電石爐尾氣凈化系統的研究與應用

周江明

（天能化工有限公司，新疆 石河子832000）

電石生產過程中會產生大量的尾氣，其溫度高、風量高、熱值高且含量復雜，電石爐尾氣中最主要的成分為CO，其次為H2，另外還含有少量的N2、CH4以及一些微量的S、P和不飽和烴等。因CO的富含量（65%～90%），目前較為先進的工藝方法是直接應用于生產乙二醇。天能化工有限公司密閉式電石爐生產過程中產生的爐氣異常排放造成一定的環境污染，通過對爐氣異常條件下排放的擬合進行研究，開發出一種可高溫下運行的應急排放爐氣凈化收塵裝置及配套控制系統。從而避免電石生產過程中的爐氣無組織排放，同時確保在電石生產異常情況下，及時停止該電石爐氣進入爐氣輸送系統，確保電石爐尾氣的安全處理。

1 電石爐凈化工藝技術現狀

公司現有電石生產工藝存在一些條件制約，有一部分尾氣未進入下一生產利用環節或熱能應用，因產生量極少或因為生產必要的停車而被放空，這些排放不僅對環境造成了污染，浪費了寶貴的原料資源，同時因尾氣極易燃燒及爆炸，易產生安全隱患。為了處理富余的電石爐尾氣，目前一些工業電石生產企業的尾氣點火方式大多采用放散排空后利用爆竹筒引燃。因目前安全管控，爆竹筒存儲條件嚴格，采用爆竹筒引燃前必須先打開控制閥門進行放散，存在較大的安全隱患，并且對環境產生一定的污染；還有一些企業使用點火裝置，但點火方式比較落后，采用手動電子打火進行尾氣的點火，此方式點火前也必須先打開控制閥門進行放散，同樣存在較大的安全隱患，并且也對環境產生一定的污染。以上兩種點火方式點火成功率較低。控制閥門出現漏氣時難以發現，即使在人工巡檢過程中發現泄漏，短期內也難以處理，存在較大的安全隱患和環境污染壓力。

2 電石爐尾氣凈化工藝研究目標設計

點火工藝是尾氣處理工藝的關鍵，而點火過程、方式、方法的確定對點火的成功至關重要，尾氣快速點燃與點火成功率是許多企業的技術攻關點之一。在實際生產中，通過對尾氣的現場數據進行分析來確定不同的揮發層、滲透層、吸氣與排氣狀況，并針對電石生產中尾氣點火方式的效果及安全性的問題，技術專工采取了文獻調研、實際測試及理論分析相結合的方法，找到了不同點火方式下的點火技巧及應對策略。采用多系統聯鎖安全控制裝置對尾氣進行安全環保檢測與點火裝置的研究，使各層尾氣檢測達到優選比對及實施。通過現場尾氣點火方式、方法及各種外界因素、人為干擾因素實驗研究，對現場數據采樣收集，以不同系統應對不同的氣體組分與含量。電點火與化學點火的方式中所要處理的氣體層也不相同，經過實施，特別是對激發系統及液體密封系統的聯鎖設計，對于系統的安全檢測有著極為重要的作用。

針對現有生產存在的問題，公司專業技術人員成立專項研發小組，設計出一套工業電石爐尾氣安全控制系統。可以實時檢測操作安全，能夠智能化火焰監測，能夠自動點火與熄火，適合工業電石生產中尾氣的安全控制。該安全生產系統由粗氣放散、尾氣檢測、凈氣放空、流體密封、激發、燃燒、火焰檢測、DCS尾氣安全控制、現場尾氣安全控制及DCS操作系統組成。主要針對電石生產異常狀況時造成的尾氣環保問題，在現有電石爐尾氣末端及中途設計并新增除塵系統及安全檢測系統，同時針對溢出的尾氣，利用各樓層的煙氣特性和煙氣量，設計相應的煙氣收集裝置。通過研究除塵器內氣固流向的特性，設計氣流均勻分布的導流板以及除塵器入口風速，使得電石爐除塵系統在正常運行以及出現異常情況時都能高效運行，大大改善了員工工作環境，減少了污染物排放。工業電石爐尾氣處理系統工藝示意圖見圖1。

圖1 工業電石爐尾氣處理系統工藝示意圖

3 關鍵技術的設計要點與實施

在研究密閉電石生產工藝過程中，對系統進行了詳細的工藝過程分析。（1）明確了急需解決的目標；（2）確定以DCS為主要集散控制系統，整個系統硬件及軟件采用系統工業化設計，增強系統的智能化特性；（3）完成系統的人機交互操作界面的主要操作與系統的區分流程；（4）建立整個系統的燃燒流程的步驟操作及可控界面，分析并得出仿真結論，達到安全、環保可控，同時確定調節器算法及所產生的尾氣異常排放造成環境污染的問題。通過對尾氣異常條件下排放的模擬結合及研究，開發電石爐尾氣安全控制系統，可以高溫下運行的應急排放爐氣凈化收塵裝置及配套控制系統，避免電石生產過程中爐氣的無組織排放，在電石生產異常情況下，及時停止該電石爐氣進入爐氣輸送系統，確保電石爐氣安全輸送。生成的電石爐氣的處理效果不同，所產生的尾氣含量也有所不同，在靠近出口濃度較高，在此有一定的氧積聚，氧化放熱量多，而點火方式在各方向燃燒程度也略有不同，因此，各項余氣的設定與應用處理應對也因燃燒效果而各不相同。

3.1 控制系統形成閉環控制

在相關設計要點中，發現在啟動點火前，首先要保證尾氣檢測系統的純凈及安全性，在調節好所有系統內控制參數后，保證激發系統與燃燒系統的正常狀態可用，保證一定的密封狀態，當空氣中檢測到氧氣及氫氣或一氧化碳的含量超過正常范圍值時，將迅速提示數據異常報警。在達到臨界處理安全范圍前，使所有數據在監控范圍內，以尾氣檢測系統、流體密封系統、激發系統、燃燒系統、火焰檢測系統、DCS尾氣安全控制系統及現場尾氣安全控制系統中的自動熄火控制系統與自動點火控制系統形成閉環控制。由DCS操作人員遠程監控現場參數的諸多反應因素，對整個數據采集及控制起到了指令指導性作用，數據輸入完成了集中控制，并使點火及密閉環節得以完整處理。以常規PID控制與先進控制及算法相結合，運用了大量邏輯控制參數，使得被控溫度、濃度及火焰參數指標達到多變量的最佳控制，而控制性能的優劣直接影響和改善整個系統的環境特性。通過優化控制，能夠有效地解決升溫快、氣體變化異常多變、工況復雜不易控的情況，合理地解決了若干瓶頸問題。整體系統通過各系統檢測到的參數和信號有壓力過高、系統過熱、污染物排放或燃燒超標等問題。在有效降低可燃物的同時，達到排放和能耗的要求，可以自動、安全地進行系統啟動和停止，實現間歇控制與連續控制相結合，達到自適應性，提高了環保效果和系統的安全性。

3.2 自動啟動激發系統

在化學點火過程中，會對氧化劑及催化劑有嚴格的要求。氧化劑的主要作用是加速清除還原劑。存在的若干不安全因素如泄漏、余氣未清除、化學試劑的殘留等，都可能造成不安全因素的產生，而電打火式點火相對化學點火而言，多了一些穩定性，同時少了一些不利化學氣體的危害性。系統如果檢測到放散閥門發生泄漏或氣體檢測系統檢測到相關信息，系統都會自動啟動激發系統進行點火，同時將各種信息反饋到DCS控制系統，從而產生一系列的報警與提示信息，啟動聯鎖保護系統，可以避免因氣體泄漏引發的事故。

3.3 重要構件的聯鎖設置

電打火的基本原理是用電子打火器與拉弧打火器之間的電弧起火原理，用瞬間的電壓使積聚的氣體產生電弧而點火成功，可以進行熱效率的控制，達到既定的溫度與壓力，點火器位置更加靈活。因功率穩定，因此輸出溫度也較恒定，打火時間可以自由選擇且預熱時間極短，取得了更好的收效，可以達到操作簡便且成功率高的目的。不需要適宜的化學反應溫度就可以達到一定的加熱點要求，使得被加熱空氣局部受到激發。系統設置有電子打火器與拉弧打火器的聯鎖設置，當電子打火器故障，拉弧打火器自動啟動打火；當拉弧打火器異常，電子打火器自動啟動打火。解決了以往人工采用爆竹筒引燃存在危險性和手動點火成功率低的問題。激發系統解決了傳統點火中煙氣放散對環境的污染，避免了因控制閥門泄漏引發的環境污染和安全隱患，實現了自動檢測、自動激發的智能化點火控制。

4 實施方法及有益效果

DCS操作系統控制系統由硬件和軟件構成，其中硬件包括現場控制站、操作站與工程師站、通訊網線等；軟件包括操作系統平臺及工業控制用的DCS/PLC組態軟件。所用工業控制硬件配置及軟件配置各有不同，集成通訊后，與上述相關設備及檢測裝置的壓力、溫度變送信號等各項運行參數接收反饋至DCS控制系統，并加裝單回路控制器和輸出信號控制器，用于全程跟蹤及監控。

在尾氣凈化系統工藝過程中，DCS控制系統內設置有尾氣安全控制系統的關聯程序控制與匹配硬件。當尾氣檢測系統中氫氣分析儀檢測氫氣濃度大于12%時，判斷電石爐進水可能性大，需降負荷處理；檢測氫氣濃度大于15%時，對電石爐進行降檔位生產；當氧氣分析儀檢測到氧氣濃度大于0.5%，說明電石爐生產系統漏氣，要進行降負荷處理；當一氧化碳分析儀檢測到一氧化碳濃度大于60%時，可以輸送至下一工序作為原料或輔料使用。在一定設定值時，可以進行報警提示、停機或降負荷控制。此套電石爐尾氣安全控制系統的實施，有效地實現了電石爐尾氣的檢測實時記錄與安全控制，便于操作人員及時進行監視、判斷及控制，從根本上杜絕事故發生、優化生產工序，可以廣泛用于不同工況生產中尾氣的檢測與安全控制裝置。

5 結語

電石生產工藝中電石爐尾氣凈化系統的研究與應用、設計與實施過程中，尾氣處理效果較好地滿足了生產所需，達到設計要求，同時使得尾氣處理達到98%以上，實現了生產的閉環及穩定控制。綜上所述，在工業電石爐尾氣安全控制系統中，可以較為嚴格地執行相關檢測且較為合理地解決生產中存在的尾氣外溢問題，能夠有效減少污染氣體的排放，改善現場工作環境，對實現電石生產的節能降耗、污染減排和資源節約，提升電石產業技術、裝備水平，促進電石產業結構調整和電石行業的可持續發展具有十分重要的意義。