陈东

（中石油东北炼化工程有限公司吉林设计院，吉林吉林132002）

在某厂浓硝酸装置氨氧化炉改造中，对原有氨氧化炉控制系统进行两次改造，实现了对进入氨氧化炉的氨气和空气配比的平稳控制，使装置满足对一氧化氮生产的需要。

1 工艺简述

该装置采用直硝法生产浓硝酸，主要原料为氨气。氨气与空气经过滤，在铂催化剂作用下反应生成一氧化氮和水，同时放出大量热量，氧化炉内温度为800～830℃。一氧化氮再经过初步氧化、重氧化吸收后生成浓硝酸。其中，氨氧化炉的氨气及空气的配比比例关系到反应能否正常进行，而且氨和空气比例超过一定极限将会引起爆炸，因而该装置中的重点就是控制好氨气和空气的比例。因为一氧化氮是后续生产的原料，所有一氧化氮的生产关系到最终产品的效益，所以一氧化氮的产量和质量也是整套装置的关键所在。

2 原有控制方案

原有的控制方案如图1所示。氨气及空气流量通过手动阀门XV－101和XV－102控制。开车点火之前，氨气和空气在配比过程中同时通入氨氧化炉，通过观测氨气和空气的流量，待氨空比达到规定摩尔比时，氨氧化炉开始手动点火。

图1 原有装置方案流程示意

原有控制方案存在以下几个问题：

a）氨气及空气流量均通过手动阀门控制。控制调节滞后、反应慢、不精确。

b）氨气和空气在未配比好前就已通入氨氧化炉，待氨空比达到规定摩尔比后，氨氧化炉再开始手动点火，这样就会有未经氧化的氨进入系统，在后续生产过程中容易产生铵盐（NH4NO3）给生产带来安全隐患，同时导致氨耗增加以及尾气摩尔比超标。

c）该控制方案限定了生产为间歇生产方式，极大地降低了生产效益，而且无法确保产品的质量。

3 控制方案的改造

3.1 首次改进

3.1.1 控制方案的选择

通过对原有装置控制方案的分析，为了控制好氨气的氨氧率并使产量平稳，主要是控制好氨氧化炉中氨气和空气的配比。氨气流量干扰频繁且该工艺不允许负荷有较大波动，为了使氨气qV1和空气qV2平稳，qV2／qV1恒定，选择了双闭环比值控制系统。当改变qV1，qV2会自动跟踪变化，qV2／qV1不变。控制方案流程如图2所示。

3.1.2 相应的优化改造过程

在氨气及空气管线上增设自动调节阀FV－101和FV－102，根据氨气及空气管线上体积流量进行自动配比调节；氨氧化炉增加自动点火装置，点火气源为稳定的氢气源。开车点火之前，空气先行通入氨氧化炉；氨气管线上增加开车副线，关闭遥控切断阀HV－101，打开遥控切断阀HV－102，让氨气先在氨气系统内循环；等氨气体积流量FT－101达到预设值后，打开比值控制回路FY－101控制FV－102的开度来调节进入氨氧化炉的空气体积流量；待氨空配比达到规定摩尔比并且氨气及空气体积流量都稳定后，再打开HV－101，关闭HV－102，使氨气通入氨氧化炉，此时启动自动点火装置，氨氧化炉平稳运行。

图2 首次改进后控制方案流程示意

改进后，经过一段时间的运行，发现两个流量闭合回路克服了各自的外界干扰，主、副流量都比较平稳，从而实现了氨气和空气体积流量的比值恒定，使进入氨氧化炉的总负荷相对平稳，实现了生产的连续运行。氨气进入氨氧化炉后立即被氧化燃烧，在开车阶段可减少系统内铵盐的生成量，有效地降低系统中氨的消耗以及尾气中氧化氮含量。但一氧化氮的转化率不稳定，频繁出现波动，波动在7%～12%，相应的尾气处理效果仍然不能满足环境排放要求。

3.2 二次优化改进

3.2.1 控制方案的选择

再次对工艺进行分析后发现，氨气在氧化过程中产生一氧化氮的同时释放大量的热，这些热量使氨氧化炉触媒催化层的温度出现波动，从而影响氨氧化效果。影响触媒催化层温度的原因很多，诸如：进入氨氧化炉的氨气、空气初始温度的干扰；进入氨氧化炉的氨气、空气的压力变化；负荷的变化；触媒的活性变化、大气温度、压力变化等。因此，稳定一氧化氮生产的关键是控制好氨氧化炉触媒催化层的温度，可通过调节进入氨氧化炉的氨气和空气体积流量的比值来实现。当温度受其他干扰而发生变化时，则可通过主控制器（此处为温度控制器）改变氨气与空气的比值来补偿，以满足工艺的要求。在新的控制方案中引入了双闭环变比值控制系统，如图3所示。

图3 双闭环变比值控制系统示意

在新的控制系统中qV1作为主流量，qV2作为副流量，构成比值控制回路（这与首次改造是相同的），主控制参数为氨氧化炉触媒催化层的温度t，与qV2／qV1构成串级控制回路。主调节器采用PID控制规律，副调节器选择PI控制规律，调节作用为正。

3.2.2 相应的优化效果

增加了对氨氧化炉触媒催化层温度的检测，增加热电偶温度计TE－101。二次改造后，通过一段时间的生产运行，氨氧化炉触媒催化层始终处于最佳工作温度，克服了外界的干扰，一氧化氮的生成率波动很小，达到预期目的。

4 结束语

经过前后两次改造，使比值控制在氨氧化炉控制系统中得到充分利用，实现了较好的控制效果。尤其二次优化改造后，生产运行平稳，产量和质量均达到前所未有的高度。一氧化氮的产量提高，从而提高了浓硝酸的产量；同时铵盐的生成率大幅降低，极大地减少了后期尾气处理的难度，使尾气排放指标达到规定水平，并且取得了较好的经济、社会和环境效益。

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