天然氣凈化廠尾氣在線還原爐燃燒控制

崔吉宏，李思，李長春，葉世貴，呂海濤，朱超

(中石化廣元天然氣凈化有限公司，四川 廣元 628400)

克勞斯硫回收反應是可逆反應，受反應溫度下化學平衡的限制，即使采用活性良好的催化劑，硫回收率也很難超過97%[1]，尾氣中φ(H2S)加φ(SO2)仍達到1%～3%，剩余的硫蒸氣和有機硫化物經過高溫灼燒后，以SO2形式排放至大氣[2]，不但造成了環境污染，同時也浪費了硫資源。中國石油煉制行業要求煉油廠必須滿足GB 31570—2015《石油煉制工業污染物排放標準》[3]，規定一般地區硫磺回收裝置尾氣排放質量濃度ρ(SO2)≤400 mg/m3，重點地區ρ(SO2)≤100 mg/m3。對于天然氣行業，陸上石油天然氣開采工業污染物排放標準還在制定中，但按照國內SO2排放的嚴苛趨勢，高含硫天然氣凈化廠內的硫回收裝置將是監管的重要對象。目前克勞斯法硫回收工藝常用的尾氣處理工藝有還原吸收尾氣處理工藝、低溫克勞斯尾氣處理工藝、催化氧化尾氣處理工藝、氨法尾氣處理工藝、堿法尾氣處理工藝等[4]。其中，荷蘭殼牌公司在20世紀70年代提出的SCOT法還原吸收尾氣處理工藝[5]，是目前工業中應用最廣泛的尾氣處理工藝，它能將總硫回收率提高到99.9%左右，在環保要求比較高的國家和地區得到了廣泛應用。高含硫天然氣凈化廠一般不含固定的還原氣源(如H2)，因此需要使用燃料氣在線欠氧燃燒產生還原性氣體，同時加熱來自硫磺單元的過程氣，為下游加氫反應提供反應的基礎[6]。所以尾氣處理單元在線還原爐的設計及使用必須采用先進合理的控制方案。

1 SCOT尾氣處理工藝流程及原理

1.1 工藝流程介紹

加氫燃燒器中主要發生次氧化燃燒，生成還原性煙氣，同時將還原性氣體與來自硫磺回收單元的克勞斯尾氣進行混合并升溫。升溫后的過程氣進入加氫反應器內進行催化轉化反應。反應后的過程氣經過冷卻器冷卻，進入急冷塔底部，與來自塔頂的急冷水逆流接觸，接觸換熱后，塔底的急冷水經泵升壓后送至急冷水空冷器及后冷器冷卻，并循環使用，同時，加氫尾氣中所含水蒸氣在急冷過程中冷凝后外排至酸水汽提單元；急冷塔塔頂的加氫尾氣則進入尾氣吸收塔，通過胺液吸收脫除尾氣中的H2S，CO2和部分有機硫等酸性氣，隨后進入尾氣焚燒爐。在焚燒爐內，尾氣與燃料氣、空氣混合燃燒，CO及H2S轉化為CO2及SO2，通過煙囪排放至大氣。

1.2 原理介紹

在線加氫爐由燃燒段和混合段構成，燃燒段發生燃料氣與空氣的次當量反應產生還原性組分H2和CO在內的高溫氣體。硫磺尾氣在混合段內與燃燒段產生的高溫氣體混合并升溫，使之達到加氫反應器入口溫度要求。為防止積碳，一般通入的空氣量為當量燃燒時空氣量的75%～95%[7]，加氫爐內次氧化反應化學反應式如式(1)～式(2)所示：

(1)

(2)

在加氫反應器內，尾氣中所含的SO2，單質硫和H2在鈷鉬催化劑的作用下，加氫還原轉化為H2S。COS和CS2在加氫反應器中主要發生水解反應，只有很少一部分被H2還原[8]，化學反應式如式(3)～式(8)所示：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

一般尾氣吸收塔內所使用的胺液主要成分為N-甲基二乙醇胺(MDEA)，該溶劑具有較高的選擇吸收能力，同時再生能耗、降解性和腐蝕性均較小[9]，是工業中目前廣泛使用的尾氣凈化脫硫溶劑。用R3N表示MDEA，因此MDEA脫硫及脫碳的主要反應如式(9)和式(10)所示：

(9)

(10)

2 在線還原爐燃燒控制方案

加氫進料燃燒爐的進料為空氣和燃料氣，主要采用比例交叉限位控制系統[10]進行控制，加氫在線燃燒爐控制方案如圖1所示。

圖1中，乘法器HU-104B的作用是將燃料氣量(FIC-104)乘以空氣/燃料氣比值控制器(HC-104)的值，計算出燃燒空氣量(FIC-103)。除法器HU-104A的作用是將FIC-103的值除以HC-104的值計算燃料氣量。根據燃料氣量計算出蒸汽量，通過比率器HU-101自動調整蒸汽流量控制FIC-101或FIC-102的設定值，選擇器HS-101的作用是選擇不同的工況。

圖1 加氫在線燃燒爐控制方案示意

2.1 空氣與燃料氣比率值確定

根據反應式(1)，氧氣與燃料氣完全燃燒時的體積比為2∶1，而空氣中氧氣質量分數w(O2)=20.9%，因此可以得出空氣與燃料氣完全燃燒時的體積比為9.57∶1。由于加氫燃燒爐內發生次氧燃燒，φ(空氣)為當量燃燒情況下所需空氣量的75%～95%，因此，加氫進料燃燒爐的空氣/燃料氣的值通常為7.18∶1～9.09∶1。在前期裝置運行過程中，均出現了加氫燃燒器振動幅度大，金屬外壁超溫現象，因此，根據混合歐拉多相流模型及標準k-ε湍流模型，利用Fluent軟件分析不同配風比下，燃燒室內部燃燒流動特性[11]，在當量燃燒情況下空氣與燃料氣體積流量比值超過8.3時，火焰會對燃燒室尾部有明顯沖擊，長期會導致防火棉失效，外表面超溫。同時，測量不同配風比下加氫燃燒器振動情況，見表1所列。

由表1可知，隨著燃燒空氣與燃料氣體積流量配風比的增加，加氫燃燒器振動情況加劇，同時，急冷水中氫離子質量分數w(H-1)也呈下降趨勢。w(H-1)偏低會造成急冷塔腐蝕，因此，綜合考慮，設定加氫進料燃燒爐的空氣/燃料氣為7.5。

表1 不同配風比時加氫燃燒器振動情況

2.2 減溫蒸汽系數確定

在正常條件下，加氫爐燃燒室內的燃燒溫度約為1 600 ℃，0.4 MPa減溫蒸汽的溫度約為143 ℃，采用化學對減溫蒸汽量進行計算。

燃燒室有效吸熱量計算如式(11)所示：

Qg=mBQyΓg

(11)

式中：Qg——燃燒室有效吸熱量，kJ；mB——燃料消耗量，kg；Qy——燃料應用極低位發熱量，kJ；Γg——燃燒室的熱效率，%。

EQ=Qg(1-T0/Tm)

(12)

式中：EQ——燃燒室水蒸氣工質所獲得的熱量，kJ；T0——燃燒室溫度，K，當環境溫度保持在1 600 ℃時，T0=1 873.15 K；Tm——水蒸氣平均吸熱溫度，K。

Γr=EQ/Bef=(QyΓg/ef)×(1-T0/Tm)

(13)

式中：Γr——燃燒室效率，%，根據加氫燃燒器相關資料得知，Γr=91.7%；ef——燃料氣的化學，kJ/kg，以龜山-吉田體系為計算基準，則甲烷的標準摩爾化學為51.88 MJ/kg。

由式(11)～式(13)可得，當1 kg燃料氣完全燃燒，燃燒室內蒸汽工質所需吸收的熱量計算公式如式(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)

由于水蒸氣的比熱容c=2.08 (kJ/kg·℃)，根據燃燒室的工況可以得知，水蒸氣在燃燒室內溫度由143 ℃升高至1 600 ℃，因此可以按式(15)計算每千克燃料氣在發生完全燃燒時所需的水蒸氣量：

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

(15)

由于143 ℃下水蒸氣的密度為2.129 kg/m3，燃料氣密度為0.77 kg/m3，因此，完全燃燒情況下，燃料氣與蒸汽的體積流量比為(15.7÷2.129)∶(1÷0.77)=5.67∶1。

3 控制方法

3.1 燃燒空氣流量控制

加氫進料燃燒爐出口的氣體溫度由TIC-201(反作用)控制，調節器的輸出同時送入燃燒空氣高選器TU-201A和燃料氣低選器TU-201B，當燃燒爐出口過程氣溫度高于TIC-201的設定值時，TIC-201的輸出減小，TU-201B將TIC-201的輸出送至乘法器HU-104B，此時，控制系統將減小FIC-103的設定值，控制FV-103閥的開度。在燃燒空氣流量減小的同時，HU-104A會根據實際的燃燒空氣量計算出所需的燃料氣量，并通過TU-201A減小燃料氣流量調節器FIC-104的設定值，直到與TIC-201的輸出相同。

3.2 燃料氣流量控制

當加氫進料燃燒爐出口氣體的溫度低于TIC-201的設定值時，TIC-201的輸出增大，增大FIC-104的設定值，從而使FV-104閥的開度增加。在燃料氣流量增大的同時，TU-201B的輸出送至HU-104B，根據實際的燃料氣量計算出所需的燃燒空氣量，增大FIC-103的給定值，增大FV-103閥的開度，直至TU-201B的輸出增加至與TIC-201的輸出相同。

當燃料氣組分變化或者硫磺回收單元生產波動時，操作人員可以通過修改HC-104數值設置燃燒空氣和燃料氣的比例設定值。生產過程中，通過氫氣含量分析儀AI-401實時監控急冷塔頂尾氣中的φ(H2)，如果AI-401上顯示φ(H2)低于2%，則應減小燃燒空氣/燃料氣比值的設定值，當φ(H2)高于2%時，則應增加燃燒空氣/燃料氣比值的設定值。

3.3 減溫蒸汽流量控制

減溫蒸汽的主要作用有兩點： 一是維持火焰溫度正常，二是抑制結焦反應發生。如果加入的蒸汽量過多，會導致燃燒爐內的燃燒火焰不穩定，甚至主火丟失而停爐跳車；同時蒸汽量過高也會導

致燃燒爐振動增大，影響爐內耐火襯里的使用壽命。若加入的減溫蒸汽量過少，則達不到保護火嘴和抑制結焦反應的作用[12]。操作人員可以通過蒸汽與燃料氣比率設定器HC-101來設置蒸氣和燃料氣的比例。

4 結束語

加氫在線燃燒爐的燃燒情況對提高硫磺回收裝置硫回收率以及尾氣排放指標有著重要影響，本文從尾氣加氫還原吸收工藝的機理出發，研究了加氫在線燃燒爐比例交叉限位控制系統。根據Fluent軟件分析的不同配風比下燃燒室內部燃燒流動特性以及加氫爐振動情況確定了加氫在線燃燒爐的燃料氣/燃燒空氣，通過化學計算了燃料氣/減溫蒸汽量。同時，討論了不同情況下，加氫在線燃燒爐配風的控制方法，保證尾氣吸收部分運行穩定、尾氣排放達標，使裝置實現平穩運行。