制酸装置的工艺与控制

林文

【摘 要】简要介绍了邯宝焦化厂焦炉煤气净化系统中制酸装置的工艺与控制流程,详细介绍了计算模块中过量氧、助燃空气、稀释空气、蒸汽及氨水配加量的计算方法.

【期刊名称】《河南化工》 【年(卷),期】2018(035)001 【总页数】4页(P33-36)

【关键词】焦炉煤气;WSA工艺;控制流程;模块计算 【作 者】林文

【作者单位】邯钢集团邯宝公司焦化厂,河北 邯郸 056002 【正文语种】中 文 【中图分类】TQ111

1 制酸工艺流程

邯宝焦化厂的煤气脱硫脱氰工艺采用真空碳酸钾法，制酸工艺采用丹麦TOPSE公司的湿式制酸法[1]。从真空泵来的酸性气体与空气混合，在燃烧炉内完全燃烧，炉内高温主要依靠化学反应热维持，当酸气中的硫化氢含量较低时，尚需补充少量煤气助燃。

酸性气体的主要成分是H2S、HCN、CO2、H2O，并含有少量的萘，在焚烧炉内，

酸性气体在氧气过剩的条件下燃烧时，生成SO2、NOx、H2O等。燃烧后的高温过程气，经废热锅炉冷却，以生产低压饱和蒸汽的方式回收热量。冷却后的过程气进入SCR反应器，脱除其中的氮氧化物。然后进入SO2转化器。在此，将含有水汽的SO2过程气在420～450 ℃下催化转化为SO3。转化过程中放出的反应热通过换热器生产蒸汽。在最后转化阶段，SO3与水蒸气反应生成气态硫酸。转化器内的催化剂采用丹麦TOPSE公司生产的具有较高活性的湿式转化催化剂。 SO2转化器出口的过程气到WSA冷凝器内进行换热[2]。在WSA冷凝器内，用冷空气对其进行间接冷却。冷凝的硫酸蒸气在管中与热工艺气体进行逆向冷凝浓缩，流向底部。硫酸收集在有耐酸砖衬的冷凝器底部，浓度约为98%，经过与板式换热器冷却后的硫酸混合冷却后，温度降低至30～40 ℃后作为产品送入硫酸储槽，再用泵输送到硫酸铵槽。尾气离开WSA冷凝器的温度约为100 ℃，直接经烟囱排入大气，气体中含SOx极少，可达到国家环保一级排放标准。 2 计算模块

2.1 空气风机的风量调节

焚烧酸性气体的核心部分为焚烧炉。酸性气体与空气的混合比例就显得尤为重要，空气风机采用变频控制，对风机转速的调节就成为重中之重。但由于受酸性气体、燃料气、炉膛温度等因素的影响，简单的控制方式难以满足工艺要求。为稳定自动控制，根据外方资料，在程序中加入了计算模块FY-05。 2.1.1 过量氧的计算(AY-01) 炉膛内的燃料气中过量氧的计算：

O2(excess)=X(O2,ca)[F(ca)-F(ca,theo)]/F(flue)×100% (1)

F(ca,theo)=1/X(O2,ca)[F(gsp)·S+F(cog)·B] (2)

F(flue)=F(gsp)·C+F(cog)·D+E(ca) (3)

式中，O2(excess)表示过量氧气含量；F(ca)表示助燃空气流量；F(ca，theo)表示理论助燃空气流量；F(gsp)表示酸性气体流量；F(cog) 表示焦炉煤气流量；F(flue) 表示炉膛出口燃料气流量；F(s7)表示水蒸气流量；F(aa)表示脱水氨气流量或稀释空气流量；F(pg)表示洁净气体流量。

常数A、B、C、D由酸性气体和燃料气的组成计算得出：

A=(3/2)δX(硫化氢gsp)+2(1-δ)X(硫化氢gsp)+(7/4)X(氨gsp)+(5/4)X(氰化氢gsp)

B=(1/2)X(氢cog)+(7/2)X(乙烷cog)+2X(甲烷cog)+(1/2)X(COcog) C=(1/2)δX(硫化氢gsp)+(3/4)X(氨gsp)+(3/4)X(氰化氢gsp) D=(1/2)X(氢cog)+(3/2)X(乙烷cog)+X(氨gsp)+(1/2)X(COgsp)

为了计算上述常量，正常操作情况下气流中各成分的物质的量分数如下：X(硫化氢gsp)=0.6405，X(氢cog)=0.5644，X(乙烷cog)=0.0297，X(水aa)=0.012 5，X(氨gsp)=0.013 4，X(氮cog)=0.049 5，X(甲烷cog)=0.257 4；X(氨

aa)=0.046 8，X(CO2gsp)=0.155 6，X(氧cog)=99×10-4；X(水cog)=0.013，X(水gsp)=0.059 2，X(COcog)=0.059 4，X(氧ca)=0.207 2，X(氰化氢gsp)=0.131 3，X(CO2cog)=0.029 7，δ=0.95。 代入计算公式(2)和(3)得：

F(ca,theo)=5.703F(gsp)+4.492F(cog) (4)

F(flue)=0.420F(gsp)+0.614F(cog)+F(ca) (5)

将(4)(5)式代入(1)式得到正常组成比例下的供给气流：

O2(excess)={[0.207 2F(ca)-5.703F(gsp)+4.492F(cog)]/[0.420F(gsp)+0.614F(cog)+F(ca)]}×100% (6)

AY-01={0.207 2[(FIC-03)-5.703(FIC-01)+4.492(FIC-02)]/[0.420(FIC-01)+0.614(FIC-02)+(FIC-03)]}×100% 2.1.2 助燃气体计算(FY-06)

为了保证完全燃烧，炉膛内必须保证至少过量3%物质的量分数的氧。实际生产过程中如果过量氧气低于3%，计算模块FY-06会调节进入到炉膛内的助燃气体流量，直到氧最小需要量满足要求。助燃气体量的计算方法如下[3]： F(ca,3%)=F(ca)+[(3-O2(excess)]/[100X(氧ca)-3]×F(flue) (7)

其中O2(excess)由(1)式计算，F(flue)由(3)式计算得出。 将数据代入(7)式中得出供给气流在正常混合情况下的数值。 F(ca,3%)=F(ca)+{[3-O2(excess)]/ 17.7}×F(flue) (8)

F(ca)需要设置1%的死区，这样是为了防止流量测量(FIC-01、 FIC-02、 FIC-03)中的波动影响FIC-03的设定值。在3%过量氧情况下生成的燃料气的量用下式计算：

F(flue，3%)=0.420F(gsp)+0.614F(cog)+F(ca，3%) (9)

FY-06=0.420(FIC-01)+0.614(FIC-02)+F(ca,3%) 2.1.3 稀释空气计算(FY-07/08)

FY-05也会计算稀释空气流量的需求值，来给定SO2转换器最高温度为260 ℃时

酸的露点。稀释空气需求值作为输入送入高选择器FY-09。 (10)

式中的常数L、M、X、a和b在下面给出： L=XV+aYX+aZ-Vb M=ZV+V2-aYZ-bYV a=0.023 186 b=0.115 207 X=X(水,ca)

常数Y、 Z和V由酸性气体、燃料气、助燃气、水蒸气和脱水氨气/稀释空气的流量和比例计算，分别为：

Y=F(gsp)+F(cog)+F(aa)+1.24F(s7) V=F(gsp)X(硫化氢gsp)

Z=F(gsp)[X(硫化氢gsp)+3/2·X(氨gsp)+1/2·X(氰化氢gsp)+X(水

gsp)]+F(cog)[4X(水cog)+2X(甲烷cog)+3X(乙烷cog)+X(水gsp)]+F(aa)[X(水aa)+3/2·X(氨aa)]+1.24F(s7)X(水s7)+F(ca)X(水air)

FY-07/08计算稀释空气流量的需求值，来保证低于酸性气体260 ℃的露点后气体不会逆流，并且向FY-09发送一个信号。 2.1.4 逻辑模块(FY-09)

FY-09为逻辑模块(高选择)。它可以根据由FY-06计算出来的助燃气需求量，FY-07/08显示的稀释空气需求量，HIC-06显示的最小流量需求和炉膛温度TIC-04的输出值，取以上4个值中的最大值作为进入炉膛的助燃气流量FIC-03的设定值。FIC-03的输出值作为空气风机变频器的转速设定值。 2.2 SO2转炉气流上升过程中水蒸气加入量计算

一旦由WSA冷凝器排出的洁净气体中水的含量不足，SO3的浓度就会稍微降低，可能会增加酸雾。建议WSA冷凝器排出的洁净气体中水汽含量最少为2%物质的量分数。

正常操作情况下，洁净气体中水汽含量会稍稍高于要求的2%。在冬季，需要加入水蒸气来保证WSA冷凝器排出的洁净气体中适量的水分。该模块将接收的水蒸气实际流量作为输入量来调节加入水蒸气的量(通过调节FIC-61的设定点)。送入SO2转炉气体的水分含量用X(水，pg)表示，计算方法如下：

X(水,pg)= [F(水,pg)+F(S7)×22.414/MW(s7)]/[F(pg)+F(S7)×22.414/MW(s7)] (11)

燃料气流升至水蒸气加入点的计算方法如下： F(pg)=F(flue)+F(aa) (12) F(水,pg)=Z (13)

将(12)和(13)式代入(11)式，求得F(S7)为：

F(S7)=[MW(s7)/22.414]{X(水,pg)[F(flue)+F(M)]-Z}/[1-X(水,pg)] (14)

F(flue)由式(5)确定，Z由2.1.3节中计算确定。

为了保证在任何时刻由WSA冷凝器排出的洁净气体中的水含量都能满足2%的要求，水含量在通常情况下的设定值为7.22%。将第2.1.1节中的常数和X(水，pg)=0.072 2代入(14)式，解得： F(S7calc)=0.054 F(aa)+0.058 F(ca)- 0.022 F(gsp)-0.033F(cog) (15)

FIC-61=0.054[(FIC-41)+(FIC-42)+

0.058(FIC-03)-0.022(FIC-01)-0.033(FIC-02)] 2.3 脱水氨气流量计算(FY-42)

FY-42用来计算流量控制器的氨前馈设定点。流量控制器(FIC-42 )用来调节加入到SCR反应器燃料气上升流中的氨量。

FY-42根据从FY-05模块和入口NOx浓度计算而来的实际燃料气流量信号，计算氨前馈设定点，即：

F(氨)=[MW(氨)/22.414]×I(NOx)F(flue)(f/100) (16)

式中，F(氨)为氨流量，kg/h；f为期望的NOx转化率(正常值为90%)；F(flue)为炉膛出口燃料气流量，m3/h；MW(氨)为氨的摩尔质量(17.031 kg/kmol)；I(NOx)为SCR反应器出口NOx浓度，×10-6 。

然而，当氨的需求量随实际载荷变化时，计算模块FY-42会根据FY-05的燃料气流量信号不断调节FIC-42的设定点。无论在燃料气流量变化还是恒定的情况下，期望的氨流量和燃料气流量的关系必须由人工加入氨来确定，直到SCR反应器出口浓度达到期望值。这些参数数据保存在计算模块FY-42中。由于酸性气体燃烧而排放的NOx在某种程度上会随焦炉周围环境和实际情况的变化而变化，控制回路中要包含一个反馈信号来补偿上述扰动。氨前馈信号由DCS系统通过反馈控制器AIC-42修正。NOx浓度控制器AIC-42会将实际NOx出口浓度信号与NOx出口浓度期望值(AIC-42的设定点)做比较。氨用以下方式表达： F(氨)=[MW(氨)/22.414]×I(NOx)F(flue)(f/100)Δ (17)

FIC-42=0.759 8[I(NOx)·(FY-05)]·[(f/100)·(AIC-42)(输出)] Δ为NOx浓度期望值与实际值之比，即：

Δ=[1-O(NOx需要)/I(NOx)]/[1-O(NOx实际)/I(NOx)] (18)

反馈信号AT-42被反馈到分析控制器 AIC-42，设定点稍稍低于SCR反应器出口NOx浓度允许的最大值。每当实际测量NOx浓度时，AT-42在SCR反应器的出口值都会与反馈信号的设定点有偏差，AIC-42会相应调节FIC-42的设定点。 3 联锁保护系统 联锁保护系统见图1。

图1左侧为联锁激活的条件，当条件满足时红灯亮起，提示操作员报警发生。当联锁投入按钮打在联锁投入状态时，联锁触发，联锁系统LS-1红色报警。右侧则是联锁触发的保护动作，如果红灯亮，表示保护动作已发出。当联锁条件消失后，系统仍然处于联锁触发状态，待操作员按下复位按钮后，整个系统才能重新起动。每个联锁条件都有单独的联锁投人按钮，并且有操作员急停按钮，使操作员能对突发事故做出准确的判断。

我厂焚烧炉点火系统没有采用独立的PLC单独控制，而是集中在DCS系统统一控制，见图2。首先把空气风机打到低速(防止风量过大吹灭火焰)，打开氮气阀门对煤气、酸性气体管道进行吹扫。然后打开辅煤气阀门，用点火枪点火，当火焰检测器信号返回后打开主煤气阀门，炉膛温度作为主环，煤气流量作为副环，对煤气管道上的调节阀进行调节，炉膛温度稳定后，关闭点火煤气阀门，打开酸性气体阀门进行焚烧。当系统停止时，关闭煤气阀门，打开氮气阀门进行吹扫，以防止发生爆炸(当系统燃烧时注意空气风机以及煤气增压机的调节)。 图1 联锁保护系统 图2 焚烧炉点火控制系统 4 结论

TOPSE制酸工艺是河北省首套引进，在工艺消化、控制方案的掌握上都有不小的

难度。在焚烧炉、废热锅炉、WSA冷却器、SO2转换器、SCR反应器等核心设备的控制中，本工艺流程基本实现了单元化控制。在重要的调节中考虑了各方面因素，加入了计算模块，增加了系统运行的稳定性，提高了自动化水平。脱硫制酸装置投产提高了生产效率，增加了经济效益。目前该工艺流程控制系统运行良好，界面通俗易懂，操作简单方便，控制合理可靠。 参考文献：

[1] 苗澍,金淼.WSA制酸工艺技术改造[J].河北化工，2011,34(10):9-11.

[2] 郑占全.鞍钢真空碳酸钾脱硫及WSA制酸工艺生产运行实践之启迪[D].鞍山:辽宁科技大学,2014.

[3] 魏爱国,彭博,许波,等.浅谈梅山脱硫制酸的工艺与控制[J].燃料与化工,2009,40(4):40-43.