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)過脫酸脫水處理后，作為凈化產(chǎn)品氣進行外輸【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)大氣污染物排放標準》中的環(huán)保要求，需要進一步處理【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】通過加氫將含S組分還原成H2S,再通過胺法吸收，其S收率超過99.8%。氧化吸收工藝【6】是將硫化物氧化成SO2，然后再通過溶劑吸收，其因裝置投資較大，且副反應(yīng)相對復(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硫磺回收工藝【7】，是在S露點以下進行克勞斯反應(yīng)，其投資及操作費用高，適用于酸氣處理負荷較高的場合。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上述尾氣處理技術(shù)的對比，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，同時針對在實際應(yīng)用過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，希望能夠為同行提供可借鑒的經(jīng)驗。

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個部分，硫磺回收單元的克勞斯尾氣(SRU尾氣)通過加氫還原反應(yīng)將SO2、Sx還原為H2S，同時將COS(羰基硫)、CS2(二硫化碳)水解為H2S；經(jīng)加氫還原后的過程氣進入到尾氣吸收塔通過胺法吸收H2S；經(jīng)還原吸收后的尾氣(TGTU尾氣)進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，尾氣與補充的燃料氣及燃燒空氣(由尾爐風(fēng)機提供)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)進行燃燒并轉(zhuǎn)化為SO2，其他可燃物如烴類、H2及CO等也同時被完全氧化【12】。尾氣組成及煙氣組成見表1。離開爐膛的高溫煙氣通過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行熱交換，使之生成3.8 MPa高壓過熱蒸汽。回收熱量后的煙氣通過煙囪排入大氣。

表1 尾氣組成及煙氣組成 mol，%

經(jīng)過處理后經(jīng)煙囪排放的煙氣中SO2含量滿足GB 39728—2020要求，同時硫回收率超過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)由以下單獨控制回路構(gòu)成。整個控制系統(tǒng)的目標是采用最小的燃料氣消耗來確保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 尾氣焚燒爐過氧量控制系統(tǒng)

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

尾氣焚燒爐煙囪的過氧量AI-O2根據(jù)燃燒空氣流量FIC-2進行控制，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)煙囪的過氧量AI-O2來手動設(shè)定尾氣焚燒爐空燃比。空燃比HC-1/HC-2根據(jù)尾氣來源的不同(SRU尾氣或TGTU尾氣)進行選擇，再通過計算模塊FU-1將燃料氣的流量信號轉(zhuǎn)化為所需空氣量。通過過氧量對空燃比進行多次修訂，以保證系統(tǒng)過氧量保持在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進行控制。當尾氣焚燒爐的操作溫度高于設(shè)定溫度時，控制系統(tǒng)通過減少燃料氣流量控制FIC-1的設(shè)定；當焚燒爐操作溫度低于設(shè)定溫度時，調(diào)節(jié)步驟與上述過程相反。

3 尾氣焚燒爐實際應(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)驗少，加氫還原爐停爐相對頻繁，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，還可能造成事故擴大化，延長裝置恢復(fù)時間。

加氫還原爐停爐后，焚燒爐過氧量控制系統(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，爐溫會迅速上漲。此時若依靠尾氣焚燒爐的溫度自動控制系統(tǒng)來降低燃料氣流量以維持焚燒爐爐溫，勢必會因溫控系統(tǒng)調(diào)整不及時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，總結(jié)出應(yīng)急處置步驟：在加氫還原爐停爐后需及時手動調(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)機停車，造成硫磺回收單元停車等擴大事故。經(jīng)統(tǒng)計，2015～2016年因尾氣焚燒爐停爐造成的事故擴大化事件就有5起。

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

從焚燒爐停爐到克勞斯風(fēng)機停車，中間還有一定間隔時間。該天然氣凈化廠根據(jù)事故經(jīng)驗，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焚燒爐外，還需立刻再派人前往硫磺回收單元啟動克勞斯電驅(qū)風(fēng)機，必要時并入系統(tǒng)。通過采取該條應(yīng)急處置措施，因尾氣焚燒爐停爐而造成的事故擴大次數(shù)明顯降低。

3.2 NOx的控制

NOx為重點監(jiān)控指標，該天然氣凈化廠將NOx廠級控制指標設(shè)為≤50 mg/m3。隨著處理負荷的波動，NOx也會出現(xiàn)波動。據(jù)統(tǒng)計，該廠在開工初期NOx指標時有超標，因操作人員缺乏相關(guān)經(jīng)驗，多次在調(diào)整過程中造成焚燒爐爐膛及廢熱鍋爐汽包振動過大或過氧量嚴重降低(2%以下)等情況出現(xiàn)，嚴重時甚至導(dǎo)致焚燒爐停爐的發(fā)生。

該廠進入焚燒爐的燃燒空氣分兩股進料，分別通過一次風(fēng)閥和二次風(fēng)閥進行控制，但兩股進料無流量顯示，而NOx的調(diào)整主要通過過氧量控制系統(tǒng)調(diào)整燃燒空氣量的方式實現(xiàn)。

通過總結(jié)經(jīng)驗，得出了NOx調(diào)整的方法：

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

2) 若過氧量降低至2.2%以下時，NOx仍高于40 mg/m3或已經(jīng)超過45 mg/m3，則立即至現(xiàn)場調(diào)整焚燒爐一、二次風(fēng)閥，適當關(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)機壓力相應(yīng)開大一格二次風(fēng)門，調(diào)整后觀察5 min無異常方可繼續(xù)調(diào)整。調(diào)整過程中應(yīng)注意保持焚燒爐風(fēng)機的出口壓力及流量穩(wěn)定，同時焚燒爐爐膛及汽包不能有明顯震動。

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

4 長明燈點火槍的優(yōu)化

長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、可靠運行可確保焚燒爐能在異常熄滅后無縫對接，立即重新點火運行，是尾氣焚燒爐能長期運行的重要保障。一旦長明燈火檢熄滅就會發(fā)出警報，用于提醒操作人員立即重點長明燈。

該天然氣凈化廠采用的焚燒爐長明燈為分體式長明燈，點火和火焰檢測功能是分開的。在裝置運行過程中，曾頻繁出現(xiàn)長明燈火檢熄滅發(fā)出警報的情況，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，長明燈點火槍槍頭過燒，氧化嚴重。通過分析，最終找出其槍頭過燒氧化的原因為：1)冷卻保護氣流量較小，對槍頭冷卻作用不足；2)長明燈槍頭設(shè)計不合理，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，在長明燈與套管之間夾縫內(nèi)燃燒。

通過調(diào)研論證，采取了以下措施：1)更換為火焰檢測準確率比分體式高的一體式長明燈點火槍；2)增加冷卻保護氣的流量，將冷卻工廠風(fēng)限流孔板由2 mm孔徑(標準狀態(tài)下折算流量15 m3/h)擴大為2.8 mm孔徑(折算流量30 m3/h)；3)取消長明燈槍頭側(cè)面出氣孔。

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

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準，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。針對尾氣處理裝置實際運行過程中因異常停爐引發(fā)事故擴大化問題，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)的事故擴大化的次數(shù)。對于天然氣凈化裝置尾氣焚燒爐經(jīng)常發(fā)生的NOx超標問題和長明燈點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)運行。