避免高溫煙氣反竄等事故。

安全聯(lián)鎖邏輯功能根據工藝過程需求確定[3]，廢酸再生裝置經過SIL分析，將上述的聯(lián)鎖控制方案設置在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實現。

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、長明燈點火順控、主燃料氣閥門密封性測試順控、主燃料氣自動投用順控、酸性氣閥門密封性測試順控、酸性氣自動投用順控、廢酸自動投用順控。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)行完當前順序控制程序才允許進入下一步順序控制程序。在順序控制投用時需要確保相關的聯(lián)鎖已經投用，避免出現當順控結束后聯(lián)鎖條件觸發(fā)時，無法觸發(fā)聯(lián)鎖動作。當主燃料氣自動投用順序控制未順利通過時，應及時切斷主燃料氣進料并重新開工。廢酸投用與酸性氣投用可以根據生產要求進行不同選擇。

4 結束語

焚燒爐是廢酸再生裝置的核心設備之一。經過核算，將焚燒爐內wO2控制在3%左右時，是比較經濟的水平。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、經濟運行及平穩(wěn)操作的關鍵所在，是保障廢酸再生率的根本，也是

尾氣環(huán)保達標的前提。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化控制水平，并保障了焚燒爐的安全長周期運行。