催化裂化装置废气处理单元控制方案设计

高峰，贠莹，戴金玲

(中国石油化工股份有限公司 大连石油化工研究院，辽宁 大连 116045)

石化企业生产过程中产生的挥发性有机物(VOCs)处理技术可以分为回收法和非回收法两大类。回收法常用于组成简单、浓度较高且有利用价值VOCs的处理；非回收技术常用于组成复杂、浓度较低以及回收价值低的VOCs的治理[1]。热氧化法(或热燃烧法)是目前常用的一种非回收类的VOCs消除技术，主要有直接燃烧法和催化燃烧(氧化)法[2]。相比于直接燃烧法，催化氧化法由于反应器中催化剂的使用，需要的反应温度要低很多，广泛用于治理石化企业污水处理场等散发的废气[3]。催化氧化法工艺流程简单，但要求进入反应器的废气量和浓度不能剧烈波动，以避免反应器的温度大幅变化。中国石化大连石油化工研究院(简称大连院)开发的“总烃浓度均化-催化氧化”技术通过在催化氧化反应器前设置总烃浓度均化罐，利用均化剂的“吸附-解吸”作用有效稳定了均化罐出口的VOCs浓度[4-5]。

1 催化氧化工艺流程简介

某石化企业采用“总烃浓度均化-催化氧化”技术处理重油催化裂化装置的污水池池顶废气和罐区罐顶废气，处理前的废气组成见表1，表2所列。

表1 罐区罐顶废气组分的含量

表2 含油污水池池顶废气组分的含量

按照GB 31571—2015《石油化学工业污染物排放标准》规定[6]，要求处理后的废气中ρ(苯)≤4 mg/m3，ρ(甲苯)≤15 mg/m3，ρ(二甲苯)≤20 mg/m3。催化氧化系统工艺流程如图1所示，废气经风机引出后送入总烃浓度均化罐内，在罐内脱硫及总烃浓度均化剂的作用下，废气中的硫化物被脱除，同时废气的总烃浓度得到均化，避免了总烃浓度的剧烈波动给设施带来的冲击[7]。均化罐处理后的废气再与空气混合，使废气中的总烃质量浓度降至3 g/m3以下，满足催化氧化反应器的进气浓度要求，空气稀释后的废气需要经过过滤器脱除废气中的颗粒物以避免催化剂中毒[8]，然后废气再进入“换热-加热-催化氧化反应”单元。过滤后的废气经过换热器和加热器升温后，达到催化氧化的反应温度250～450 ℃。在催化氧化反应器中，废气中的有机物在催化剂的作用下，与空气中的氧气发生氧化反应，转化成水和二氧化碳，并释放出大量的反应热。通过换热器将反应热回收，用于预热进反应器前的废气，换热后的净化气经排气筒排放到大气中。

图1 催化氧化系统工艺流程示意

2 控制方案设计

“总烃浓度均化-催化氧化”装置治理的废气为有毒有害物质，对装置的自动化程度、安全等级要求较高。该装置采用技术成熟、性能可靠的分散控制系统(DCS)对装置进行集中控制和管理[9]。装置内的现场变送器(温度、压力、流量等)、执行器等信号远传到DCS，在DCS上集中监视、操作和控制，确保装置安全、稳定及长周期运行。

来自污水池和罐区的废气首先进入均化罐内进行混合和浓度均化，为保证均化罐的安全运行，需要将均化罐的罐顶压力和罐内温度控制在一定范围内。当均化罐的罐顶压力pT-101达到高高限2.6 kPa或罐内温度tT-101达到高高限80 ℃时，会触发“总烃浓度均化-催化氧化”装置停运。装置停运动作：停止电加热器，全开空气进气阀(TV-104)，打开废气放空阀(XV-101)，关闭废气进气阀(XV-102)。装置停运联锁逻辑如图2所示。

图2 催化氧化装置停运联锁逻辑示意

均化罐处理后的废气与空气混合后降低了废气中的总烃质量浓度，混合后的气体经催化风机送入催化反应器进行氧化反应。在该过程中，需要控制催化风机，当催化风机存在运行状态反馈且出口压力过低(压力低限值设为200 Pa)时，证明催化风机运行处于失压状态，此时会触发催化风机联锁，同时触发装置停运。此外，催化风机还设置了故障报警信号点，催化风机故障信号产生时也会触发催化风机联锁及装置停运。催化风机联锁逻辑如图3所示。

图3 催化风机联锁逻辑示意

废气进入废气过滤器前设置可燃气体报警器，实时监测进入反应器的可燃气体浓度，使其在爆炸下限以下。根据HAZOP分析以及SHBZ 06—2019《石油化工紧急停车及安全联锁系统设计导则》，该处设置成“三取二”高高限联锁，当检测到可燃气体浓度不小于25%LEL(AT-101～103，三取二)时，会触发“总烃浓度均化-催化氧化”装置停运。

催化氧化反应器正常运行时，为了保证反应温度在合适的区间内，需要控制反应器入口温度及出口温度。反应器入口温度tICA-103采用单回路PID调节，根据温度调节器(TICA-103)的设定值与检测值的偏差，经调节器运算后改变输出值tY-103，该输出值送至电加热器电气控制柜中的调整器，使反应器入口温度保持稳定。反应器出口温度tICA-104采用单回路调节，根据温度调节器(TICA-104)的设定值与检测值的偏差，经调节器运算后改变输出值tY-104，该输出值送至TV-104阀，通过调节TV-104阀的开度使反应器出口温度保持稳定。当tICA-103≥480 ℃，或tICA-104≥580 ℃时，会触发“总烃浓度均化-催化氧化”装置停运。

电加热器内部设有2组过热保护，每组分别设置温度检测点和故障信号点。当温度检测点tT-102A/B≥500 ℃，或过热保护发出故障信号时，会触发“总烃浓度均化-催化氧化”装置停运。

此外，在DCS控制画面和现场操作柱分别设置手动复位按钮，以便联锁程序调试。

“总烃浓度均化-催化氧化”装置中各个联锁信号点在达到高高限或低低限的联锁值前都有高限或低限报警值，见表3所列。

表3 “总烃浓度均化-催化氧化”装置报警值

3 开工方案设计

为了进一步提高“总烃浓度均化-催化氧化”装置自动化程度，设计了“一键开工及停工”程序。“总烃浓度均化-催化氧化”装置开工程序如图4所示。

图4 “总烃浓度均化-催化氧化”装置开工程序示意

装置启动前需确保TV-104阀为开启状态，XV-102阀为关闭状态。当现场满足装置开工条件后，一键启动“总烃浓度均化-催化氧化”程序。确认装置无警报后，远程启动催化风机，风机频率为f。催化风机有远程和就地两种状态，当催化风机A处于远程、催化风机B处于就地状态时启动催化风机A；反之，启动催化风机B。当催化风机A，B都处于远程状态，需要操作员选择启动催化风机A或B；当催化风机A，B都处于就地状态，画面提示“催化风机不具备启动条件”，返回程序初始状态。

远程启动催化风机后，当检测催化风机出口压力高于引气压力0.2 kPa时，且催化风机存在运行状态反馈时，说明催化风机启动成功。催化风机平稳运行20 min后，需要电加热器辅助加热，每间隔30 s启动一组电加热器，并将电加热器功率调至最大，快速提高催化反应器内的温度。需要注意：在程序执行过程中，若提示“存在报警”信号，则切除开工过程，控制画面提示“装置存在报警”，此时需要操作员解决相关报警后方可执行开工程序。

当tICA-103升至100 ℃后，打开XV-102阀。电加热器接受tICA-103后进行PID调节，TV-104阀接受tICA-104后也进行PID调节，此时装置开工过程结束进入正常运行状态。

4 停工方案设计

“总烃浓度均化-催化氧化”装置停工程序启动后，首先判断装置是否存在警报，若装置存在警报，控制系统画面提示“装置存在报警”，返回程序起始处，此时无法执行停工程序，需要先处理装置的报警信号；若装置无警报，则执行以下动作：停止电加热器，打开TV-104阀，打开XV-101阀，关闭XV-102阀。待tICA-104降到100 ℃以下，画面提示“停工程序执行完毕”。等到“总烃浓度均化-催化氧化”装置降到常温后，操作员停止催化风机。“总烃浓度均化-催化氧化”装置停工程序如图5所示。

图5 “总烃浓度均化-催化氧化”装置停工程序示意

5 安全方案设计

“总烃浓度均化-催化氧化”装置的安全方案设计，主要包括以下几方面内容：

1)“总烃浓度均化-催化氧化”装置急停按钮的设置。在该装置内安装防爆现场操作柱，操作柱上设置现场急停按钮，在DCS控制画面上设置一键切断按钮，当炼厂发生火灾等紧急情况时，在现场操作柱或DCS控制画面上都可以一键切断该装置。

2)控制系统。该装置内的温度变送器、流量变送器、压力变送器、液位变送器、气动开关阀信号、催化风机启停、运行状态、远程/就地以及故障信号等都接入控制室现有的DCS中，实现该装置的操作和控制。

3)故障安全。该装置内仪表采用不间断电源交流供电方式，规格为交流220 V，20 kVA两套独立回路，以确保DCS的供电安全，不间断时间为30 min。DCS的CPU，电源，通信，关键I/O卡件均冗余配置。

4)可燃/有毒气体探测器的设置。在均化罐附近设置可燃气体探测器及有毒气体探测器检测环境中的可燃气及有毒气，在废气过滤器前设置可燃气体报警器检测进入反应器的可燃气体浓度，可燃气体和有毒气体检测报警器输出的4～20 mA 信号直接送至 DCS的独立卡件进行报警显示。

5)仪表防雷设计。安装就地式电涌防护器或DCS端电涌防护器[10]用来减少雷电现象带来的设备损害。

6 结束语

废气治理装置作为石化企业生产装置的配套环保设施，要在尽量减少人工操作频率、降低运行成本并使装置安全稳定运行的同时，使废气达标排放。本文所设计的控制方案实现了对“总烃浓度均化-催化氧化”装置的自动控制，装置自投用至今已稳定运行10个月，净化后的尾气排放满足环保标准要求。