李召召，陳維海，陳未來(lái)，程 蕾，顧曉強(qiáng)，蔡 成，孟祥龍

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海 201108)

石油、天然氣生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量以硫化氫為主要成分的酸性氣體，這部分酸性氣在焚燒爐過(guò)氧燃燒生成富含SO2的煙氣，然后通過(guò)干法或濕法工藝制酸[1]。這從根本上解決了石油、天然氣生產(chǎn)過(guò)程中副產(chǎn)硫化氫氣體的污染問(wèn)題，并且使硫資源得到有效利用。焚燒爐的溫度高時(shí)，要求焚燒爐的襯里耐熱性能好；焚燒爐溫度低時(shí)，二氧化硫濃度低，三氧化硫濃度高，硫酸產(chǎn)量低，因此焚燒爐溫度是反映燃燒質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。在硫化氫濃度一定時(shí)，影響爐膛和爐尾溫度的主要因素是配風(fēng)比。雙閉環(huán)比值控制以硫化氫為主參數(shù)，燃燒風(fēng)為副參數(shù)的控制方案(固定配風(fēng)比)能滿(mǎn)足硫化氫組分的濃度波動(dòng)不大時(shí)焚燒爐的控制要求。然而，煉油廠(chǎng)酸性氣硫化氫濃度通常波動(dòng)較大，其濃度通常在60%～70%范圍波動(dòng)，有時(shí)甚至低至50%或高達(dá)80%。由于進(jìn)料組份特別是H2S和CxHy變化會(huì)顯著影響焚燒爐溫度，必須及時(shí)地調(diào)整配風(fēng)比。考慮到爐尾溫度波動(dòng)范圍比爐內(nèi)小，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定，采用爐尾溫度作為主調(diào)節(jié)的第三參數(shù)，與比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成串級(jí)比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過(guò)溫度控制回路給出一個(gè)調(diào)節(jié)系數(shù)來(lái)改變配風(fēng)比。這樣既可以在H2S和CxHy濃度波動(dòng)時(shí)保證硫化氫充分燃燒，又有利于下游余熱鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行[2-4]。

本文分別使用Aspen Plus軟件和Hysys軟件建立了焚燒爐的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)模型。先通過(guò)穩(wěn)態(tài)模擬來(lái)分析不同溫度下焚燒爐出口的組分，來(lái)選擇合適的焚燒溫度，再模擬計(jì)算硫化氫濃度在50%～80%范圍變動(dòng)時(shí)，固定配風(fēng)比時(shí)焚燒爐出口溫度的變化和固定焚燒爐溫度時(shí)配風(fēng)比的變化。再通過(guò)動(dòng)態(tài)模擬來(lái)分析了H2S濃度60%～70%和CxHy濃度0%～3%劇烈波動(dòng)時(shí)焚燒爐溫度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

1 硫化氫制酸焚燒爐的穩(wěn)態(tài)模擬

圖1 用ASPEN PLUS軟件對(duì)焚燒爐建模

焚燒爐的Aspen Plus模型見(jiàn)圖1，焚燒爐模塊采用Gibbs反應(yīng)器單元進(jìn)行模擬，它作為一個(gè)基于Gibbs自由能最小化原理的反應(yīng)器，求得焚燒爐的出口組成和溫度。本文建模時(shí)選用PENG-ROB物性方法，環(huán)境溫度取25℃。焚燒爐處理酸性氣：流量2898 Nm3/h；含H2S 65%、CO221%、N210%、C2H63%，NH31%。初步設(shè)計(jì)焚燒爐內(nèi)徑φ3000 mm，長(zhǎng)度12500 mm。焚燒爐溫度通過(guò)“設(shè)計(jì)規(guī)定”來(lái)約束，通過(guò)調(diào)節(jié)空氣量使焚燒爐出口煙氣達(dá)到設(shè)定溫度。焚燒爐散熱損失通過(guò)傳熱計(jì)算，經(jīng)計(jì)算焚燒爐溫度700、800、900、1000、1100、1200、1300℃對(duì)應(yīng)的散熱損失分別為129、149、169、188、208、228、248 kW。

圖2 煙氣中SO2和SO3流量與焚燒爐溫度的關(guān)系

分別設(shè)定焚燒爐溫度為700、800、900、1000、1100、1200、1300℃，所對(duì)應(yīng)的配風(fēng)比和焚燒爐出口SO2和SO3流量見(jiàn)圖2。由圖2可以看出，隨著配風(fēng)比由18.33降至7.69，焚燒爐溫度從700℃升至1300℃。當(dāng)焚燒爐溫度從700℃升至1100℃時(shí)，煙氣中SO2流量迅速升高，SO3流量迅速降低；當(dāng)焚燒爐溫度1100℃升至1300℃，煙氣中SO2流量升高速度趨緩，SO3流量降低速度趨緩。較高的SO2流量有助于提升硫酸產(chǎn)量，因此較高的溫度是有利的，但是這對(duì)焚燒爐的設(shè)計(jì)和襯里選材提出了更高的要求。再加上焚燒爐內(nèi)溫度分布不均勻，通常焚燒爐尾部工作溫度設(shè)為1100℃，爐內(nèi)高溫區(qū)域溫度也可能達(dá)到1200℃以上。綜上，H2S焚燒爐設(shè)計(jì)時(shí)考慮將溫度控制在1100℃，此時(shí)對(duì)應(yīng)的配風(fēng)比為9.62。

若酸性氣中H2S濃度在65%附近波動(dòng)不大，H2S焚燒爐采用雙閉環(huán)比值控制(分別控制酸性氣和空氣的流量，空氣流量與酸性氣流量按比值控制)即可滿(mǎn)足需求。但是通常酸性氣中H2S濃度通常在60%～70%，有時(shí)甚至低至50%或高達(dá)80%。經(jīng)模擬計(jì)算，若維持9.62的配風(fēng)比不變，H2S濃度在50%時(shí)焚燒爐溫度為903℃，H2S濃度在80%時(shí)焚燒爐溫度為1300℃，溫度波動(dòng)較大。若維持焚燒爐溫度恒為1100℃，H2S濃度在50%時(shí)配風(fēng)比為7.30，H2S濃度在80%時(shí)配風(fēng)比為11.94。H2S焚燒爐可考慮串級(jí)比值控制方案，在比值控制的基礎(chǔ)上引入溫度控制，通過(guò)溫度控制回路給出一個(gè)介于0.5～1.5的調(diào)節(jié)系數(shù)，使焚燒爐溫度維持在1100℃。

2 硫化氫制酸焚燒爐的動(dòng)態(tài)模擬

Hysys動(dòng)態(tài)模擬引入時(shí)間變量，可以模擬壓力、溫度、液位、各相濃度等隨時(shí)間的變化。本模型用它來(lái)模擬焚燒爐的控制系統(tǒng)，如圖3所示，用Gibbs反應(yīng)器來(lái)模擬焚燒爐，物性方法選用PENG-ROB，環(huán)境溫度取25℃。焚燒爐內(nèi)徑φ3000 mm，長(zhǎng)度12500 mm，散熱損失208 kW。Compressor模塊模擬空氣風(fēng)機(jī)，VLV-101模擬酸性氣流量調(diào)節(jié)閥，VLV-102模擬空氣流量調(diào)節(jié)閥。PID(比例-積分-微分控制器)是一種反饋控制器，本模型中FIC-101用于控制酸性氣流量，設(shè)定值為2 898 Nm3/h； FIC-102用于控制空氣流量；TIC-100用于控制焚燒爐溫度，設(shè)定值為1100℃；PIC-100用于控制爐前空氣壓力4 kPag。FIC-102的設(shè)定值與FIC-101的實(shí)測(cè)值初始比值(即配風(fēng)比)設(shè)為9.62，通過(guò)溫度控制回路在計(jì)算器模塊中給出一個(gè)介于0.5～1.5的調(diào)節(jié)系數(shù)。本文通過(guò)本模型模擬兩種極端情況下(H2S濃度60%至70%之間的劇烈波動(dòng)和C2H6濃度0至3%之間的劇烈波動(dòng))焚燒爐溫度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

圖3 用HYSYS軟件對(duì)焚燒爐控制系統(tǒng)建模

圖4 H2S濃度波動(dòng)時(shí)焚燒爐溫度動(dòng)態(tài)響應(yīng)圖

由圖4可以看出，H2S濃度瞬時(shí)由65%降至60%時(shí)，焚燒爐溫度瞬時(shí)降至1045℃，然后約1 min時(shí)間恢復(fù)到1100℃；H2S濃度瞬時(shí)由60%升至70%時(shí)，焚燒爐溫度瞬時(shí)升至1206℃，然后約1 min時(shí)間恢復(fù)到1100℃；H2S濃度瞬時(shí)由70%降至60%時(shí)，焚燒爐溫度瞬時(shí)降至991℃，然后約1 min時(shí)間恢復(fù)到1100℃；H2S濃度瞬時(shí)由60%升至65%時(shí)，焚燒爐溫度瞬時(shí)升至1158℃，然后約1 min時(shí)間恢復(fù)到1100℃。

圖5 C2H6濃度波動(dòng)時(shí)焚燒爐溫度動(dòng)態(tài)響應(yīng)圖

由圖5可以看出，C2H6濃度瞬時(shí)由3%降至0時(shí)，焚燒爐溫度瞬時(shí)降至1013℃，然后約1 min時(shí)間恢復(fù)到1100℃；C2H6濃度瞬時(shí)由0升至3%時(shí)，焚燒爐溫度瞬時(shí)升至1199℃，然后約1 min時(shí)間恢復(fù)到1100℃。

3 結(jié)論

(1)通過(guò)穩(wěn)態(tài)模擬硫化氫制酸焚燒爐溫度設(shè)定為1100℃較為合理，并計(jì)算硫化氫濃度在50%～80%變化時(shí)，焚燒爐溫度1100℃不變時(shí)配風(fēng)比的變化。

(2)通過(guò)動(dòng)態(tài)模擬硫化氫制酸焚燒爐串級(jí)比值控制系統(tǒng)，模擬兩種極端情況：H2S濃度60%至70%之間的劇烈波動(dòng)，C2H6濃度0至3%之間的劇烈波動(dòng)，焚燒爐瞬時(shí)溫度低至1000℃或高達(dá)1200℃左右然后很快恢復(fù)到1100℃。

(3)通過(guò)模擬分析硫化氫制酸焚燒爐控制溫度為1100℃，并采用串級(jí)比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以有效解決酸性氣組分劇烈波動(dòng)帶來(lái)的影響。