原位測量法在裂解爐溫度和氧含量檢測中的應用

藍湖，藍先翔

(云南化工設計院有限公司，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可以產生4～6 t的H2S，由于H2S的物理和化學特性，環保部門對外排量有嚴格限制，該部分H2S一般被送入回收裝置利用；大型石油化工企業的烷基化裝置會產生大量含有雜質的廢酸(主要為硫酸)，為了減少對環境的污染，達到節能減排，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運而生。

1 裂解爐出口溫度和氧含量的測量

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

1)原位測量。即測量元件安裝于裂解爐尾部的出口管上，該點的溫度最高達1 100 ℃，采用該種方法時必須考慮高溫的因素，并采取措施避免重金屬物質對檢測元件的中毒影響。原位測量的優點是測量響應時間短，測量準確，但不足之處是由于高溫及測量介質的特性，取樣及測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、檢測元件易損、價格高、故障率高。典型的儀表如氧化鋯氧量測量裝置。

2)引出式外部測量。即把裂解爐內反應氣引出并采取除塵、降溫、除濕等預處理措施后，再送入氧分析儀檢測。引出式測量的優點是分析檢測器不容易受到高溫等條件的影響，使用壽命長，故障率低；不足之處是取樣和樣氣預處理裝置流程長，易受樣氣腐蝕、堵塞、外部空氣泄漏影響，響應時間長，準確度低，維護工作量大。該類測量方式的典型代表如磁氧式、電化學式氧量分析儀。

另外裂解爐的溫度測量熱電偶的外保護套管也易受到高溫沖擊、腐蝕等因素的影響。因此，裂解爐反應溫度，反應物氧含量現場測量儀表的選擇和安裝使用，對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生SO2，并入硫酸系統生產硫酸的工藝過程中，需要比較精確地控制裂解爐反應溫度、反應生成物中的氧含量，因為不合適的反應溫度和爐內氧含量，會使得反應物中產生不希望得到的SO3和還原S增加，而SO2產量則降低，并導致后續凈化系統堵塞等問題。

采用合適的溫度、氧量測量儀表及技術，能使H2S及廢酸回收裝置穩定運行，減少裝置意外和事故停車，也使得上游的合成氨裝置能長周期運行，達到各裝置優化運行，并確保設備和人員安全，達到節能減排，提高資源綜合利用率。

依托于某公司H2S擴能改造項目，在項目設計階段，依據專利商工藝包提出的檢測控制需求，選擇適合于該項目條件的溫度測量熱電偶和氧量分析測量儀，在工藝設備和管道上選擇合適的安裝位置，并采取適當的保護設施，使得測量數據有效、精準、可靠。DCS復雜調節系統的參數設置合適、邏輯準確，達到準確控制燃燒空氣流量和H2S流量比率的目的，減小裂解反應不合格反應物的生成。

該烷基化廢酸及合成氨排放廢氣裂解產生SO2帶控制點的工藝流程如圖1所示。

圖1 烷基化廢酸及合成氨排放廢氣裂解產生SO2帶控制點的工藝流程示意

該項目中氧含量檢測技術采用新型耐熱激型傳感器，技術領先，具有很好的社會效益和環境效益。

2 關鍵技術

1)反應溫度測量。以裂解爐出口溫度為準，除在裂解爐頭部、中部、尾部設置溫度檢測熱電偶外，在裂解爐出口管恰當位置設置三只測溫熱電偶，安裝在管道的同一剖面上夾角互為120°，實現互為熱備，并在DCS中實現“三取二”功能，防止熱電偶斷偶時測量的數據準確有效，為防止熱沖擊，保護測量元件，測量套管采用HR160航空耐高溫材質。

2)裂解爐出口氧含量測量。為保證檢測數據的有效性和準確性，采用原位測量的方法，在裂解爐出口管恰當位置設置3套耐熱激耐沖蝕型氧化鋯測量探頭。測量元件外套管采用HR160航空耐高溫材質。3套測量裝置實現互為熱備，并在DCS中實現“三取二”功能。為防止氧化鋯測量元件和保護套管受高溫氣流沖擊、堵塞等不正常情況發生，使得測量數據準確有效，在保護套管氣流迎面開45°斜開口，氣流背面開方形孔，實際需計算開口面積，氧化鋯測量儀引入空氣作比較，同時接入參比樣氣作效驗和零位調節。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連接，以減少取樣處負壓內漏空氣。

耐熱激耐沖蝕型氧化鋯測量探頭采用整體氧化鋯內管，鉑金電極封頭耐熱激型氧化鋁外管，B型熱偶；外保護套管材質為HR160，長度1 147 mm。技術參數見表1所列。

表1 氧化鎬測量探頭技術參數

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流量測量采用溫壓補償，計算數據更為準確有效。

4)空氣控制閥和H2S控制閥采用氣動高性能控制閥，電氣閥門定位器采用智能型，保證調節可靠。

3 技術特點

采用原位測量法容易滿足設計工藝參數測量的需要，能保證在設計工藝參數范圍內生產，從而改善和提高現有生產設備的生產效率和效益。

1)實測數據結果滿足精度要求，溫度及氧量測量的可靠性不小于99.9%。

2)空氣流量和H2S流量比率控制系統穩定，硫化氫/廢酸回收裝置可靠、長周期運行。

3)裝置后續凈化系統中 SO3和還原S數量明顯下降，實測φ(SO2)增加，SO2產量增加，凈化系統堵塞的情況有所減少。

4)氧含量原位測量技術穩妥可靠，當需要對某一元件及儀表進行檢查、標定、維護時，不影響設備正常的生產和運行，對合成氨裝置和硫酸生產的影響也降為最低。

從耐熱激型原位氧含量測量傳感器開始使用至今，無更換和較大的檢修，儀表達到長周期，穩定可靠運行的目的。

耐熱激耐沖蝕型氧化鋯測量系統運行1個月、2個月、6個月后，φ(O2)測量曲線如圖3～圖7所示。

圖3 運行1月后φ(O2)測量曲線示意

圖4 運行1月后φ(O2)24 h測量曲線示意

圖5 運行2個月后φ(O2)測量曲線示意

圖6 運行2個月后φ(O2)24 h測量曲線示意

圖7 運行6個月后φ(O2)測量曲線示意

4 展 望

目前國內硫磺制酸裝置中，由于氧含量測量的難度和不準確性，導致實際生產中對焚硫爐的空氣調控非常粗放，工藝控制中往往采取過氧方法，實際加大了風機的負擔和增加了風機電耗。筆者調查研究了云南省內多套硫磺制酸生產過程精確檢測和氧體積分數控制的問題，根據現有裝置工藝流程、操控要求等，發現大部分裝置采用引出式外部測量，不能保證在理想的設計工藝參數范圍內生產，從而改善和提高現有生產設備的效率和效益。而采用原位測量氧體積分數技術目前已在幾套硫磺制酸裝置中投運，實測數據結果滿足精度要求，溫度及氧體積分數測量可靠性大于等于99.9%，燃燒空氣流量和液硫量比率控制系統穩定，系統中 SO3和還原S數量明顯下降, SO2產量增加，實測φ(SO2)增加了11.5%左右，后續轉化吸收系統堵塞和腐蝕的情況也有所減少。