廢酸裂解爐火焰檢測信號不穩(wěn)定的原因分析及措施

趙小存，趙 燕

[中國石化長城能源化工（寧夏）有限公司，寧夏靈武750411]

在廢酸裂解裝置中，火焰檢測器對裝置的穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。火焰檢測器是熄火保護(hù)裝置的重要組成部分，配套有燃燒控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)燃燒器的點火與熄火保護(hù)，在燃燒器意外熄火時快速切斷向裂解爐供應(yīng)的可燃?xì)?，同時切斷廢硫酸進(jìn)料，并進(jìn)行聲音報警和記錄提醒，防止?fàn)t膛燃料聚集引起爆炸。

若火焰檢測信號消失，裝置聯(lián)鎖關(guān)閉所有燃?xì)猓ㄌ烊粴?、解析氣、酸性氣）和廢硫酸進(jìn)料快切閥門，并將霧化廢硫酸的壓縮空氣閥開度設(shè)置為20%，長明燈火焰保持燃燒，延時180 s后停止空氣風(fēng)機(jī)的運(yùn)行，再延時180 s后停止主鼓風(fēng)機(jī)，盡可能燃燒掉可燃?xì)怏w，用空氣置換爐膛和整個系統(tǒng)，防止可燃?xì)饩奂l(fā)生閃爆。因此，火焰檢測信號聯(lián)鎖的可靠性，對裝置的安全性與穩(wěn)定運(yùn)行起著不可替代的作用。筆者著重介紹了火焰檢測器的工作原理及影響因素，針對火焰檢測信號不穩(wěn)定的問題，分析其原因，提出了解決措施。

1 火焰檢測器的工作原理

中國石化長城能源化工（寧夏）有限公司（以下簡稱寧夏能化）廢酸裂解裝置的火焰檢測器是由科融環(huán)境提供的XHT-5 UVA-1-B-290/38型內(nèi)窺式紫外線火焰檢測器，設(shè)計和制造符合國家防爆標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定。該火焰檢測器由火焰處理器與紫外光敏探頭兩部分組成，主要用于長期連續(xù)地監(jiān)測各種輕油及燃?xì)馊紵幕鹧?，處理器與探頭間由兩芯雙絞屏蔽電纜連接。電纜線徑及長度會對火焰檢測效果產(chǎn)生影響，建議線徑不大于1.0 m2、長度不超過20 m，否則可能檢測不到火焰。探頭尾部安裝有UV光敏管，火焰發(fā)出的光信號傳至UV光敏管上，由UV光敏管完成光電轉(zhuǎn)換。

火焰檢測探頭與處理器間的信號傳輸采取電流傳輸方式，以提高抗干擾能力，并通過兩芯屏蔽電纜進(jìn)行，火焰檢測處理器將探頭傳來的信號通過匹配電路、施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路進(jìn)行處理后，進(jìn)行有無火焰的判別，并給出相應(yīng)指示及輸出。火焰檢測器工作原理見圖1。

圖1 火焰檢測器工作原理

紫外線火焰檢測器適用于氣體燃燒時燃燒強(qiáng)度高、燃料組分有較大變化后可燃物質(zhì)含量比較高的情況。紫外線火焰檢測器可以直接檢測火焰中波長為160～260 nm的紫外光，響應(yīng)速度快，但靈敏度較差，火焰檢測器表面允許最高溫度為85 ℃，檢測距離200～6 000 mm，只能用于距離較短、潔凈的封閉環(huán)境，因此存在一定的誤報率。

2 火焰檢測信號間斷性消失的影響因素

2.1 火焰檢測器安裝位置的影響

寧夏能化的廢酸裂解裝置在爐膛負(fù)壓-0.2～-0.05 kPa工況下運(yùn)行，改造前期設(shè)計的兩個火焰檢測器安裝的檢測方向與燃燒室軸線垂直，在負(fù)壓、助燃空氣風(fēng)量、燃?xì)獾挠绊懴?，火焰整體由燃燒室偏向裂解爐方向，火焰發(fā)出的紫外光偏離探頭的視角，造成火焰檢測信號頻繁消失，觸發(fā)裝置聯(lián)鎖停車。通過觀火孔觀察火焰燃燒方位，對比托普索焚燒爐火焰檢測器的安裝方向，對火焰檢測器的安裝位置進(jìn)行改造。檢測方向與燃燒室軸線的夾角調(diào)整為30°，正對火焰燃燒火蕊，即火焰總長度的三分之一處[1]，解決了燃燒火焰紫外光偏離檢測器視角的問題。

火焰檢測探頭的安裝位置及要求非?？量?，如果檢測探頭安裝的位置或角度不能滿足條件，火焰檢測器將不能準(zhǔn)確地捕捉到紫外光，進(jìn)而檢測不到火焰或檢測效果不穩(wěn)定。火焰檢測器的安裝應(yīng)注意以下幾點：

1）火焰檢測探頭應(yīng)安裝在爐壁不易結(jié)焦處。

2）火焰檢測探頭視角范圍內(nèi)的目標(biāo)火焰應(yīng)比較穩(wěn)定，在改變風(fēng)量及調(diào)節(jié)燃燒氣流量時不會造成目標(biāo)火焰脫離視角范圍。

3）在火焰檢測探頭視角范圍內(nèi)不能有妨礙檢測的物體，如爐墻、水管、筋板等物體對火焰檢測形成障礙，應(yīng)對上述物體進(jìn)行修改，并使所有修改盡可能減小對風(fēng)量的影響。

4）應(yīng)安裝在目標(biāo)火焰的上部或側(cè)面，所有視角內(nèi)應(yīng)盡可能充滿目標(biāo)火焰，同時使探頭對準(zhǔn)目標(biāo)火焰根部，盡量避開其他火焰。

2.2 裂解爐內(nèi)環(huán)境的影響

含有多種礦物元素的廢硫酸，在裂解爐內(nèi)分解成大量的SO2氣體和含有鈣、鐵、硅、磷等元素的粉塵顆粒，同時產(chǎn)生大量水蒸氣和不燃燒的惰性氣體?；鹧鏅z測器是用法蘭固定安裝在導(dǎo)管內(nèi)部，導(dǎo)管前端對著火焰高溫區(qū)域，溫度應(yīng)不高于180 ℃。

高溫會損壞火焰檢測器的處理器和檢測探頭，檢測探頭的冷卻介質(zhì)采用干燥、潔凈、常溫的壓縮空氣，入口流量應(yīng)大于等于1.5 m3/min，且連續(xù)不間斷地對火焰檢測器進(jìn)行冷卻降溫。

火焰檢測探頭位于燃燒器中，探頭與火焰間充滿燃?xì)?，若裂解爐呈正壓狀態(tài)，探頭前端可能會出現(xiàn)結(jié)焦或石英鏡片積灰。另外，燃?xì)庵泻写罅咳臃肿拥奈镔|(zhì)、雜質(zhì)和水蒸氣，極易部分或全部吸收火焰發(fā)出的紫外線，導(dǎo)致檢測不穩(wěn)定或根本檢測不到火焰。為了避免上述情況的發(fā)生，應(yīng)保證裂解爐內(nèi)部處于負(fù)壓狀態(tài)，火焰檢測器安裝導(dǎo)管入口與爐膛的壓差應(yīng)大于等于1.46 kPa，且有不間斷的新鮮壓縮空氣對檢測探頭進(jìn)行冷卻和吹掃。

2.3 可燃?xì)饨M分的影響

在低溫甲醇洗裝置中，吸收了H2S和COS的富硫甲醇，在熱再生塔中加熱再生，經(jīng)過冷卻后對產(chǎn)出的酸性氣體進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)見表1。

表1 酸性氣組分設(shè)計值和實際值 φ: %

由表1可知，有效氣體H2S的實際含量明顯低于設(shè)計值。進(jìn)氣化爐的煤漿硫含量不同，實際操作也會影響酸性氣中H2S的含量，通過對現(xiàn)場手動取樣數(shù)據(jù)的計算和分析，得出酸性氣中φ(H2S)約為20%，不燃?xì)怏wφ(N2)和φ(CO2)約為79%。低濃度H2S酸性氣不易燃燒，在惰性氣體（N2、CO2）含量比較高的情況下，可燃?xì)怏w燃燒時紫外線光波會隨機(jī)變化，波長變短，強(qiáng)度變?nèi)?，此時檢測器的信號會出現(xiàn)跳躍。在裂解爐爐膛負(fù)壓（-0.05～-0.2 kPa）的環(huán)境下，爐內(nèi)介質(zhì)會快速向爐尾移動，也會造成火焰檢測信號不穩(wěn)定。

寧夏能化的廢酸裂解裝置的裂解爐燃?xì)馐翘烊粴猓ㄖ饕煞譃镃H4）和變壓吸附置換解析氣[其中φ(H2)6%、φ(CO)93%]。為了解決火焰檢測信號不穩(wěn)定的問題，寧夏能化設(shè)計了可燃?xì)怏w進(jìn)裂解爐的多管路管線，CH4、H2和CO這三種氣體燃燒時能輻射出大量的紫外線，可以彌補(bǔ)酸性氣燃燒時紫外線輻射弱的弊端。另外，通過優(yōu)化操作，將一部分酸性氣體回流到H2S濃縮塔進(jìn)行提純，氣提分離出部分CO2，提高進(jìn)裂解爐酸性氣的H2S濃度，使燃燒更穩(wěn)定。

2.4 進(jìn)料溫度的影響

進(jìn)料溫度對裂解爐的整體溫度影響比較大，尤其是在冬天影響更為明顯。酸性氣和助燃空氣的溫度接近-10 ℃，天然氣和解析氣的溫度也在0 ℃左右，溫度太低，燃燒室燃?xì)鈬娮焯庍_(dá)不到燃燒條件，所有燃?xì)庠谶M(jìn)入高溫爐膛后才會燃燒，火焰檢測視角范圍內(nèi)無燃燒火焰，造成火焰檢測信號消失。

為了保證酸性氣和燃?xì)庠谌紵覈娮焯幠芊€(wěn)定燃燒，可采取以下措施：①控制燃燒室的爐膛溫度在1 000 ℃以上；②通過熱循環(huán)風(fēng)機(jī)將進(jìn)入燃燒室的助燃空氣溫度提升到600 ℃以上；③通過提升源頭溫度和保溫，將酸性氣的進(jìn)口溫度提高到10 ℃以上。

2.5 助燃空氣風(fēng)量的影響

燃燒室燃?xì)鈬姌尮芫€采用分布式獨立結(jié)構(gòu)設(shè)計（見圖2），使燃?xì)饬髂軌虺浞謴浬⑷肟諝饬髦小Ｈ細(xì)鈬婎^采用防風(fēng)結(jié)構(gòu)，配合旋流式穩(wěn)焰器，酸性氣噴嘴根據(jù)其壓力設(shè)計采用扇形旋渦式噴射（見圖3），酸性氣和助燃空氣逆時針旋轉(zhuǎn)，可增強(qiáng)酸性氣與空氣的混合效果，提高酸性氣的燃燒能力。裂解爐內(nèi)有三堵蓄熱墻，能夠增加物料停留時間，阻止熱能快速流失，使旋轉(zhuǎn)的混合氣和高溫裂解物料均勻地向爐尾移動，促進(jìn)燃?xì)獬浞秩紵?、廢酸裂解完全。

圖2 燃燒室燃?xì)夤芫€結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖3 裂解爐燃?xì)鈬婎^

如果助燃空氣風(fēng)量過大，燃燒室內(nèi)的火焰在超大風(fēng)量工況下不穩(wěn)定，火焰被吹離探頭檢測范圍，會致使檢測信號消失；如果助燃空氣風(fēng)量不足，燃燒室缺氧會造成可燃?xì)獠荒艹浞秩紵?，同時三原子分子物質(zhì)、雜質(zhì)和水蒸氣吸收火焰發(fā)出的紫外線，使燃燒器內(nèi)的紫外線減少，導(dǎo)致火焰檢測信號跳躍或消失，故調(diào)節(jié)好配風(fēng)比，對火焰檢測至關(guān)重要。經(jīng)生產(chǎn)實踐證明，調(diào)節(jié)燃?xì)馀c空氣體積比為1∶(10～15)[3]，助燃空氣總流量控制在3 800～5 500 m3/h（根據(jù)負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整），燃燒室閥前助燃空氣的壓力調(diào)節(jié)至1.5 kPa左右，空氣大閥開度為23%左右，有助于燃燒火焰穩(wěn)定。

3 結(jié)語

寧夏能化廢酸裂解裝置在開車初期，由于裂解爐火焰檢測信號不穩(wěn)定造成聯(lián)鎖停車不能正常投用，導(dǎo)致頻繁停車，給裝置的穩(wěn)定運(yùn)行埋下了重大隱患。該公司結(jié)合廢酸裂解裝置的運(yùn)行情況，分析

了火焰檢測器的安裝位置、裂解爐內(nèi)的環(huán)境、酸性氣成分、進(jìn)料溫度和助燃空氣風(fēng)量等因素對火焰信號穩(wěn)定性的影響，對檢測設(shè)備和操作參數(shù)不斷地進(jìn)行改進(jìn)，解決了火焰檢測信號不穩(wěn)定的問題，為裝置的平穩(wěn)運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)，也為同類型燃燒裝置的操作提供參考。