尾氣處理工藝中尾氣焚燒爐的控制原理及應(yīng)用

朱 超

(中石化廣元天然氣凈化有限公司,四川 廣元,628400)

從地層開采出的原料天然氣經(jīng)過(guò)脫酸脫水處理后，作為凈化產(chǎn)品氣進(jìn)行外輸【1】。脫除的酸氣組分經(jīng)硫磺回收處理后，其尾氣通常不能滿足GB 39728—2020《陸上石油天然氣開采工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中的環(huán)保要求，需要進(jìn)一步處理【2】方可排放。目前常見天然氣凈化廠尾氣處理技術(shù)【3-4】主要分為4大類：還原吸收工藝、氧化吸收工藝、低溫克勞斯工藝和液相直接氧化工藝。其中還原吸收工藝【5】通過(guò)加氫將含S組分還原成H2S,再通過(guò)胺法吸收，其S收率超過(guò)99.8%。氧化吸收工藝【6】是將硫化物氧化成SO2，然后再通過(guò)溶劑吸收，其因裝置投資較大，且副反應(yīng)相對(duì)復(fù)雜，較少用于克勞斯尾氣處理。低溫克勞斯工藝又稱亞露點(diǎn)硫磺回收工藝【7】，是在S露點(diǎn)以下進(jìn)行克勞斯反應(yīng)，其投資及操作費(fèi)用高，適用于酸氣處理負(fù)荷較高的場(chǎng)合。液相直接氧化工藝【8】是在常溫低壓下，依靠螯合鐵溶液將H2S轉(zhuǎn)化成元素S，適用于小型的硫磺回收裝置。

某高含硫天然氣凈化廠通過(guò)上述尾氣處理技術(shù)的對(duì)比，結(jié)合自身克勞斯尾氣含量及處理規(guī)模，最終選擇了還原吸收的尾氣處理工藝，其流程是加氫還原+胺法吸收+尾氣焚燒。尾氣焚燒爐作為該尾氣處理工藝的重要設(shè)備，主要作用是將經(jīng)尾氣處理后的尾氣(TGTU尾氣)及裝置產(chǎn)生的廢氣中殘留的硫化物進(jìn)一步氧化成SO2，其他可燃物如烴類、H及CO等也被完全氧化，然后通過(guò)煙囪排放至大氣【9】。本文以該廠尾氣焚燒爐為例，討論其基本控制原理，同時(shí)針對(duì)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中常見的異常情況，分別給出了處置步驟、控制方法和解決措施，希望能夠?yàn)橥刑峁┛山梃b的經(jīng)驗(yàn)。

1 尾氣焚燒爐工藝原理

尾氣焚燒爐基本流程示意見圖1。

圖1 尾氣焚燒爐基本流程示意

該高含硫天然氣凈化廠尾氣處理單元包括加氫還原、溶劑吸收及尾氣焚燒3個(gè)部分，硫磺回收單元的克勞斯尾氣(SRU尾氣)通過(guò)加氫還原反應(yīng)將SO2、Sx還原為H2S，同時(shí)將COS(羰基硫)、CS2(二硫化碳)水解為H2S；經(jīng)加氫還原后的過(guò)程氣進(jìn)入到尾氣吸收塔通過(guò)胺法吸收H2S；經(jīng)還原吸收后的尾氣(TGTU尾氣)進(jìn)入到尾氣焚燒爐焚燒【10】。加氫還原的主要反應(yīng)方程式【11】如下：

SO2+3H2→H2S+2H2O
Sx+xH2→xH2S
COS+H2O→H2S+CO2
CS2+2H2O→2H2S+CO2

尾氣焚燒爐采用熱焚燒工藝，尾氣與補(bǔ)充的燃料氣及燃燒空氣(由尾爐風(fēng)機(jī)提供)在焚燒爐內(nèi)混合燃燒，爐膛溫度約為650 ℃。尾氣中殘留的H2S和其他硫化物在尾氣焚燒爐內(nèi)進(jìn)行燃燒并轉(zhuǎn)化為SO2，其他可燃物如烴類、H2及CO等也同時(shí)被完全氧化【12】。尾氣組成及煙氣組成見表1。離開爐膛的高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)尾氣焚燒爐熱量回收系統(tǒng)，與硫磺回收單元的余熱鍋爐汽包及尾氣焚燒爐的廢熱鍋爐汽包生成的高壓飽和蒸汽進(jìn)行熱交換，使之生成3.8 MPa高壓過(guò)熱蒸汽。回收熱量后的煙氣通過(guò)煙囪排入大氣。

表1 尾氣組成及煙氣組成 mol，%

經(jīng)過(guò)處理后經(jīng)煙囪排放的煙氣中SO2含量滿足GB 39728—2020要求，同時(shí)硫回收率超過(guò)99.9%。

2 尾氣焚燒爐控制原理

尾氣焚燒爐控制原理見圖2。

圖2 尾氣焚燒爐控制原理

該高含硫天然氣凈化廠尾氣焚燒爐的復(fù)雜控制系統(tǒng)由以下單獨(dú)控制回路構(gòu)成。整個(gè)控制系統(tǒng)的目標(biāo)是采用最小的燃料氣消耗來(lái)確保H2S和其他硫化物完全轉(zhuǎn)化成SO2【13】，其中，尾氣焚燒爐過(guò)氧量控制系統(tǒng)和尾氣焚燒爐溫度控制系統(tǒng)尤為重要，其控制回路見表2。

表2 尾氣焚燒爐控制回路

2.1 尾氣焚燒爐過(guò)氧量控制系統(tǒng)

該控制系統(tǒng)主要是保證足夠的過(guò)氧量以完全氧化硫化物，從而防止H2S直接排放至大氣【14】。但過(guò)高的過(guò)氧量勢(shì)必需要更多的燃料氣來(lái)保持焚燒爐溫度，會(huì)造成燃料氣的浪費(fèi)。

尾氣焚燒爐煙囪的過(guò)氧量AI-O2根據(jù)燃燒空氣流量FIC-2進(jìn)行控制，但煙囪的氧含量與空氣流量之間并非閉環(huán)控制，而是根據(jù)煙囪的過(guò)氧量AI-O2來(lái)手動(dòng)設(shè)定尾氣焚燒爐空燃比。空燃比HC-1/HC-2根據(jù)尾氣來(lái)源的不同(SRU尾氣或TGTU尾氣)進(jìn)行選擇，再通過(guò)計(jì)算模塊FU-1將燃料氣的流量信號(hào)轉(zhuǎn)化為所需空氣量。通過(guò)過(guò)氧量對(duì)空燃比進(jìn)行多次修訂，以保證系統(tǒng)過(guò)氧量保持在3%左右。

2.2 尾氣焚燒爐溫度控制系統(tǒng)

尾氣焚燒爐溫度控制系統(tǒng)的主要作用是防止尾氣焚燒爐超溫停車或溫度過(guò)低導(dǎo)致不完全氧化從而使得H2S排放至大氣【15】。

尾氣焚燒爐的操作溫度由TIC-1進(jìn)行控制。當(dāng)尾氣焚燒爐的操作溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，控制系統(tǒng)通過(guò)減少燃料氣流量控制FIC-1的設(shè)定；當(dāng)焚燒爐操作溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，調(diào)節(jié)步驟與上述過(guò)程相反。

3 尾氣焚燒爐實(shí)際應(yīng)用中的控制與切換

3.1 異常停爐的關(guān)鍵處置

3.1.1 加氫還原爐停爐的控制與緊急處置

該高含硫天然氣凈化廠投產(chǎn)初期由于操作經(jīng)驗(yàn)少，加氫還原爐停爐相對(duì)頻繁，其中僅2015～2016年因加氫還原爐停爐導(dǎo)致尾氣焚燒爐停爐的次數(shù)就多達(dá)8次。而尾氣焚燒爐停爐除造成環(huán)境污染外，還可能造成事故擴(kuò)大化，延長(zhǎng)裝置恢復(fù)時(shí)間。

加氫還原爐停爐后，焚燒爐過(guò)氧量控制系統(tǒng)TGTU尾氣切換為SRU尾氣，由于SRU尾氣中含大量H2S，在焚燒爐燃燒時(shí)，爐溫會(huì)迅速上漲。此時(shí)若依靠尾氣焚燒爐的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)降低燃料氣流量以維持焚燒爐爐溫，勢(shì)必會(huì)因溫控系統(tǒng)調(diào)整不及時(shí)而造成尾氣焚燒爐超溫。

該天然氣凈化廠根據(jù)前期操作經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出應(yīng)急處置步驟：在加氫還原爐停爐后需及時(shí)手動(dòng)調(diào)整，降低焚燒爐燃料氣流量(不低于聯(lián)鎖值)，以控制焚燒爐爐溫，避免超溫聯(lián)鎖停爐。通過(guò)采取該條應(yīng)急處置步驟，因加氫還原爐停爐導(dǎo)致焚燒爐停爐的次數(shù)明顯降低。

3.1.2 尾氣焚燒爐停爐的控制與緊急處置

尾氣焚燒爐作為尾氣處理單元的重要設(shè)備，一旦出現(xiàn)跳車，除含H2S氣體直接排放至大氣造成環(huán)境污染外，還可能導(dǎo)致硫磺回收單元克勞斯氣驅(qū)風(fēng)機(jī)停車，造成硫磺回收單元停車等擴(kuò)大事故。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2015～2016年因尾氣焚燒爐停爐造成的事故擴(kuò)大化事件就有5起。

該天然氣凈化廠將焚燒爐焚燒產(chǎn)生的熱量進(jìn)行余熱回收，產(chǎn)生3.8 MPa高壓過(guò)熱蒸汽，用于驅(qū)動(dòng)硫磺回收單元的克勞斯風(fēng)機(jī)。若出現(xiàn)焚燒爐停爐，其產(chǎn)生的余熱量大幅降低，勢(shì)必造成高壓過(guò)熱蒸汽溫度降低，而溫度的降低又將導(dǎo)致其無(wú)法正常驅(qū)動(dòng)克勞斯風(fēng)機(jī)，造成風(fēng)機(jī)停車，進(jìn)而導(dǎo)致硫磺回收單元停車，甚至還會(huì)造成其他單元停車等擴(kuò)大化事故。

從焚燒爐停爐到克勞斯風(fēng)機(jī)停車，中間還有一定間隔時(shí)間。該天然氣凈化廠根據(jù)事故經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出另一條應(yīng)急處置措施：在尾氣焚燒爐停爐后，除安排操作人員立即重點(diǎn)焚燒爐外，還需立刻再派人前往硫磺回收單元啟動(dòng)克勞斯電驅(qū)風(fēng)機(jī)，必要時(shí)并入系統(tǒng)。通過(guò)采取該條應(yīng)急處置措施，因尾氣焚燒爐停爐而造成的事故擴(kuò)大次數(shù)明顯降低。

3.2 NOx的控制

NOx為重點(diǎn)監(jiān)控指標(biāo)，該天然氣凈化廠將NOx廠級(jí)控制指標(biāo)設(shè)為≤50 mg/m3。隨著處理負(fù)荷的波動(dòng)，NOx也會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，該廠在開工初期NOx指標(biāo)時(shí)有超標(biāo)，因操作人員缺乏相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，多次在調(diào)整過(guò)程中造成焚燒爐爐膛及廢熱鍋爐汽包振動(dòng)過(guò)大或過(guò)氧量嚴(yán)重降低(2%以下)等情況出現(xiàn)，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致焚燒爐停爐的發(fā)生。

該廠進(jìn)入焚燒爐的燃燒空氣分兩股進(jìn)料，分別通過(guò)一次風(fēng)閥和二次風(fēng)閥進(jìn)行控制，但兩股進(jìn)料無(wú)流量顯示，而NOx的調(diào)整主要通過(guò)過(guò)氧量控制系統(tǒng)調(diào)整燃燒空氣量的方式實(shí)現(xiàn)。

通過(guò)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，得出了NOx調(diào)整的方法：

1) 當(dāng)NOx超過(guò)40 mg/m3時(shí)，立即通過(guò)尾氣焚燒爐過(guò)氧量控制系統(tǒng)降低氧含量，減少焚燒爐燃燒空氣，確保過(guò)氧量保持在2～4%。

2) 若過(guò)氧量降低至2.2%以下時(shí)，NOx仍高于40 mg/m3或已經(jīng)超過(guò)45 mg/m3，則立即至現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整焚燒爐一、二次風(fēng)閥，適當(dāng)關(guān)小一次風(fēng)門，開大二次風(fēng)門。每關(guān)小一格一次風(fēng)門，應(yīng)根據(jù)焚燒爐風(fēng)機(jī)壓力相應(yīng)開大一格二次風(fēng)門，調(diào)整后觀察5 min無(wú)異常方可繼續(xù)調(diào)整。調(diào)整過(guò)程中應(yīng)注意保持焚燒爐風(fēng)機(jī)的出口壓力及流量穩(wěn)定，同時(shí)焚燒爐爐膛及汽包不能有明顯震動(dòng)。

依據(jù)該NOx調(diào)整方法，該廠不僅將NOx嚴(yán)格控制在指標(biāo)范圍內(nèi)，同時(shí)也未發(fā)生爐膛及廢熱鍋爐汽包明顯振動(dòng)的情況，更未因調(diào)整NOx而造成焚燒爐停爐。

4 長(zhǎng)明燈點(diǎn)火槍的優(yōu)化

長(zhǎng)明燈作為尾氣焚燒爐的關(guān)鍵設(shè)備，正常情況下處于一直燃燒的狀態(tài)，其安全、可靠運(yùn)行可確保焚燒爐能在異常熄滅后無(wú)縫對(duì)接，立即重新點(diǎn)火運(yùn)行，是尾氣焚燒爐能長(zhǎng)期運(yùn)行的重要保障。一旦長(zhǎng)明燈火檢熄滅就會(huì)發(fā)出警報(bào)，用于提醒操作人員立即重點(diǎn)長(zhǎng)明燈。

該天然氣凈化廠采用的焚燒爐長(zhǎng)明燈為分體式長(zhǎng)明燈，點(diǎn)火和火焰檢測(cè)功能是分開的。在裝置運(yùn)行過(guò)程中，曾頻繁出現(xiàn)長(zhǎng)明燈火檢熄滅發(fā)出警報(bào)的情況，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)明燈點(diǎn)火槍槍頭過(guò)燒，氧化嚴(yán)重。通過(guò)分析，最終找出其槍頭過(guò)燒氧化的原因?yàn)椋?)冷卻保護(hù)氣流量較小，對(duì)槍頭冷卻作用不足；2)長(zhǎng)明燈槍頭設(shè)計(jì)不合理，槍頭側(cè)面設(shè)置出氣孔，導(dǎo)致側(cè)面開孔噴出的燃料氣與冷卻工廠風(fēng)接觸，在長(zhǎng)明燈與套管之間夾縫內(nèi)燃燒。

通過(guò)調(diào)研論證，采取了以下措施：1)更換為火焰檢測(cè)準(zhǔn)確率比分體式高的一體式長(zhǎng)明燈點(diǎn)火槍；2)增加冷卻保護(hù)氣的流量，將冷卻工廠風(fēng)限流孔板由2 mm孔徑(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下折算流量15 m3/h)擴(kuò)大為2.8 mm孔徑(折算流量30 m3/h)；3)取消長(zhǎng)明燈槍頭側(cè)面出氣孔。

通過(guò)采取以上措施，基本消除了尾氣焚燒爐長(zhǎng)明燈點(diǎn)火槍過(guò)燒氧化故障，大大提高了長(zhǎng)明燈點(diǎn)火槍使用壽命，確保了尾氣焚燒爐的穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)論

尾氣焚燒爐作為天然氣凈化廠尾氣處理工藝的關(guān)鍵設(shè)備，其主要作用是將尾氣中殘留的有毒有害物質(zhì)完全氧化后排放，使其滿足污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，避免大氣污染。本文以某高含硫天然氣凈化廠尾氣焚燒爐為例，介紹了其過(guò)氧量控制和溫度控制兩大回路控制系統(tǒng)及其基本控制原理。針對(duì)尾氣處理裝置實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中因異常停爐引發(fā)事故擴(kuò)大化問題，總結(jié)出了尾氣焚燒爐控制與應(yīng)急處置的關(guān)鍵步驟及原則，明顯減少了異常停爐引發(fā)的事故擴(kuò)大化的次數(shù)。對(duì)于天然氣凈化裝置尾氣焚燒爐經(jīng)常發(fā)生的NOx超標(biāo)問題和長(zhǎng)明燈點(diǎn)火槍槍頭故障的典型問題，分別給出了調(diào)整控制方法和優(yōu)化解決措施，基本消除了上述問題，確保了焚燒爐的安全平穩(wěn)運(yùn)行。