廢酸裂解爐火焰檢測信號不穩定的原因分析及措施

趙小存，趙 燕

[中國石化長城能源化工（寧夏）有限公司，寧夏靈武750411]

在廢酸裂解裝置中，火焰檢測器對裝置的穩定運行起著至關重要的作用。火焰檢測器是熄火保護裝置的重要組成部分，配套有燃燒控制系統，可實現燃燒器的點火與熄火保護，在燃燒器意外熄火時快速切斷向裂解爐供應的可燃氣，同時切斷廢硫酸進料，并進行聲音報警和記錄提醒，防止爐膛燃料聚集引起爆炸。

若火焰檢測信號消失，裝置聯鎖關閉所有燃氣（天然氣、解析氣、酸性氣）和廢硫酸進料快切閥門，并將霧化廢硫酸的壓縮空氣閥開度設置為20%，長明燈火焰保持燃燒，延時180 s后停止空氣風機的運行，再延時180 s后停止主鼓風機，盡可能燃燒掉可燃氣體，用空氣置換爐膛和整個系統，防止可燃氣聚集發生閃爆。因此，火焰檢測信號聯鎖的可靠性，對裝置的安全性與穩定運行起著不可替代的作用。筆者著重介紹了火焰檢測器的工作原理及影響因素，針對火焰檢測信號不穩定的問題，分析其原因，提出了解決措施。

1 火焰檢測器的工作原理

中國石化長城能源化工（寧夏）有限公司（以下簡稱寧夏能化）廢酸裂解裝置的火焰檢測器是由科融環境提供的XHT-5 UVA-1-B-290/38型內窺式紫外線火焰檢測器，設計和制造符合國家防爆標準的有關規定。該火焰檢測器由火焰處理器與紫外光敏探頭兩部分組成，主要用于長期連續地監測各種輕油及燃氣燃燒的火焰，處理器與探頭間由兩芯雙絞屏蔽電纜連接。電纜線徑及長度會對火焰檢測效果產生影響，建議線徑不大于1.0 m2、長度不超過20 m，否則可能檢測不到火焰。探頭尾部安裝有UV光敏管，火焰發出的光信號傳至UV光敏管上，由UV光敏管完成光電轉換。

火焰檢測探頭與處理器間的信號傳輸采取電流傳輸方式，以提高抗干擾能力，并通過兩芯屏蔽電纜進行，火焰檢測處理器將探頭傳來的信號通過匹配電路、施密特觸發器、單穩態觸發電路進行處理后，進行有無火焰的判別，并給出相應指示及輸出。火焰檢測器工作原理見圖1。

圖1 火焰檢測器工作原理

紫外線火焰檢測器適用于氣體燃燒時燃燒強度高、燃料組分有較大變化后可燃物質含量比較高的情況。紫外線火焰檢測器可以直接檢測火焰中波長為160～260 nm的紫外光，響應速度快，但靈敏度較差，火焰檢測器表面允許最高溫度為85 ℃，檢測距離200～6 000 mm，只能用于距離較短、潔凈的封閉環境，因此存在一定的誤報率。

2 火焰檢測信號間斷性消失的影響因素

2.1 火焰檢測器安裝位置的影響

寧夏能化的廢酸裂解裝置在爐膛負壓-0.2～-0.05 kPa工況下運行，改造前期設計的兩個火焰檢測器安裝的檢測方向與燃燒室軸線垂直，在負壓、助燃空氣風量、燃氣的影響下，火焰整體由燃燒室偏向裂解爐方向，火焰發出的紫外光偏離探頭的視角，造成火焰檢測信號頻繁消失，觸發裝置聯鎖停車。通過觀火孔觀察火焰燃燒方位，對比托普索焚燒爐火焰檢測器的安裝方向，對火焰檢測器的安裝位置進行改造。檢測方向與燃燒室軸線的夾角調整為30°，正對火焰燃燒火蕊，即火焰總長度的三分之一處[1]，解決了燃燒火焰紫外光偏離檢測器視角的問題。

火焰檢測探頭的安裝位置及要求非常苛刻，如果檢測探頭安裝的位置或角度不能滿足條件，火焰檢測器將不能準確地捕捉到紫外光，進而檢測不到火焰或檢測效果不穩定。火焰檢測器的安裝應注意以下幾點：

1）火焰檢測探頭應安裝在爐壁不易結焦處。

2）火焰檢測探頭視角范圍內的目標火焰應比較穩定，在改變風量及調節燃燒氣流量時不會造成目標火焰脫離視角范圍。

3）在火焰檢測探頭視角范圍內不能有妨礙檢測的物體，如爐墻、水管、筋板等物體對火焰檢測形成障礙，應對上述物體進行修改，并使所有修改盡可能減小對風量的影響。

4）應安裝在目標火焰的上部或側面，所有視角內應盡可能充滿目標火焰，同時使探頭對準目標火焰根部，盡量避開其他火焰。

2.2 裂解爐內環境的影響

含有多種礦物元素的廢硫酸，在裂解爐內分解成大量的SO2氣體和含有鈣、鐵、硅、磷等元素的粉塵顆粒，同時產生大量水蒸氣和不燃燒的惰性氣體。火焰檢測器是用法蘭固定安裝在導管內部，導管前端對著火焰高溫區域，溫度應不高于180 ℃。

高溫會損壞火焰檢測器的處理器和檢測探頭，檢測探頭的冷卻介質采用干燥、潔凈、常溫的壓縮空氣，入口流量應大于等于1.5 m3/min，且連續不間斷地對火焰檢測器進行冷卻降溫。

火焰檢測探頭位于燃燒器中，探頭與火焰間充滿燃氣，若裂解爐呈正壓狀態，探頭前端可能會出現結焦或石英鏡片積灰。另外，燃氣中含有大量三原子分子的物質、雜質和水蒸氣，極易部分或全部吸收火焰發出的紫外線，導致檢測不穩定或根本檢測不到火焰。為了避免上述情況的發生，應保證裂解爐內部處于負壓狀態，火焰檢測器安裝導管入口與爐膛的壓差應大于等于1.46 kPa，且有不間斷的新鮮壓縮空氣對檢測探頭進行冷卻和吹掃。

2.3 可燃氣組分的影響

在低溫甲醇洗裝置中，吸收了H2S和COS的富硫甲醇，在熱再生塔中加熱再生，經過冷卻后對產出的酸性氣體進行分析，數據見表1。

表1 酸性氣組分設計值和實際值 φ: %

由表1可知，有效氣體H2S的實際含量明顯低于設計值。進氣化爐的煤漿硫含量不同，實際操作也會影響酸性氣中H2S的含量，通過對現場手動取樣數據的計算和分析，得出酸性氣中φ(H2S)約為20%，不燃氣體φ(N2)和φ(CO2)約為79%。低濃度H2S酸性氣不易燃燒，在惰性氣體（N2、CO2）含量比較高的情況下，可燃氣體燃燒時紫外線光波會隨機變化，波長變短，強度變弱，此時檢測器的信號會出現跳躍。在裂解爐爐膛負壓（-0.05～-0.2 kPa）的環境下，爐內介質會快速向爐尾移動，也會造成火焰檢測信號不穩定。

寧夏能化的廢酸裂解裝置的裂解爐燃氣是天然氣（主要成分為CH4）和變壓吸附置換解析氣[其中φ(H2)6%、φ(CO)93%]。為了解決火焰檢測信號不穩定的問題，寧夏能化設計了可燃氣體進裂解爐的多管路管線，CH4、H2和CO這三種氣體燃燒時能輻射出大量的紫外線，可以彌補酸性氣燃燒時紫外線輻射弱的弊端。另外，通過優化操作，將一部分酸性氣體回流到H2S濃縮塔進行提純，氣提分離出部分CO2，提高進裂解爐酸性氣的H2S濃度，使燃燒更穩定。

2.4 進料溫度的影響

進料溫度對裂解爐的整體溫度影響比較大，尤其是在冬天影響更為明顯。酸性氣和助燃空氣的溫度接近-10 ℃，天然氣和解析氣的溫度也在0 ℃左右，溫度太低，燃燒室燃氣噴嘴處達不到燃燒條件，所有燃氣在進入高溫爐膛后才會燃燒，火焰檢測視角范圍內無燃燒火焰，造成火焰檢測信號消失。

為了保證酸性氣和燃氣在燃燒室噴嘴處能穩定燃燒，可采取以下措施：①控制燃燒室的爐膛溫度在1 000 ℃以上；②通過熱循環風機將進入燃燒室的助燃空氣溫度提升到600 ℃以上；③通過提升源頭溫度和保溫，將酸性氣的進口溫度提高到10 ℃以上。

2.5 助燃空氣風量的影響

燃燒室燃氣噴槍管線采用分布式獨立結構設計（見圖2），使燃氣流能夠充分彌散入空氣流中。燃氣噴頭采用防風結構，配合旋流式穩焰器，酸性氣噴嘴根據其壓力設計采用扇形旋渦式噴射（見圖3），酸性氣和助燃空氣逆時針旋轉，可增強酸性氣與空氣的混合效果，提高酸性氣的燃燒能力。裂解爐內有三堵蓄熱墻，能夠增加物料停留時間，阻止熱能快速流失，使旋轉的混合氣和高溫裂解物料均勻地向爐尾移動，促進燃氣充分燃燒、廢酸裂解完全。

圖2 燃燒室燃氣管線結構設計

圖3 裂解爐燃氣噴頭

如果助燃空氣風量過大，燃燒室內的火焰在超大風量工況下不穩定，火焰被吹離探頭檢測范圍，會致使檢測信號消失；如果助燃空氣風量不足，燃燒室缺氧會造成可燃氣不能充分燃燒，同時三原子分子物質、雜質和水蒸氣吸收火焰發出的紫外線，使燃燒器內的紫外線減少，導致火焰檢測信號跳躍或消失，故調節好配風比，對火焰檢測至關重要。經生產實踐證明，調節燃氣與空氣體積比為1∶(10～15)[3]，助燃空氣總流量控制在3 800～5 500 m3/h（根據負荷進行調整），燃燒室閥前助燃空氣的壓力調節至1.5 kPa左右，空氣大閥開度為23%左右，有助于燃燒火焰穩定。

3 結語

寧夏能化廢酸裂解裝置在開車初期，由于裂解爐火焰檢測信號不穩定造成聯鎖停車不能正常投用，導致頻繁停車，給裝置的穩定運行埋下了重大隱患。該公司結合廢酸裂解裝置的運行情況，分析

了火焰檢測器的安裝位置、裂解爐內的環境、酸性氣成分、進料溫度和助燃空氣風量等因素對火焰信號穩定性的影響，對檢測設備和操作參數不斷地進行改進，解決了火焰檢測信號不穩定的問題，為裝置的平穩運行奠定了基礎，也為同類型燃燒裝置的操作提供參考。