催化裂化裝置廢氣處理單元控制方案設(shè)計

高峰，贠瑩，戴金玲

(中國石油化工股份有限公司 大連石油化工研究院，遼寧 大連 116045)

石化企業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的揮發(fā)性有機物(VOCs)處理技術(shù)可以分為回收法和非回收法兩大類?；厥辗ǔＳ糜诮M成簡單、濃度較高且有利用價值VOCs的處理；非回收技術(shù)常用于組成復(fù)雜、濃度較低以及回收價值低的VOCs的治理[1]。熱氧化法(或熱燃燒法)是目前常用的一種非回收類的VOCs消除技術(shù)，主要有直接燃燒法和催化燃燒(氧化)法[2]。相比于直接燃燒法，催化氧化法由于反應(yīng)器中催化劑的使用，需要的反應(yīng)溫度要低很多，廣泛用于治理石化企業(yè)污水處理場等散發(fā)的廢氣[3]。催化氧化法工藝流程簡單，但要求進入反應(yīng)器的廢氣量和濃度不能劇烈波動，以避免反應(yīng)器的溫度大幅變化。中國石化大連石油化工研究院(簡稱大連院)開發(fā)的“總烴濃度均化-催化氧化”技術(shù)通過在催化氧化反應(yīng)器前設(shè)置總烴濃度均化罐，利用均化劑的“吸附-解吸”作用有效穩(wěn)定了均化罐出口的VOCs濃度[4-5]。

1 催化氧化工藝流程簡介

某石化企業(yè)采用“總烴濃度均化-催化氧化”技術(shù)處理重油催化裂化裝置的污水池池頂廢氣和罐區(qū)罐頂廢氣，處理前的廢氣組成見表1，表2所列。

表1 罐區(qū)罐頂廢氣組分的含量

表2 含油污水池池頂廢氣組分的含量

按照GB 31571—2015《石油化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定[6]，要求處理后的廢氣中ρ(苯)≤4 mg/m3，ρ(甲苯)≤15 mg/m3，ρ(二甲苯)≤20 mg/m3。催化氧化系統(tǒng)工藝流程如圖1所示，廢氣經(jīng)風(fēng)機引出后送入總烴濃度均化罐內(nèi)，在罐內(nèi)脫硫及總烴濃度均化劑的作用下，廢氣中的硫化物被脫除，同時廢氣的總烴濃度得到均化，避免了總烴濃度的劇烈波動給設(shè)施帶來的沖擊[7]。均化罐處理后的廢氣再與空氣混合，使廢氣中的總烴質(zhì)量濃度降至3 g/m3以下，滿足催化氧化反應(yīng)器的進氣濃度要求，空氣稀釋后的廢氣需要經(jīng)過過濾器脫除廢氣中的顆粒物以避免催化劑中毒[8]，然后廢氣再進入“換熱-加熱-催化氧化反應(yīng)”單元。過濾后的廢氣經(jīng)過換熱器和加熱器升溫后，達(dá)到催化氧化的反應(yīng)溫度250～450 ℃。在催化氧化反應(yīng)器中，廢氣中的有機物在催化劑的作用下，與空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，轉(zhuǎn)化成水和二氧化碳，并釋放出大量的反應(yīng)熱。通過換熱器將反應(yīng)熱回收，用于預(yù)熱進反應(yīng)器前的廢氣，換熱后的凈化氣經(jīng)排氣筒排放到大氣中。

圖1 催化氧化系統(tǒng)工藝流程示意

2 控制方案設(shè)計

“總烴濃度均化-催化氧化”裝置治理的廢氣為有毒有害物質(zhì)，對裝置的自動化程度、安全等級要求較高。該裝置采用技術(shù)成熟、性能可靠的分散控制系統(tǒng)(DCS)對裝置進行集中控制和管理[9]。裝置內(nèi)的現(xiàn)場變送器(溫度、壓力、流量等)、執(zhí)行器等信號遠(yuǎn)傳到DCS，在DCS上集中監(jiān)視、操作和控制，確保裝置安全、穩(wěn)定及長周期運行。

來自污水池和罐區(qū)的廢氣首先進入均化罐內(nèi)進行混合和濃度均化，為保證均化罐的安全運行，需要將均化罐的罐頂壓力和罐內(nèi)溫度控制在一定范圍內(nèi)。當(dāng)均化罐的罐頂壓力pT-101達(dá)到高高限2.6 kPa或罐內(nèi)溫度tT-101達(dá)到高高限80 ℃時，會觸發(fā)“總烴濃度均化-催化氧化”裝置停運。裝置停運動作：停止電加熱器，全開空氣進氣閥(TV-104)，打開廢氣放空閥(XV-101)，關(guān)閉廢氣進氣閥(XV-102)。裝置停運聯(lián)鎖邏輯如圖2所示。

圖2 催化氧化裝置停運聯(lián)鎖邏輯示意

均化罐處理后的廢氣與空氣混合后降低了廢氣中的總烴質(zhì)量濃度，混合后的氣體經(jīng)催化風(fēng)機送入催化反應(yīng)器進行氧化反應(yīng)。在該過程中，需要控制催化風(fēng)機，當(dāng)催化風(fēng)機存在運行狀態(tài)反饋且出口壓力過低(壓力低限值設(shè)為200 Pa)時，證明催化風(fēng)機運行處于失壓狀態(tài)，此時會觸發(fā)催化風(fēng)機聯(lián)鎖，同時觸發(fā)裝置停運。此外，催化風(fēng)機還設(shè)置了故障報警信號點，催化風(fēng)機故障信號產(chǎn)生時也會觸發(fā)催化風(fēng)機聯(lián)鎖及裝置停運。催化風(fēng)機聯(lián)鎖邏輯如圖3所示。

圖3 催化風(fēng)機聯(lián)鎖邏輯示意

廢氣進入廢氣過濾器前設(shè)置可燃?xì)怏w報警器，實時監(jiān)測進入反應(yīng)器的可燃?xì)怏w濃度，使其在爆炸下限以下。根據(jù)HAZOP分析以及SHBZ 06—2019《石油化工緊急停車及安全聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計導(dǎo)則》，該處設(shè)置成“三取二”高高限聯(lián)鎖，當(dāng)檢測到可燃?xì)怏w濃度不小于25%LEL(AT-101～103，三取二)時，會觸發(fā)“總烴濃度均化-催化氧化”裝置停運。

催化氧化反應(yīng)器正常運行時，為了保證反應(yīng)溫度在合適的區(qū)間內(nèi)，需要控制反應(yīng)器入口溫度及出口溫度。反應(yīng)器入口溫度tICA-103采用單回路PID調(diào)節(jié)，根據(jù)溫度調(diào)節(jié)器(TICA-103)的設(shè)定值與檢測值的偏差，經(jīng)調(diào)節(jié)器運算后改變輸出值tY-103，該輸出值送至電加熱器電氣控制柜中的調(diào)整器，使反應(yīng)器入口溫度保持穩(wěn)定。反應(yīng)器出口溫度tICA-104采用單回路調(diào)節(jié)，根據(jù)溫度調(diào)節(jié)器(TICA-104)的設(shè)定值與檢測值的偏差，經(jīng)調(diào)節(jié)器運算后改變輸出值tY-104，該輸出值送至TV-104閥，通過調(diào)節(jié)TV-104閥的開度使反應(yīng)器出口溫度保持穩(wěn)定。當(dāng)tICA-103≥480 ℃，或tICA-104≥580 ℃時，會觸發(fā)“總烴濃度均化-催化氧化”裝置停運。

電加熱器內(nèi)部設(shè)有2組過熱保護，每組分別設(shè)置溫度檢測點和故障信號點。當(dāng)溫度檢測點tT-102A/B≥500 ℃，或過熱保護發(fā)出故障信號時，會觸發(fā)“總烴濃度均化-催化氧化”裝置停運。

此外，在DCS控制畫面和現(xiàn)場操作柱分別設(shè)置手動復(fù)位按鈕，以便聯(lián)鎖程序調(diào)試。

“總烴濃度均化-催化氧化”裝置中各個聯(lián)鎖信號點在達(dá)到高高限或低低限的聯(lián)鎖值前都有高限或低限報警值，見表3所列。

表3 “總烴濃度均化-催化氧化”裝置報警值

3 開工方案設(shè)計

為了進一步提高“總烴濃度均化-催化氧化”裝置自動化程度，設(shè)計了“一鍵開工及停工”程序?！翱偀N濃度均化-催化氧化”裝置開工程序如圖4所示。

圖4 “總烴濃度均化-催化氧化”裝置開工程序示意

裝置啟動前需確保TV-104閥為開啟狀態(tài)，XV-102閥為關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)現(xiàn)場滿足裝置開工條件后，一鍵啟動“總烴濃度均化-催化氧化”程序。確認(rèn)裝置無警報后，遠(yuǎn)程啟動催化風(fēng)機，風(fēng)機頻率為f。催化風(fēng)機有遠(yuǎn)程和就地兩種狀態(tài)，當(dāng)催化風(fēng)機A處于遠(yuǎn)程、催化風(fēng)機B處于就地狀態(tài)時啟動催化風(fēng)機A；反之，啟動催化風(fēng)機B。當(dāng)催化風(fēng)機A，B都處于遠(yuǎn)程狀態(tài)，需要操作員選擇啟動催化風(fēng)機A或B；當(dāng)催化風(fēng)機A，B都處于就地狀態(tài)，畫面提示“催化風(fēng)機不具備啟動條件”，返回程序初始狀態(tài)。

遠(yuǎn)程啟動催化風(fēng)機后，當(dāng)檢測催化風(fēng)機出口壓力高于引氣壓力0.2 kPa時，且催化風(fēng)機存在運行狀態(tài)反饋時，說明催化風(fēng)機啟動成功。催化風(fēng)機平穩(wěn)運行20 min后，需要電加熱器輔助加熱，每間隔30 s啟動一組電加熱器，并將電加熱器功率調(diào)至最大，快速提高催化反應(yīng)器內(nèi)的溫度。需要注意：在程序執(zhí)行過程中，若提示“存在報警”信號，則切除開工過程，控制畫面提示“裝置存在報警”，此時需要操作員解決相關(guān)報警后方可執(zhí)行開工程序。

當(dāng)tICA-103升至100 ℃后，打開XV-102閥。電加熱器接受tICA-103后進行PID調(diào)節(jié)，TV-104閥接受tICA-104后也進行PID調(diào)節(jié)，此時裝置開工過程結(jié)束進入正常運行狀態(tài)。

4 停工方案設(shè)計

“總烴濃度均化-催化氧化”裝置停工程序啟動后，首先判斷裝置是否存在警報，若裝置存在警報，控制系統(tǒng)畫面提示“裝置存在報警”，返回程序起始處，此時無法執(zhí)行停工程序，需要先處理裝置的報警信號；若裝置無警報，則執(zhí)行以下動作：停止電加熱器，打開TV-104閥，打開XV-101閥，關(guān)閉XV-102閥。待tICA-104降到100 ℃以下，畫面提示“停工程序執(zhí)行完畢”。等到“總烴濃度均化-催化氧化”裝置降到常溫后，操作員停止催化風(fēng)機?！翱偀N濃度均化-催化氧化”裝置停工程序如圖5所示。

圖5 “總烴濃度均化-催化氧化”裝置停工程序示意

5 安全方案設(shè)計

“總烴濃度均化-催化氧化”裝置的安全方案設(shè)計，主要包括以下幾方面內(nèi)容：

1)“總烴濃度均化-催化氧化”裝置急停按鈕的設(shè)置。在該裝置內(nèi)安裝防爆現(xiàn)場操作柱，操作柱上設(shè)置現(xiàn)場急停按鈕，在DCS控制畫面上設(shè)置一鍵切斷按鈕，當(dāng)煉廠發(fā)生火災(zāi)等緊急情況時，在現(xiàn)場操作柱或DCS控制畫面上都可以一鍵切斷該裝置。

2)控制系統(tǒng)。該裝置內(nèi)的溫度變送器、流量變送器、壓力變送器、液位變送器、氣動開關(guān)閥信號、催化風(fēng)機啟停、運行狀態(tài)、遠(yuǎn)程/就地以及故障信號等都接入控制室現(xiàn)有的DCS中，實現(xiàn)該裝置的操作和控制。

3)故障安全。該裝置內(nèi)儀表采用不間斷電源交流供電方式，規(guī)格為交流220 V，20 kVA兩套獨立回路，以確保DCS的供電安全，不間斷時間為30 min。DCS的CPU，電源，通信，關(guān)鍵I/O卡件均冗余配置。

4)可燃/有毒氣體探測器的設(shè)置。在均化罐附近設(shè)置可燃?xì)怏w探測器及有毒氣體探測器檢測環(huán)境中的可燃?xì)饧坝卸練?，在廢氣過濾器前設(shè)置可燃?xì)怏w報警器檢測進入反應(yīng)器的可燃?xì)怏w濃度，可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測報警器輸出的4～20 mA 信號直接送至 DCS的獨立卡件進行報警顯示。

5)儀表防雷設(shè)計。安裝就地式電涌防護器或DCS端電涌防護器[10]用來減少雷電現(xiàn)象帶來的設(shè)備損害。

6 結(jié)束語

廢氣治理裝置作為石化企業(yè)生產(chǎn)裝置的配套環(huán)保設(shè)施，要在盡量減少人工操作頻率、降低運行成本并使裝置安全穩(wěn)定運行的同時，使廢氣達(dá)標(biāo)排放。本文所設(shè)計的控制方案實現(xiàn)了對“總烴濃度均化-催化氧化”裝置的自動控制，裝置自投用至今已穩(wěn)定運行10個月，凈化后的尾氣排放滿足環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求。