1 制酸工藝流程
魏愛國（寶鋼梅山化工公司，南京210039)
彭 博 許 波 何 鷗（中冶焦耐工程技術(shù)有限公司，鞍山114002)
寶鋼梅山化工公司的煤氣脫硫脫氰工藝采用真空碳酸鉀法，制酸工藝采用TOPSOE公司的制酸法。從真空泵來的酸性氣體與空氣混合，在燃燒爐內(nèi)完全燃燒，爐內(nèi)高溫主要依靠化學(xué)反應(yīng)熱維持，當(dāng)酸氣中的硫化氫含量較低時(shí)，尚需補(bǔ)充少量煤氣助燃。
酸性氣體的主要成分是H2S、HCN、 CO2、H2O，并含有少量的氨和萘，在燃燒爐內(nèi)，該酸性氣體在空氣中氧氣過剩的條件下燃燒時(shí)，生成SO2、NOx、H2O等。燃燒后的高溫過程氣，經(jīng)廢熱鍋爐冷卻，以生產(chǎn)高壓飽和蒸汽的方式回收熱量。冷卻后的過程氣進(jìn)入SCR反應(yīng)器，脫除其中的氮氧化物。然后進(jìn)入SO2轉(zhuǎn)化器。在此，將含有水汽的SO2過程氣在420～450℃下催化轉(zhuǎn)化為SO3。轉(zhuǎn)化過程中放出的反應(yīng)熱通過換熱器生產(chǎn)蒸汽。在最后轉(zhuǎn)化階段，SO3與水蒸汽反應(yīng)生成氣態(tài)硫酸。轉(zhuǎn)化器內(nèi)的催化劑采用丹麥TOPSOE公司生產(chǎn)的具有較高活性的濕式轉(zhuǎn)化催化劑。
離開濕式轉(zhuǎn)化器的過程氣進(jìn)入WSA冷凝器。在WSA冷凝器內(nèi)，用冷空氣對(duì)其進(jìn)行間接冷卻。冷凝的硫酸在管子中與熱工藝氣體逆向冷凝濃縮，流向底部。硫酸收集在有耐酸磚襯的冷凝器底部，濃度約為98%，并經(jīng)板式換熱器冷卻到30～40℃后作為產(chǎn)品送入硫酸貯槽，再用泵輸送到硫銨裝置。尾氣離開WSA冷凝器的溫度約為100℃ ,直接經(jīng)煙囪排入大氣。氣體中含SOx極少，可達(dá)到國家環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)。
2 計(jì)算模塊
2.1 空氣風(fēng)機(jī)的風(fēng)量調(diào)節(jié)
焚燒酸性氣體的核心部分為焚燒爐。酸性氣體與空氣的混合比例就顯得尤為重要，空氣風(fēng)機(jī)采用變頻控制，對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)就成為重中之重。但由于受酸性氣體、燃料氣、爐膛溫度等因素的影響，簡單的控制方式難以滿足工藝要求。為穩(wěn)定自動(dòng)控制，根據(jù)外方資料，在程序中加入了計(jì)算模塊FY-05。
2.1.1 過量氧的計(jì)算（AY-01)
爐膛內(nèi)的燃料氣中過量氧的計(jì)算：
O2excess＝ XO2,ca(Fca－Fca,theo)/Fflue×100% (1)
Fca,theo ＝1/ XO2,ca(Fgsp·S+Fcog·B) (2)
Fflue ＝Fgsp·C+Fcog·D+Eca (3)
常數(shù)A, B,C,D由酸性氣體和燃料氣的組成計(jì)算得出：
A=(3/2)δX硫化氫gsp+2(l－δ) X硫化氫gsp +(7/4) X氨gsp +(5/4) X氰化氫gsp
B =(1/2)X氫cog+ (7/2) X乙烷cog +2 X甲烷cog +(1/2) XCOcog
C=(1/2)δX硫化氫gsp +(3/4) X氨gsp +(3/4) X氰化氫gsp
D=(1 /2)X氫cog+ (3/2) X乙烷cog + X氨gsp +(1/2) XCOgsp
為了計(jì)算上述常量，正常操作情況下氣流中各成分的摩爾分?jǐn)?shù)由表1給出。
表1 各成分的摩爾分?jǐn)?shù)
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X硫化氫gsp ＝0.6405 |
X氫cog ＝0.5644 |
X乙烷cog ＝0.0297 |
X水a(chǎn)a ＝0.0125 |
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X氨gsp ＝0.0134 |
X氮cog ＝0.0495 |
X甲烷cog ＝0.2574 |
X氨aa ＝0.0468 |
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XCO2gsp ＝0.1556 |
X氧cog ＝99×10-4 |
X水cog ＝0.013 |
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X水gsp ＝0.0592 |
XCOcog ＝0.0594 |
X氧ca ＝0.2072 |
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X氰化氫gsp ＝0.1313 |
XCO2cog ＝0.0297 |
δ ＝0.95 |
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將表1中的常量值代入計(jì)算公式(2)和(3)得：
Fca,theo =5.703Fgsp +4.492Fcog (4)
Fflue =0.420Fgsp +0.614Fcog + Fca (5)
將(4)、(5)式代入(1)式得到正常組成比例下的供給氣流：
O2excess＝ ｛［0.2072(Fca－5.703 Fgsp+4.492 Fcog )］／（0.420 Fgsp +0.614 Fcog +Fca) ｝×100% （6）
AY-01＝｛［0.2072(FIC-03－5.703FIC-01+4.492FIC-02)］/(0.420 FIC-01 +0.614 FIC-02+FIC-03) ｝×100%
2.1.2 助燃?xì)怏w計(jì)算（FY-06)
為了保證完全燃燒，爐膛內(nèi)必須保證至少過量3%摩爾分?jǐn)?shù)的氧。實(shí)際生產(chǎn)過程中如果過量氧氣低于3%，計(jì)算模塊FY-06會(huì)調(diào)節(jié)進(jìn)入到爐膛內(nèi)的助燃?xì)怏w流量，直到氧最小需要量滿足要求。助燃?xì)怏w量的計(jì)算方法如下：
Fca,3%＝Fca+[(3－O2excess)/(100X氧ca－3)]×Fflue (7)
其中O2excess由（1）式計(jì)算，F(xiàn)flue 由（3）式計(jì)算得出。將數(shù)據(jù)代入（7)式中得出供給氣流在正?；旌锨闆r下的數(shù)值。
Fca,3%＝Fca+[(3－O2excess)/17.7]×Fflue (8)
FCA需要設(shè)置1％的死區(qū)，這樣是為了防止流量測量（FIC-01、 FIC-02、 FIC-03）中的波動(dòng)影響FIC-03的設(shè)定值。在3％過量氧情況下生成的燃料氣的量用下式計(jì)算：
Fflue，3% =0.420Fgsp +0.614Fcog + Fca，3% (9)
FY-06＝0.420 FIC-01 +0.614 FIC-02+Fca,3%
2.1.3 稀釋空氣計(jì)算（(FY-07/08)
FY-05也會(huì)計(jì)算稀釋空氣流量的需求值，來給定SO2轉(zhuǎn)換器最高溫度為260℃時(shí)酸的露點(diǎn)。稀釋空氣需求值作為輸入送入高選擇器FY-09。
（10）
式中的常數(shù)L、M、X、a和b在下面給出：
L=XV+aYX+aZ－Vb
M=ZV+V2－aYZ－bYV
a=0.023186
b=0.115207
X=X水,ca
常數(shù)Y、 Z和V由酸性氣體、燃料氣、助燃?xì)狻⑺羝兔撍睔猓♂尶諝獾牧髁亢捅壤?jì)算，分別為：
Y=Fgsp+Fcog+Faa+1.24Fs7
V=Fgsp X硫化氫gsp
Z= Fgsp (X硫化氫gsp +3/2·X氨gsp +1/2·X氰化氫gsp + X水gsp )
+Fcog(4 X水cog+2 X甲烷cog+3 X乙烷cog+ X水gsp)
+Faa(X水a(chǎn)a+3/2·X氨aa)+1.24Fs7 X水s7+Fca X水a(chǎn)ir
FY-07/08計(jì)算稀釋空氣流量的需求值，來保證低于酸性氣體260℃的露點(diǎn)后氣體不會(huì)逆流，并且向FY-09發(fā)送一個(gè)信號(hào)。
2.1.4 邏輯模塊（FY-09)
FY-09為邏輯模塊（高選擇）。它可以根據(jù)由FY-06計(jì)算出來的助燃?xì)庑枨罅?、FY-07/08顯示的稀釋空氣需求量、HIC-06顯示的最小流量需求和爐膛溫度TIC-04的輸出值，取以上四個(gè)值中的最大值作為進(jìn)入爐膛的助燃?xì)饬髁縁IC-03的設(shè)定值。FIC-03的輸出值作為空氣風(fēng)機(jī)變頻器的轉(zhuǎn)速設(shè)定值。
2.2 SO2轉(zhuǎn)爐氣流上升過程中水蒸汽加入量的計(jì)算
一旦由WSA冷凝器排出的潔凈氣體中水的含量不足，SO3的濃度就會(huì)稍微降低，可能會(huì)增加酸霧。建議WSA冷凝器排出的潔凈氣體中水汽含量最少為2％摩爾分?jǐn)?shù)。
正常操作情況下，潔凈氣體中水汽含量會(huì)稍稍高于要求的2%。在冬季，需要加入水蒸汽來保證WSA冷凝器排出的潔凈氣體中適量的水分。該模塊將接收的水蒸汽實(shí)際流量作為輸入量來調(diào)節(jié)加入水蒸汽的量（通過調(diào)節(jié)FIC-61的設(shè)定點(diǎn)）。送入SO2轉(zhuǎn)爐氣體的水分含量用X水,pg表示，計(jì)算方法如下：
X水,pg= (F水,pg+FS7×22.414/MWs7)/ (Fpg+FS7×22.414/MWs7) (11)
燃料氣流升至水蒸汽加入點(diǎn)的計(jì)算方法如下：
Fpg＝Fflue+Faa （12)
F水,pg =Z （13）
將（12）和（13）式代入（11）式，求得FS7為：
FS7 ＝(MWs7/22.414)[ X水,pg (Fflue+FM)－Z）]/(1－X水,pg) （14)
求Fflue 見2.1.1節(jié)（5）式，求Z見2.1.3節(jié)。
為了保證在任何時(shí)刻由WSA冷凝器排出的潔凈氣體中的水含量都能滿足2％的要求，水含量在通常情況下的設(shè)定值為7.22%。將第2.1.1節(jié)表1中的常數(shù)和X水,pg=0.0722代入（14）式，解得：
FS7calc=0.054 Faa +0.058 Fca －0.022 Fgsp －0.033Fcog (15)
FIC－61=0.054(FIC－41+ FIC－42)＋0.058FIC-03－0.022FIC-01－0.033FIC-02
2.3 脫水氨氣流量計(jì)算（FY-42)
FY-42用來計(jì)算流量控制器的氨前饋設(shè)定點(diǎn)。流量控制器(FIC-42 )用來調(diào)節(jié)加入到SCR反應(yīng)器燃料氣上升流中的氨量。
FY-42根據(jù)從FY-05模塊和入口NOx濃度計(jì)算而來的實(shí)際燃料氣流量信號(hào)，計(jì)算氨前饋設(shè)定點(diǎn)，即：
F氨＝(MW氨／22.414)×INOxFflue(f/100) (16)
式中的F氨為氨流量，kg/h；f為期望的NOx轉(zhuǎn)化率（正常值為90%) ; Fflue為爐膛出口燃料氣流量，m 3/h; MW氨為氨的摩爾質(zhì)量(17.031 kg/kmol) ; INOx為SCR反應(yīng)器出口NOx、濃度，ppm 。
然而，當(dāng)氨的需求量隨實(shí)際載荷變化時(shí)，計(jì)算模塊FY-42會(huì)根據(jù)FY-05的燃料氣流量信號(hào)不斷調(diào)節(jié)FIC-42的設(shè)定點(diǎn)。無論在燃料氣流量變化還是恒定的情況下，期望的氨流量和燃料氣流量的關(guān)系必須由人工加入氨來確定，直到SCR反應(yīng)器出口濃度達(dá)到期望值。這些參數(shù)數(shù)據(jù)保存在計(jì)算模塊FY-42中。
由于酸性氣體燃燒而排放的NOx在某種程度上會(huì)隨焦?fàn)t周圍環(huán)境和實(shí)際情況的變化而變化，控制回路中要包含一個(gè)反饋信號(hào)來補(bǔ)償上述擾動(dòng)。氨前饋信號(hào)由DCS系統(tǒng)通過反饋控制器AIC-42修正。NOx濃度控制器AIC-42會(huì)將實(shí)際NOx出口濃度信號(hào)與NOx出口濃度期望值（AIC-42的設(shè)定點(diǎn)）做比較。氨用以下方式表達(dá)：
F氨＝(MW氨／22.414)×INOxFflue(f/100) Δ (17)
FIC-42=0.7598［(INOX·FY-05)·（f／100）·AIC-42輸出
Δ為NOx濃度期望值與實(shí)際值之比，即：
Δ=(1－ONOx需要／INOx)/( 1－ONOx實(shí)際／INOx) （18）
反饋信號(hào)AT-42被反饋到分析控制器 AIC-42，設(shè)定點(diǎn)稍稍低于SCR反應(yīng)器出口NOx濃度允許的最大值。每當(dāng)實(shí)際測量NOx濃度時(shí)，AT-42在SCR反應(yīng)器的出口值都會(huì)與反饋信號(hào)的設(shè)定點(diǎn)有偏差，AIC-42會(huì)相應(yīng)調(diào)節(jié)FIC-42的設(shè)定點(diǎn)。
3 聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)
為了保證制酸系統(tǒng)安全穩(wěn)定的生產(chǎn)，根據(jù)外方資料作了如下聯(lián)鎖保護(hù)，見圖1。
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圖1 聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)
圖2 焚燒爐點(diǎn)火控制系統(tǒng)
圖1左側(cè)為聯(lián)鎖激活的條件，當(dāng)條件滿足時(shí)紅燈亮起，提示操作員報(bào)警發(fā)生。當(dāng)聯(lián)鎖投入按鈕打在聯(lián)鎖投入狀態(tài)時(shí)，聯(lián)鎖觸發(fā)，聯(lián)鎖系統(tǒng)LS-1紅色報(bào)警。右側(cè)則是聯(lián)鎖觸發(fā)的保護(hù)動(dòng)作，如果紅燈亮，表示保護(hù)動(dòng)作已發(fā)出。當(dāng)聯(lián)鎖條件消失后，系統(tǒng)仍然處于聯(lián)鎖觸發(fā)狀態(tài)，待操作員按下復(fù)位按鈕后，整個(gè)系統(tǒng)才能重新起動(dòng)。（注：每個(gè)聯(lián)鎖條件都有單獨(dú)的聯(lián)鎖投人按鈕，并且有操作員急停按鈕，使操作員能對(duì)突發(fā)事故做出準(zhǔn)確的判斷）。
4 焚燒爐點(diǎn)火系統(tǒng)
此次焚燒爐點(diǎn)火系統(tǒng)沒有采用獨(dú)立的PLC單獨(dú)控制，而是集中在DCS系統(tǒng)統(tǒng)一控制，見圖2。首先把空氣風(fēng)機(jī)打到低速（防止風(fēng)量過大吹滅火焰），打開氮?dú)忾y門對(duì)煤氣、酸性氣體管道進(jìn)行吹掃。然后打開輔煤氣閥門，用點(diǎn)火槍點(diǎn)火，當(dāng)火焰檢測器信號(hào)返回后打開主煤氣閥門，爐膛溫度作為主環(huán)，煤氣流量作為副環(huán)，對(duì)煤氣管道上的調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，爐膛溫度穩(wěn)定后，關(guān)閉煤氣閥門，打開酸性氣體閥門進(jìn)行焚燒。當(dāng)系統(tǒng)停止時(shí)，關(guān)閉煤氣閥門，打開氮?dú)忾y門進(jìn)行吹掃，以防止發(fā)生爆炸（當(dāng)系統(tǒng)燃燒時(shí)注意空氣風(fēng)機(jī)以及煤氣增壓機(jī)的調(diào)節(jié)）。
5 結(jié)論
TOPSOE制酸工藝在梅山公司的應(yīng)用是中冶焦耐與TOPSOE公司的第一次合作。在工藝消化、控制方案的掌握上都有不小的難度。在焚燒爐、廢熱鍋爐、WSA冷卻器、SO2轉(zhuǎn)換器、SCR反應(yīng)器等核心設(shè)備的控制中，TOPSOE的工藝流程基本實(shí)現(xiàn)了單元化控制，尤其是在重要的調(diào)節(jié)中都考慮了各方面因素，加入了計(jì)算模塊，增加了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，提高了自動(dòng)化水平。脫硫制酸裝置投產(chǎn)提高了生產(chǎn)效率，增加了經(jīng)濟(jì)效益。目前該工藝流程控制系統(tǒng)運(yùn)行良好，其通俗易懂的界面，簡單方便的操作，以及合理可靠的控制都得到了生產(chǎn)操作及管理維護(hù)人員的認(rèn)可。 | |
