原位測(cè)量法在裂解爐溫度和氧含量檢測(cè)中的應(yīng)用

藍(lán)湖，藍(lán)先翔

(云南化工設(shè)計(jì)院有限公司，云南 昆明 650041)

大型煤制合成氨裝置主要采用煙煤為原料生產(chǎn)合成氨，煙煤中含有硫元素，一套500 kt/a的煤制合成氨裝置每小時(shí)可以產(chǎn)生4～6 t的H2S，由于H2S的物理和化學(xué)特性，環(huán)保部門(mén)對(duì)外排量有嚴(yán)格限制，該部分H2S一般被送入回收裝置利用；大型石油化工企業(yè)的烷基化裝置會(huì)產(chǎn)生大量含有雜質(zhì)的廢酸(主要為硫酸)，為了減少對(duì)環(huán)境的污染，達(dá)到節(jié)能減排，提高資源綜合利用率的目的，以H2S和烷基化廢酸為原料的裂解裝置應(yīng)運(yùn)而生。

1 裂解爐出口溫度和氧含量的測(cè)量

利用合成氨排放廢氣(含H2S)高溫燃燒產(chǎn)生熱量，裂解烷基化廢酸，H2S和廢酸在裂解爐內(nèi)高溫分解，生成SO2和H2O等，送入后續(xù)凈化系統(tǒng)，除去水分、稀酸、重金屬沉淀物，得到合格的SO2送入硫酸系統(tǒng)生產(chǎn)硫酸。裂解爐反應(yīng)溫度達(dá)1 060 ℃，反應(yīng)物生成物中有H2O，SO2，SO3，金屬固態(tài)顆粒等，使得溫度和氧含量的測(cè)量較為困難，特別是氧含量的測(cè)量。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于該類(lèi)裂解爐氧含量的測(cè)量采用主要采用以下兩種方式。

1)原位測(cè)量。即測(cè)量元件安裝于裂解爐尾部的出口管上，該點(diǎn)的溫度最高達(dá)1 100 ℃，采用該種方法時(shí)必須考慮高溫的因素，并采取措施避免重金屬物質(zhì)對(duì)檢測(cè)元件的中毒影響。原位測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量響應(yīng)時(shí)間短，測(cè)量準(zhǔn)確，但不足之處是由于高溫及測(cè)量介質(zhì)的特性，取樣及測(cè)量元件必須采用耐高溫的特種合金或陶瓷等非金屬材料，不耐快速溫度變化的沖擊、檢測(cè)元件易損、價(jià)格高、故障率高。典型的儀表如氧化鋯氧量測(cè)量裝置。

2)引出式外部測(cè)量。即把裂解爐內(nèi)反應(yīng)氣引出并采取除塵、降溫、除濕等預(yù)處理措施后，再送入氧分析儀檢測(cè)。引出式測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是分析檢測(cè)器不容易受到高溫等條件的影響，使用壽命長(zhǎng)，故障率低；不足之處是取樣和樣氣預(yù)處理裝置流程長(zhǎng)，易受樣氣腐蝕、堵塞、外部空氣泄漏影響，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，準(zhǔn)確度低，維護(hù)工作量大。該類(lèi)測(cè)量方式的典型代表如磁氧式、電化學(xué)式氧量分析儀。

另外裂解爐的溫度測(cè)量熱電偶的外保護(hù)套管也易受到高溫沖擊、腐蝕等因素的影響。因此，裂解爐反應(yīng)溫度，反應(yīng)物氧含量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x表的選擇和安裝使用，對(duì)裂解爐的控制就顯得尤為重要了。

利用烷基化廢酸及合成氨排放廢氣裂解產(chǎn)生SO2，并入硫酸系統(tǒng)生產(chǎn)硫酸的工藝過(guò)程中，需要比較精確地控制裂解爐反應(yīng)溫度、反應(yīng)生成物中的氧含量，因?yàn)椴缓线m的反應(yīng)溫度和爐內(nèi)氧含量，會(huì)使得反應(yīng)物中產(chǎn)生不希望得到的SO3和還原S增加，而SO2產(chǎn)量則降低，并導(dǎo)致后續(xù)凈化系統(tǒng)堵塞等問(wèn)題。

采用合適的溫度、氧量測(cè)量?jī)x表及技術(shù)，能使H2S及廢酸回收裝置穩(wěn)定運(yùn)行，減少裝置意外和事故停車(chē)，也使得上游的合成氨裝置能長(zhǎng)周期運(yùn)行，達(dá)到各裝置優(yōu)化運(yùn)行，并確保設(shè)備和人員安全，達(dá)到節(jié)能減排，提高資源綜合利用率。

依托于某公司H2S擴(kuò)能改造項(xiàng)目，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段，依據(jù)專(zhuān)利商工藝包提出的檢測(cè)控制需求，選擇適合于該項(xiàng)目條件的溫度測(cè)量熱電偶和氧量分析測(cè)量?jī)x，在工藝設(shè)備和管道上選擇合適的安裝位置，并采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)設(shè)施，使得測(cè)量數(shù)據(jù)有效、精準(zhǔn)、可靠。DCS復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置合適、邏輯準(zhǔn)確，達(dá)到準(zhǔn)確控制燃燒空氣流量和H2S流量比率的目的，減小裂解反應(yīng)不合格反應(yīng)物的生成。

該烷基化廢酸及合成氨排放廢氣裂解產(chǎn)生SO2帶控制點(diǎn)的工藝流程如圖1所示。

圖1 烷基化廢酸及合成氨排放廢氣裂解產(chǎn)生SO2帶控制點(diǎn)的工藝流程示意

該項(xiàng)目中氧含量檢測(cè)技術(shù)采用新型耐熱激型傳感器，技術(shù)領(lǐng)先，具有很好的社會(huì)效益和環(huán)境效益。

2 關(guān)鍵技術(shù)

1)反應(yīng)溫度測(cè)量。以裂解爐出口溫度為準(zhǔn)，除在裂解爐頭部、中部、尾部設(shè)置溫度檢測(cè)熱電偶外，在裂解爐出口管恰當(dāng)位置設(shè)置三只測(cè)溫?zé)犭娕?，安裝在管道的同一剖面上夾角互為120°，實(shí)現(xiàn)互為熱備，并在DCS中實(shí)現(xiàn)“三取二”功能，防止熱電偶斷偶時(shí)測(cè)量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確有效，為防止熱沖擊，保護(hù)測(cè)量元件，測(cè)量套管采用HR160航空耐高溫材質(zhì)。

2)裂解爐出口氧含量測(cè)量。為保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的有效性和準(zhǔn)確性，采用原位測(cè)量的方法，在裂解爐出口管恰當(dāng)位置設(shè)置3套耐熱激耐沖蝕型氧化鋯測(cè)量探頭。測(cè)量元件外套管采用HR160航空耐高溫材質(zhì)。3套測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)互為熱備，并在DCS中實(shí)現(xiàn)“三取二”功能。為防止氧化鋯測(cè)量元件和保護(hù)套管受高溫氣流沖擊、堵塞等不正常情況發(fā)生，使得測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確有效，在保護(hù)套管氣流迎面開(kāi)45°斜開(kāi)口，氣流背面開(kāi)方形孔，實(shí)際需計(jì)算開(kāi)口面積，氧化鋯測(cè)量?jī)x引入空氣作比較，同時(shí)接入?yún)⒈葮託庾餍?yàn)和零位調(diào)節(jié)。為方便氧化鋯探頭的插入和抽出檢修，將原先的“三明治”式三片法蘭連接方式改為兩片法蘭直接配對(duì)連接，以減少取樣處負(fù)壓內(nèi)漏空氣。

耐熱激耐沖蝕型氧化鋯測(cè)量探頭采用整體氧化鋯內(nèi)管，鉑金電極封頭耐熱激型氧化鋁外管，B型熱偶；外保護(hù)套管材質(zhì)為HR160，長(zhǎng)度1 147 mm。技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1所列。

表1 氧化鎬測(cè)量探頭技術(shù)參數(shù)

耐熱激耐沖蝕型氧化鋯傳感器兩片式法蘭安裝如圖2所示。

圖2 氧化鋯傳感器兩片式法蘭安裝示意

3)在DCS組態(tài)中，為保證燃燒空氣流量和H2S流量比率控制，空氣流量和H2S流量測(cè)量采用溫壓補(bǔ)償，計(jì)算數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確有效。

4)空氣控制閥和H2S控制閥采用氣動(dòng)高性能控制閥，電氣閥門(mén)定位器采用智能型，保證調(diào)節(jié)可靠。

3 技術(shù)特點(diǎn)

采用原位測(cè)量法容易滿(mǎn)足設(shè)計(jì)工藝參數(shù)測(cè)量的需要，能保證在設(shè)計(jì)工藝參數(shù)范圍內(nèi)生產(chǎn)，從而改善和提高現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)效率和效益。

1)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果滿(mǎn)足精度要求，溫度及氧量測(cè)量的可靠性不小于99.9%。

2)空氣流量和H2S流量比率控制系統(tǒng)穩(wěn)定，硫化氫/廢酸回收裝置可靠、長(zhǎng)周期運(yùn)行。

3)裝置后續(xù)凈化系統(tǒng)中 SO3和還原S數(shù)量明顯下降，實(shí)測(cè)φ(SO2)增加，SO2產(chǎn)量增加，凈化系統(tǒng)堵塞的情況有所減少。

4)氧含量原位測(cè)量技術(shù)穩(wěn)妥可靠，當(dāng)需要對(duì)某一元件及儀表進(jìn)行檢查、標(biāo)定、維護(hù)時(shí)，不影響設(shè)備正常的生產(chǎn)和運(yùn)行，對(duì)合成氨裝置和硫酸生產(chǎn)的影響也降為最低。

從耐熱激型原位氧含量測(cè)量傳感器開(kāi)始使用至今，無(wú)更換和較大的檢修，儀表達(dá)到長(zhǎng)周期，穩(wěn)定可靠運(yùn)行的目的。

耐熱激耐沖蝕型氧化鋯測(cè)量系統(tǒng)運(yùn)行1個(gè)月、2個(gè)月、6個(gè)月后，φ(O2)測(cè)量曲線(xiàn)如圖3～圖7所示。

圖3 運(yùn)行1月后φ(O2)測(cè)量曲線(xiàn)示意

圖4 運(yùn)行1月后φ(O2)24 h測(cè)量曲線(xiàn)示意

圖5 運(yùn)行2個(gè)月后φ(O2)測(cè)量曲線(xiàn)示意

圖6 運(yùn)行2個(gè)月后φ(O2)24 h測(cè)量曲線(xiàn)示意

圖7 運(yùn)行6個(gè)月后φ(O2)測(cè)量曲線(xiàn)示意

4 展 望

目前國(guó)內(nèi)硫磺制酸裝置中，由于氧含量測(cè)量的難度和不準(zhǔn)確性，導(dǎo)致實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)焚硫爐的空氣調(diào)控非常粗放，工藝控制中往往采取過(guò)氧方法，實(shí)際加大了風(fēng)機(jī)的負(fù)擔(dān)和增加了風(fēng)機(jī)電耗。筆者調(diào)查研究了云南省內(nèi)多套硫磺制酸生產(chǎn)過(guò)程精確檢測(cè)和氧體積分?jǐn)?shù)控制的問(wèn)題，根據(jù)現(xiàn)有裝置工藝流程、操控要求等，發(fā)現(xiàn)大部分裝置采用引出式外部測(cè)量，不能保證在理想的設(shè)計(jì)工藝參數(shù)范圍內(nèi)生產(chǎn)，從而改善和提高現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備的效率和效益。而采用原位測(cè)量氧體積分?jǐn)?shù)技術(shù)目前已在幾套硫磺制酸裝置中投運(yùn)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果滿(mǎn)足精度要求，溫度及氧體積分?jǐn)?shù)測(cè)量可靠性大于等于99.9%，燃燒空氣流量和液硫量比率控制系統(tǒng)穩(wěn)定，系統(tǒng)中 SO3和還原S數(shù)量明顯下降, SO2產(chǎn)量增加，實(shí)測(cè)φ(SO2)增加了11.5%左右，后續(xù)轉(zhuǎn)化吸收系統(tǒng)堵塞和腐蝕的情況也有所減少。