電石爐尾氣凈化系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

周江明

（天能化工有限公司，新疆 石河子832000）

電石生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的尾氣，其溫度高、風(fēng)量高、熱值高且含量復(fù)雜，電石爐尾氣中最主要的成分為CO，其次為H2，另外還含有少量的N2、CH4以及一些微量的S、P和不飽和烴等。因CO的富含量（65%～90%），目前較為先進(jìn)的工藝方法是直接應(yīng)用于生產(chǎn)乙二醇。天能化工有限公司密閉式電石爐生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的爐氣異常排放造成一定的環(huán)境污染，通過(guò)對(duì)爐氣異常條件下排放的擬合進(jìn)行研究，開(kāi)發(fā)出一種可高溫下運(yùn)行的應(yīng)急排放爐氣凈化收塵裝置及配套控制系統(tǒng)。從而避免電石生產(chǎn)過(guò)程中的爐氣無(wú)組織排放，同時(shí)確保在電石生產(chǎn)異常情況下，及時(shí)停止該電石爐氣進(jìn)入爐氣輸送系統(tǒng)，確保電石爐尾氣的安全處理。

1 電石爐凈化工藝技術(shù)現(xiàn)狀

公司現(xiàn)有電石生產(chǎn)工藝存在一些條件制約，有一部分尾氣未進(jìn)入下一生產(chǎn)利用環(huán)節(jié)或熱能應(yīng)用，因產(chǎn)生量極少或因?yàn)樯a(chǎn)必要的停車(chē)而被放空，這些排放不僅對(duì)環(huán)境造成了污染，浪費(fèi)了寶貴的原料資源，同時(shí)因尾氣極易燃燒及爆炸，易產(chǎn)生安全隱患。為了處理富余的電石爐尾氣，目前一些工業(yè)電石生產(chǎn)企業(yè)的尾氣點(diǎn)火方式大多采用放散排空后利用爆竹筒引燃。因目前安全管控，爆竹筒存儲(chǔ)條件嚴(yán)格，采用爆竹筒引燃前必須先打開(kāi)控制閥門(mén)進(jìn)行放散，存在較大的安全隱患，并且對(duì)環(huán)境產(chǎn)生一定的污染；還有一些企業(yè)使用點(diǎn)火裝置，但點(diǎn)火方式比較落后，采用手動(dòng)電子打火進(jìn)行尾氣的點(diǎn)火，此方式點(diǎn)火前也必須先打開(kāi)控制閥門(mén)進(jìn)行放散，同樣存在較大的安全隱患，并且也對(duì)環(huán)境產(chǎn)生一定的污染。以上兩種點(diǎn)火方式點(diǎn)火成功率較低?？刂崎y門(mén)出現(xiàn)漏氣時(shí)難以發(fā)現(xiàn)，即使在人工巡檢過(guò)程中發(fā)現(xiàn)泄漏，短期內(nèi)也難以處理，存在較大的安全隱患和環(huán)境污染壓力。

2 電石爐尾氣凈化工藝研究目標(biāo)設(shè)計(jì)

點(diǎn)火工藝是尾氣處理工藝的關(guān)鍵，而點(diǎn)火過(guò)程、方式、方法的確定對(duì)點(diǎn)火的成功至關(guān)重要，尾氣快速點(diǎn)燃與點(diǎn)火成功率是許多企業(yè)的技術(shù)攻關(guān)點(diǎn)之一。在實(shí)際生產(chǎn)中，通過(guò)對(duì)尾氣的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析來(lái)確定不同的揮發(fā)層、滲透層、吸氣與排氣狀況，并針對(duì)電石生產(chǎn)中尾氣點(diǎn)火方式的效果及安全性的問(wèn)題，技術(shù)專(zhuān)工采取了文獻(xiàn)調(diào)研、實(shí)際測(cè)試及理論分析相結(jié)合的方法，找到了不同點(diǎn)火方式下的點(diǎn)火技巧及應(yīng)對(duì)策略。采用多系統(tǒng)聯(lián)鎖安全控制裝置對(duì)尾氣進(jìn)行安全環(huán)保檢測(cè)與點(diǎn)火裝置的研究，使各層尾氣檢測(cè)達(dá)到優(yōu)選比對(duì)及實(shí)施。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)尾氣點(diǎn)火方式、方法及各種外界因素、人為干擾因素實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采樣收集，以不同系統(tǒng)應(yīng)對(duì)不同的氣體組分與含量。電點(diǎn)火與化學(xué)點(diǎn)火的方式中所要處理的氣體層也不相同，經(jīng)過(guò)實(shí)施，特別是對(duì)激發(fā)系統(tǒng)及液體密封系統(tǒng)的聯(lián)鎖設(shè)計(jì)，對(duì)于系統(tǒng)的安全檢測(cè)有著極為重要的作用。

針對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)存在的問(wèn)題，公司專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員成立專(zhuān)項(xiàng)研發(fā)小組，設(shè)計(jì)出一套工業(yè)電石爐尾氣安全控制系統(tǒng)?？梢詫?shí)時(shí)檢測(cè)操作安全，能夠智能化火焰監(jiān)測(cè)，能夠自動(dòng)點(diǎn)火與熄火，適合工業(yè)電石生產(chǎn)中尾氣的安全控制。該安全生產(chǎn)系統(tǒng)由粗氣放散、尾氣檢測(cè)、凈氣放空、流體密封、激發(fā)、燃燒、火焰檢測(cè)、DCS尾氣安全控制、現(xiàn)場(chǎng)尾氣安全控制及DCS操作系統(tǒng)組成。主要針對(duì)電石生產(chǎn)異常狀況時(shí)造成的尾氣環(huán)保問(wèn)題，在現(xiàn)有電石爐尾氣末端及中途設(shè)計(jì)并新增除塵系統(tǒng)及安全檢測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)針對(duì)溢出的尾氣，利用各樓層的煙氣特性和煙氣量，設(shè)計(jì)相應(yīng)的煙氣收集裝置。通過(guò)研究除塵器內(nèi)氣固流向的特性，設(shè)計(jì)氣流均勻分布的導(dǎo)流板以及除塵器入口風(fēng)速，使得電石爐除塵系統(tǒng)在正常運(yùn)行以及出現(xiàn)異常情況時(shí)都能高效運(yùn)行，大大改善了員工工作環(huán)境，減少了污染物排放。工業(yè)電石爐尾氣處理系統(tǒng)工藝示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 工業(yè)電石爐尾氣處理系統(tǒng)工藝示意圖

3 關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)與實(shí)施

在研究密閉電石生產(chǎn)工藝過(guò)程中，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的工藝過(guò)程分析。（1）明確了急需解決的目標(biāo)；（2）確定以DCS為主要集散控制系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)硬件及軟件采用系統(tǒng)工業(yè)化設(shè)計(jì)，增強(qiáng)系統(tǒng)的智能化特性；（3）完成系統(tǒng)的人機(jī)交互操作界面的主要操作與系統(tǒng)的區(qū)分流程；（4）建立整個(gè)系統(tǒng)的燃燒流程的步驟操作及可控界面，分析并得出仿真結(jié)論，達(dá)到安全、環(huán)?？煽?，同時(shí)確定調(diào)節(jié)器算法及所產(chǎn)生的尾氣異常排放造成環(huán)境污染的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)尾氣異常條件下排放的模擬結(jié)合及研究，開(kāi)發(fā)電石爐尾氣安全控制系統(tǒng)，可以高溫下運(yùn)行的應(yīng)急排放爐氣凈化收塵裝置及配套控制系統(tǒng)，避免電石生產(chǎn)過(guò)程中爐氣的無(wú)組織排放，在電石生產(chǎn)異常情況下，及時(shí)停止該電石爐氣進(jìn)入爐氣輸送系統(tǒng)，確保電石爐氣安全輸送。生成的電石爐氣的處理效果不同，所產(chǎn)生的尾氣含量也有所不同，在靠近出口濃度較高，在此有一定的氧積聚，氧化放熱量多，而點(diǎn)火方式在各方向燃燒程度也略有不同，因此，各項(xiàng)余氣的設(shè)定與應(yīng)用處理應(yīng)對(duì)也因燃燒效果而各不相同。

3.1 控制系統(tǒng)形成閉環(huán)控制

在相關(guān)設(shè)計(jì)要點(diǎn)中，發(fā)現(xiàn)在啟動(dòng)點(diǎn)火前，首先要保證尾氣檢測(cè)系統(tǒng)的純凈及安全性，在調(diào)節(jié)好所有系統(tǒng)內(nèi)控制參數(shù)后，保證激發(fā)系統(tǒng)與燃燒系統(tǒng)的正常狀態(tài)可用，保證一定的密封狀態(tài)，當(dāng)空氣中檢測(cè)到氧氣及氫氣或一氧化碳的含量超過(guò)正常范圍值時(shí)，將迅速提示數(shù)據(jù)異常報(bào)警。在達(dá)到臨界處理安全范圍前，使所有數(shù)據(jù)在監(jiān)控范圍內(nèi)，以尾氣檢測(cè)系統(tǒng)、流體密封系統(tǒng)、激發(fā)系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、火焰檢測(cè)系統(tǒng)、DCS尾氣安全控制系統(tǒng)及現(xiàn)場(chǎng)尾氣安全控制系統(tǒng)中的自動(dòng)熄火控制系統(tǒng)與自動(dòng)點(diǎn)火控制系統(tǒng)形成閉環(huán)控制。由DCS操作人員遠(yuǎn)程監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)的諸多反應(yīng)因素，對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)采集及控制起到了指令指導(dǎo)性作用，數(shù)據(jù)輸入完成了集中控制，并使點(diǎn)火及密閉環(huán)節(jié)得以完整處理。以常規(guī)PID控制與先進(jìn)控制及算法相結(jié)合，運(yùn)用了大量邏輯控制參數(shù)，使得被控溫度、濃度及火焰參數(shù)指標(biāo)達(dá)到多變量的最佳控制，而控制性能的優(yōu)劣直接影響和改善整個(gè)系統(tǒng)的環(huán)境特性。通過(guò)優(yōu)化控制，能夠有效地解決升溫快、氣體變化異常多變、工況復(fù)雜不易控的情況，合理地解決了若干瓶頸問(wèn)題。整體系統(tǒng)通過(guò)各系統(tǒng)檢測(cè)到的參數(shù)和信號(hào)有壓力過(guò)高、系統(tǒng)過(guò)熱、污染物排放或燃燒超標(biāo)等問(wèn)題。在有效降低可燃物的同時(shí)，達(dá)到排放和能耗的要求，可以自動(dòng)、安全地進(jìn)行系統(tǒng)啟動(dòng)和停止，實(shí)現(xiàn)間歇控制與連續(xù)控制相結(jié)合，達(dá)到自適應(yīng)性，提高了環(huán)保效果和系統(tǒng)的安全性。

3.2 自動(dòng)啟動(dòng)激發(fā)系統(tǒng)

在化學(xué)點(diǎn)火過(guò)程中，會(huì)對(duì)氧化劑及催化劑有嚴(yán)格的要求。氧化劑的主要作用是加速清除還原劑。存在的若干不安全因素如泄漏、余氣未清除、化學(xué)試劑的殘留等，都可能造成不安全因素的產(chǎn)生，而電打火式點(diǎn)火相對(duì)化學(xué)點(diǎn)火而言，多了一些穩(wěn)定性，同時(shí)少了一些不利化學(xué)氣體的危害性。系統(tǒng)如果檢測(cè)到放散閥門(mén)發(fā)生泄漏或氣體檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到相關(guān)信息，系統(tǒng)都會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)激發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行點(diǎn)火，同時(shí)將各種信息反饋到DCS控制系統(tǒng)，從而產(chǎn)生一系列的報(bào)警與提示信息，啟動(dòng)聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)，可以避免因氣體泄漏引發(fā)的事故。

3.3 重要構(gòu)件的聯(lián)鎖設(shè)置

電打火的基本原理是用電子打火器與拉弧打火器之間的電弧起火原理，用瞬間的電壓使積聚的氣體產(chǎn)生電弧而點(diǎn)火成功，可以進(jìn)行熱效率的控制，達(dá)到既定的溫度與壓力，點(diǎn)火器位置更加靈活。因功率穩(wěn)定，因此輸出溫度也較恒定，打火時(shí)間可以自由選擇且預(yù)熱時(shí)間極短，取得了更好的收效，可以達(dá)到操作簡(jiǎn)便且成功率高的目的。不需要適宜的化學(xué)反應(yīng)溫度就可以達(dá)到一定的加熱點(diǎn)要求，使得被加熱空氣局部受到激發(fā)。系統(tǒng)設(shè)置有電子打火器與拉弧打火器的聯(lián)鎖設(shè)置，當(dāng)電子打火器故障，拉弧打火器自動(dòng)啟動(dòng)打火；當(dāng)拉弧打火器異常，電子打火器自動(dòng)啟動(dòng)打火。解決了以往人工采用爆竹筒引燃存在危險(xiǎn)性和手動(dòng)點(diǎn)火成功率低的問(wèn)題。激發(fā)系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)點(diǎn)火中煙氣放散對(duì)環(huán)境的污染，避免了因控制閥門(mén)泄漏引發(fā)的環(huán)境污染和安全隱患，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)激發(fā)的智能化點(diǎn)火控制。

4 實(shí)施方法及有益效果

DCS操作系統(tǒng)控制系統(tǒng)由硬件和軟件構(gòu)成，其中硬件包括現(xiàn)場(chǎng)控制站、操作站與工程師站、通訊網(wǎng)線等；軟件包括操作系統(tǒng)平臺(tái)及工業(yè)控制用的DCS/PLC組態(tài)軟件。所用工業(yè)控制硬件配置及軟件配置各有不同，集成通訊后，與上述相關(guān)設(shè)備及檢測(cè)裝置的壓力、溫度變送信號(hào)等各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)接收反饋至DCS控制系統(tǒng)，并加裝單回路控制器和輸出信號(hào)控制器，用于全程跟蹤及監(jiān)控。

在尾氣凈化系統(tǒng)工藝過(guò)程中，DCS控制系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置有尾氣安全控制系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)程序控制與匹配硬件。當(dāng)尾氣檢測(cè)系統(tǒng)中氫氣分析儀檢測(cè)氫氣濃度大于12%時(shí)，判斷電石爐進(jìn)水可能性大，需降負(fù)荷處理；檢測(cè)氫氣濃度大于15%時(shí)，對(duì)電石爐進(jìn)行降檔位生產(chǎn)；當(dāng)氧氣分析儀檢測(cè)到氧氣濃度大于0.5%，說(shuō)明電石爐生產(chǎn)系統(tǒng)漏氣，要進(jìn)行降負(fù)荷處理；當(dāng)一氧化碳分析儀檢測(cè)到一氧化碳濃度大于60%時(shí)，可以輸送至下一工序作為原料或輔料使用。在一定設(shè)定值時(shí)，可以進(jìn)行報(bào)警提示、停機(jī)或降負(fù)荷控制。此套電石爐尾氣安全控制系統(tǒng)的實(shí)施，有效地實(shí)現(xiàn)了電石爐尾氣的檢測(cè)實(shí)時(shí)記錄與安全控制，便于操作人員及時(shí)進(jìn)行監(jiān)視、判斷及控制，從根本上杜絕事故發(fā)生、優(yōu)化生產(chǎn)工序，可以廣泛用于不同工況生產(chǎn)中尾氣的檢測(cè)與安全控制裝置。

5 結(jié)語(yǔ)

電石生產(chǎn)工藝中電石爐尾氣凈化系統(tǒng)的研究與應(yīng)用、設(shè)計(jì)與實(shí)施過(guò)程中，尾氣處理效果較好地滿(mǎn)足了生產(chǎn)所需，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，同時(shí)使得尾氣處理達(dá)到98%以上，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)的閉環(huán)及穩(wěn)定控制。綜上所述，在工業(yè)電石爐尾氣安全控制系統(tǒng)中，可以較為嚴(yán)格地執(zhí)行相關(guān)檢測(cè)且較為合理地解決生產(chǎn)中存在的尾氣外溢問(wèn)題，能夠有效減少污染氣體的排放，改善現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境，對(duì)實(shí)現(xiàn)電石生產(chǎn)的節(jié)能降耗、污染減排和資源節(jié)約，提升電石產(chǎn)業(yè)技術(shù)、裝備水平，促進(jìn)電石產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和電石行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。