1 制酸工艺流程
魏爱国（宝钢梅山化工公司，南京210039)
彭 博 许 波 何 鸥（中冶焦耐工程技术有限公司，鞍山114002)
宝钢梅山化工公司的煤气脱硫脱氰工艺采用真空碳酸钾法，制酸工艺采用TOPSOE公司的制酸法。从真空泵来的酸性气体与空气混合，在燃烧炉内完全燃烧，炉内高温主要依靠化学反应热维持，当酸气中的硫化氢含量较低时，尚需补充少量煤气助燃。
酸性气体的主要成分是H2S、HCN、 CO2、H2O，并含有少量的氨和萘，在燃烧炉内，该酸性气体在空气中氧气过剩的条件下燃烧时，生成SO2、NOx、H2O等。燃烧后的高温过程气，经废热锅炉冷却，以生产高压饱和蒸汽的方式回收热量。冷却后的过程气进入SCR反应器，脱除其中的氮氧化物。然后进入SO2转化器。在此，将含有水汽的SO2过程气在420～450℃下催化转化为SO3。转化过程中放出的反应热通过换热器生产蒸汽。在最后转化阶段，SO3与水蒸汽反应生成气态硫酸。转化器内的催化剂采用丹麦TOPSOE公司生产的具有较高活性的湿式转化催化剂。
离开湿式转化器的过程气进入WSA冷凝器。在WSA冷凝器内，用冷空气对其进行间接冷却。冷凝的硫酸在管子中与热工艺气体逆向冷凝浓缩，流向底部。硫酸收集在有耐酸砖衬的冷凝器底部，浓度约为98%，并经板式换热器冷却到30～40℃后作为产品送入硫酸贮槽，再用泵输送到硫铵装置。尾气离开WSA冷凝器的温度约为100℃ ,直接经烟囱排入大气。气体中含SOx极少，可达到国家环保排放标准。
2 计算模块
2.1 空气风机的风量调节
焚烧酸性气体的核心部分为焚烧炉。酸性气体与空气的混合比例就显得尤为重要，空气风机采用变频控制，对风机转速的调节就成为重中之重。但由于受酸性气体、燃料气、炉膛温度等因素的影响，简单的控制方式难以满足工艺要求。为稳定自动控制，根据外方资料，在程序中加入了计算模块FY-05。
2.1.1 过量氧的计算（AY-01)
炉膛内的燃料气中过量氧的计算：
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)
常数A, B,C,D由酸性气体和燃料气的组成计算得出：
A=(3/2)δX硫化氢gsp+2(l－δ) X硫化氢gsp +(7/4) X氨gsp +(5/4) X氰化氢gsp
B =(1/2)X氢cog+ (7/2) X乙烷cog +2 X甲烷cog +(1/2) XCOcog
C=(1/2)δX硫化氢gsp +(3/4) X氨gsp +(3/4) X氰化氢gsp
D=(1 /2)X氢cog+ (3/2) X乙烷cog + X氨gsp +(1/2) XCOgsp
为了计算上述常量，正常操作情况下气流中各成分的摩尔分数由表1给出。
表1 各成分的摩尔分数
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X硫化氢gsp ＝0.6405 |
X氢cog ＝0.5644 |
X乙烷cog ＝0.0297 |
X水aa ＝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氰化氢gsp ＝0.1313 |
XCO2cog ＝0.0297 |
δ ＝0.95 |
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将表1中的常量值代入计算公式(2)和(3)得：
Fca,theo =5.703Fgsp +4.492Fcog (4)
Fflue =0.420Fgsp +0.614Fcog + Fca (5)
将(4)、(5)式代入(1)式得到正常组成比例下的供给气流：
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 助燃气体计算（FY-06)
为了保证完全燃烧，炉膛内必须保证至少过量3%摩尔分数的氧。实际生产过程中如果过量氧气低于3%，计算模块FY-06会调节进入到炉膛内的助燃气体流量，直到氧最小需要量满足要求。助燃气体量的计算方法如下：
Fca,3%＝Fca+[(3－O2excess)/(100X氧ca－3)]×Fflue (7)
其中O2excess由（1）式计算，Fflue 由（3）式计算得出。将数据代入（7)式中得出供给气流在正常混合情况下的数值。
Fca,3%＝Fca+[(3－O2excess)/17.7]×Fflue (8)
FCA需要设置1％的死区，这样是为了防止流量测量（FIC-01、 FIC-02、 FIC-03）中的波动影响FIC-03的设定值。在3％过量氧情况下生成的燃料气的量用下式计算：
Fflue，3% =0.420Fgsp +0.614Fcog + Fca，3% (9)
FY-06＝0.420 FIC-01 +0.614 FIC-02+Fca,3%
2.1.3 稀释空气计算（(FY-07/08)
FY-05也会计算稀释空气流量的需求值，来给定SO2转换器最高温度为260℃时酸的露点。稀释空气需求值作为输入送入高选择器FY-09。
（10）
式中的常数L、M、X、a和b在下面给出：
L=XV+aYX+aZ－Vb
M=ZV+V2－aYZ－bYV
a=0.023186
b=0.115207
X=X水,ca
常数Y、 Z和V由酸性气体、燃料气、助燃气、水蒸汽和脱水氨气／稀释空气的流量和比例计算，分别为：
Y=Fgsp+Fcog+Faa+1.24Fs7
V=Fgsp X硫化氢gsp
Z= Fgsp (X硫化氢gsp +3/2·X氨gsp +1/2·X氰化氢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aa+3/2·X氨aa)+1.24Fs7 X水s7+Fca X水air
FY-07/08计算稀释空气流量的需求值，来保证低于酸性气体260℃的露点后气体不会逆流，并且向FY-09发送一个信号。
2.1.4 逻辑模块（FY-09)
FY-09为逻辑模块（高选择）。它可以根据由FY-06计算出来的助燃气需求量、FY-07/08显示的稀释空气需求量、HIC-06显示的最小流量需求和炉膛温度TIC-04的输出值，取以上四个值中的最大值作为进入炉膛的助燃气流量FIC-03的设定值。FIC-03的输出值作为空气风机变频器的转速设定值。
2.2 SO2转炉气流上升过程中水蒸汽加入量的计算
一旦由WSA冷凝器排出的洁净气体中水的含量不足，SO3的浓度就会稍微降低，可能会增加酸雾。建议WSA冷凝器排出的洁净气体中水汽含量最少为2％摩尔分数。
正常操作情况下，洁净气体中水汽含量会稍稍高于要求的2%。在冬季，需要加入水蒸汽来保证WSA冷凝器排出的洁净气体中适量的水分。该模块将接收的水蒸汽实际流量作为输入量来调节加入水蒸汽的量（通过调节FIC-61的设定点）。送入SO2转炉气体的水分含量用X水,pg表示，计算方法如下：
X水,pg= (F水,pg+FS7×22.414/MWs7)/ (Fpg+FS7×22.414/MWs7) (11)
燃料气流升至水蒸汽加入点的计算方法如下：
Fpg＝Fflue+Faa （12)
F水,pg =Z （13）
将（12）和（13）式代入（11）式，求得FS7为：
FS7 ＝(MWs7/22.414)[ X水,pg (Fflue+FM)－Z）]/(1－X水,pg) （14)
求Fflue 见2.1.1节（5）式，求Z见2.1.3节。
为了保证在任何时刻由WSA冷凝器排出的洁净气体中的水含量都能满足2％的要求，水含量在通常情况下的设定值为7.22%。将第2.1.1节表1中的常数和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 脱水氨气流量计算（FY-42)
FY-42用来计算流量控制器的氨前馈设定点。流量控制器(FIC-42 )用来调节加入到SCR反应器燃料气上升流中的氨量。
FY-42根据从FY-05模块和入口NOx浓度计算而来的实际燃料气流量信号，计算氨前馈设定点，即：
F氨＝(MW氨／22.414)×INOxFflue(f/100) (16)
式中的F氨为氨流量，kg/h；f为期望的NOx转化率（正常值为90%) ; Fflue为炉膛出口燃料气流量，m 3/h; MW氨为氨的摩尔质量(17.031 kg/kmol) ; INOx为SCR反应器出口NOx、浓度，ppm 。
然而，当氨的需求量随实际载荷变化时，计算模块FY-42会根据FY-05的燃料气流量信号不断调节FIC-42的设定点。无论在燃料气流量变化还是恒定的情况下，期望的氨流量和燃料气流量的关系必须由人工加入氨来确定，直到SCR反应器出口浓度达到期望值。这些参数数据保存在计算模块FY-42中。
由于酸性气体燃烧而排放的NOx在某种程度上会随焦炉周围环境和实际情况的变化而变化，控制回路中要包含一个反馈信号来补偿上述扰动。氨前馈信号由DCS系统通过反馈控制器AIC-42修正。NOx浓度控制器AIC-42会将实际NOx出口浓度信号与NOx出口浓度期望值（AIC-42的设定点）做比较。氨用以下方式表达：
F氨＝(MW氨／22.414)×INOxFflue(f/100) Δ (17)
FIC-42=0.7598［(INOX·FY-05)·（f／100）·AIC-42输出
Δ为NOx浓度期望值与实际值之比，即：
Δ=(1－ONOx需要／INOx)/( 1－ONOx实际／INOx) （18）
反馈信号AT-42被反馈到分析控制器 AIC-42，设定点稍稍低于SCR反应器出口NOx浓度允许的最大值。每当实际测量NOx浓度时，AT-42在SCR反应器的出口值都会与反馈信号的设定点有偏差，AIC-42会相应调节FIC-42的设定点。
3 联锁保护系统
为了保证制酸系统安全稳定的生产，根据外方资料作了如下联锁保护，见图1。
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图1 联锁保护系统
图2 焚烧炉点火控制系统
图1左侧为联锁激活的条件，当条件满足时红灯亮起，提示操作员报警发生。当联锁投入按钮打在联锁投入状态时，联锁触发，联锁系统LS-1红色报警。右侧则是联锁触发的保护动作，如果红灯亮，表示保护动作已发出。当联锁条件消失后，系统仍然处于联锁触发状态，待操作员按下复位按钮后，整个系统才能重新起动。（注：每个联锁条件都有单独的联锁投人按钮，并且有操作员急停按钮，使操作员能对突发事故做出准确的判断）。
4 焚烧炉点火系统
此次焚烧炉点火系统没有采用独立的PLC单独控制，而是集中在DCS系统统一控制，见图2。首先把空气风机打到低速（防止风量过大吹灭火焰），打开氮气阀门对煤气、酸性气体管道进行吹扫。然后打开辅煤气阀门，用点火枪点火，当火焰检测器信号返回后打开主煤气阀门，炉膛温度作为主环，煤气流量作为副环，对煤气管道上的调节阀进行调节，炉膛温度稳定后，关闭煤气阀门，打开酸性气体阀门进行焚烧。当系统停止时，关闭煤气阀门，打开氮气阀门进行吹扫，以防止发生爆炸（当系统燃烧时注意空气风机以及煤气增压机的调节）。
5 结论
TOPSOE制酸工艺在梅山公司的应用是中冶焦耐与TOPSOE公司的第一次合作。在工艺消化、控制方案的掌握上都有不小的难度。在焚烧炉、废热锅炉、WSA冷却器、SO2转换器、SCR反应器等核心设备的控制中，TOPSOE的工艺流程基本实现了单元化控制，尤其是在重要的调节中都考虑了各方面因素，加入了计算模块，增加了系统运行的稳定性，提高了自动化水平。脱硫制酸装置投产提高了生产效率，增加了经济效益。目前该工艺流程控制系统运行良好，其通俗易懂的界面，简单方便的操作，以及合理可靠的控制都得到了生产操作及管理维护人员的认可。 | |
