張掌權(quán)

（海洋石油富島有限公司，海南東方 572600)

海洋石油富島有限公司一期合成氨裝置采用英國ICIAMV工藝技術(shù)，以天然氣為原料，設(shè)計日產(chǎn)1 000t合成氨。一段爐入口溫度原設(shè)計為580℃，出口溫度776℃，出口甲烷含量l7.5l%，甲烷轉(zhuǎn)化率約80%。但在實際運行中，一段爐入口溫度常超過605℃。為解決此問題，對轉(zhuǎn)化部分進行改造，增加l臺預(yù)轉(zhuǎn)化爐，以達到解決超溫、降低能耗、延長盤管使用壽命的目的。

富島一期上次更換預(yù)轉(zhuǎn)化爐催化劑是在2017年7月中修期間，為取得更好的效益，一般選擇在停車檢修時更換催化劑，如果預(yù)轉(zhuǎn)化催化劑壽命到期時間與檢修時間不一致，預(yù)轉(zhuǎn)化催化劑失效后，預(yù)轉(zhuǎn)化爐的熱負荷逐漸減少，轉(zhuǎn)化工段的熱平衡發(fā)生改變，會導(dǎo)致部分工藝參數(shù)大幅度改變，而此時裝置仍需繼續(xù)運行，為確保裝置的安全、穩(wěn)定，必須采取有效的措施進行調(diào)節(jié)。

1 轉(zhuǎn)化系統(tǒng)工藝流程簡介

原料天然氣經(jīng)一段爐（03B001）對流段預(yù)熱，送往加氫反應(yīng)器（01R001），使原料氣中的有機硫轉(zhuǎn)變?yōu)榱蚧瘹洌℉2S），烯烴也同時發(fā)生加氫反應(yīng)。加氫器（01R001）出口氣體進入脫硫槽（01R002A/B）。在此，原料天然氣中的H2S被ZnO脫硫劑吸收。經(jīng)脫硫后的原料天然氣與工藝蒸汽混合后，經(jīng)一段爐對流段預(yù)熱盤管出口將混合原料氣引出，溫度為500～510℃，進入裝填10m3預(yù)轉(zhuǎn)化催化劑的絕熱式預(yù)轉(zhuǎn)化爐，氣體中的全部高碳烴以及部分甲烷在其中與水蒸氣發(fā)生反應(yīng)，出口溫度降低至452～460℃，再回到03B002E01第二組盤管繼續(xù)加熱進入一段轉(zhuǎn)化爐反應(yīng)。

一段爐是一個吸引風(fēng)箱式加熱爐，內(nèi)有108根轉(zhuǎn)化管分別裝在兩個分開的爐膛內(nèi)。膛壁上裝有216個輻射燒咀，燒咀使用雙噴頭系統(tǒng)。這樣天然氣和廢氣燃料可以分開進入燃燒器。每個爐膛的兩邊膛壁上各裝有5排水平布置的燒咀，頂部和底部每排有9個燒咀，其他各排各有12個燒咀。燒咀釋放的燃燒熱一部分通過爐壁輻射傳，送給轉(zhuǎn)化管，剩余部分燃燒熱（熱損除外）隨煙氣的顯熱形式離開燃燒室，在對流段被用于各預(yù)熱器的廢熱回收。離開一段爐兩個輻射室的煙氣溫度約為940℃，煙氣的顯熱在對流段被用于預(yù)熱器的廢熱回收：包括工藝氣和蒸汽預(yù)熱器盤管（03B002E01）HP蒸汽過熱器盤管（03B002E002A/B）工藝空氣預(yù)熱器盤管（03B002E03）天然氣預(yù)熱器盤管（03B002E04）HP鍋爐給水預(yù)熱器盤管（03B002E05）和燃料氣預(yù)熱器盤管（03B002E06）。如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)化系統(tǒng)簡圖

2 預(yù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)機理

預(yù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)是有在裝有具低溫活性的鎳催化劑的絕熱固定床反應(yīng)器內(nèi)進行的。預(yù)轉(zhuǎn)化入口氣中的高碳烴經(jīng)催化吸熱分解為一氧化碳、二氧化碳和氫氣等，然后部分碳氧化物甲烷化放出熱量，最后反應(yīng)達到平衡。反應(yīng)方程式如下：

3 預(yù)轉(zhuǎn)化催化劑失效對系統(tǒng)的影響

預(yù)轉(zhuǎn)化爐入口操作溫度500℃、操作壓力4.1MPa、水碳比3.0。在預(yù)轉(zhuǎn)化爐中，原料天然氣中約5%（摩爾分數(shù)）的高級烴全部轉(zhuǎn)化為CO、CO2、H2，同時也將部分CH4轉(zhuǎn)化成CO、CO2、H2。由于為吸熱反應(yīng)，預(yù)轉(zhuǎn)化爐出口氣體溫度降至445℃，進、出口溫差約55℃。原料氣從預(yù)轉(zhuǎn)化爐上部進、下部出，轉(zhuǎn)化反應(yīng)首先發(fā)生在上層催化劑層內(nèi)，但隨著上層催化劑逐漸失活，反應(yīng)逐漸向下層催化劑層轉(zhuǎn)移，當(dāng)反應(yīng)穿透催化劑床層時，預(yù)轉(zhuǎn)化爐出口溫度逐漸上漲，進、出口溫差減小，熱量后移，此時主要工藝參數(shù)變化及影響如下：

1）一段爐出口溫度由設(shè)計755℃降至730℃，一段爐熱負荷不能提高，提高工藝氣出口溫度手段受限，需要提高水碳比進行操作，同時要增加二段爐的轉(zhuǎn)化負荷才能滿足要求。而二段爐由于受燃氣透平功率及高溫天氣的影響，造成轉(zhuǎn)化段殘余甲烷量大，噸氨能耗增加。

2）轉(zhuǎn)化氣中高碳類組分在預(yù)轉(zhuǎn)化爐內(nèi)全部轉(zhuǎn)化為含氫氣、甲烷和碳氧化合物的富甲烷氣。預(yù)轉(zhuǎn)化能力降低，增加了一段爐反應(yīng)管中的負荷，并改變了反應(yīng)氣性質(zhì)，所以轉(zhuǎn)化爐爐管轉(zhuǎn)化效率降低，同工況下能耗增加。

3）輻射段盤管03B002E02、03B002E03熱負荷增加，為防止盤管超溫，加大了中壓蒸汽及減溫水量來提高盤管介質(zhì)流通量。為此，實際操作的水碳比達到了3.1，增加了能耗。

4）轉(zhuǎn)化爐入口溫度由現(xiàn)設(shè)計值547℃漲至565℃，轉(zhuǎn)化管上部催化劑的活性變好，更多原料氣在轉(zhuǎn)化管上部發(fā)生反應(yīng)，上部吸收更多熱量，轉(zhuǎn)化管下部的反應(yīng)減弱，下部吸收的熱量減少，導(dǎo)致轉(zhuǎn)化管下部管壁溫度上漲，影響轉(zhuǎn)化管的使用壽命。

5）預(yù)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)對轉(zhuǎn)化催化劑和轉(zhuǎn)化管起保護作用，在預(yù)轉(zhuǎn)化催化劑失效后，其保護作用減弱，高碳烴和更多的CH4進入下游工段，使得轉(zhuǎn)化爐負荷和熱負荷增加，轉(zhuǎn)化催化劑析碳的可能性增加，轉(zhuǎn)化管管壁溫度升高。

4 應(yīng)對措施

4.1 裝置減負荷

預(yù)轉(zhuǎn)化催化劑失效后，轉(zhuǎn)化爐的負荷增加，減小裝置負荷對轉(zhuǎn)化爐有利，能降低盤管溫度，同時也能降低煙氣溫度。

4.2 通過旁路閥調(diào)節(jié)溫度

關(guān)小預(yù)轉(zhuǎn)化旁路閥HV301B，降低預(yù)轉(zhuǎn)化出口及轉(zhuǎn)化管進口原料氣溫度；同時，加強轉(zhuǎn)化管管壁溫度檢測，精心調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化爐燒嘴，防止轉(zhuǎn)化管超溫。

4.3 減少轉(zhuǎn)化爐燃料氣量

減少轉(zhuǎn)化爐燃料氣量，降低轉(zhuǎn)化爐出口溫度和對流段煙氣溫度。此舉對降低煙氣溫度和原料氣溫度效果十分明顯，但是降低轉(zhuǎn)化爐出口溫度，轉(zhuǎn)化爐轉(zhuǎn)化率就會降低，出口CH4含量上漲，從而增加合成工段的馳放氣量，此時適當(dāng)減小裝置負荷，對降低裝置能耗有利。結(jié)合裝置減負荷和降低轉(zhuǎn)化爐出口溫度這兩項調(diào)節(jié)措施，能取得更好的調(diào)節(jié)效果。

4.4 適當(dāng)調(diào)整風(fēng)門及燒嘴背壓

風(fēng)門打開較多即進入爐內(nèi)的空氣量過多，排煙時，過量空氣把熱量帶走，轉(zhuǎn)化爐熱損失增大，熱效率隨之下降。上下燒嘴背壓壓差大也會導(dǎo)致轉(zhuǎn)化管上下溫度不均影響轉(zhuǎn)化率。在保證轉(zhuǎn)化爐燒嘴燃燒正常及一段爐負壓正常情況下，適當(dāng)降低進入爐膛空氣量，可有效防止上部盤管超溫。

4.5 提高水碳比

在預(yù)轉(zhuǎn)化催化劑失效，原料氣中高碳烴穿透預(yù)轉(zhuǎn)化爐進入轉(zhuǎn)化爐的情況下，提高水碳比能保護轉(zhuǎn)化催化劑和轉(zhuǎn)化管，同時也能促進轉(zhuǎn)化反應(yīng)，提高轉(zhuǎn)化率。因此，預(yù)轉(zhuǎn)化催化劑失效后，可增加原料氣中的蒸汽量，提高水碳比，這樣既能有效利用，又能降低各處原料氣的溫度。

4.6 增加盤管介質(zhì)流通量

增加盤管03B003E02A進口的減溫水量或關(guān)小HV03004及TV03023開度，降低過熱高壓蒸汽的溫度及提高盤管介質(zhì)流通量，利于從對流段煙氣中吸收更多的熱量。

4.7 減少轉(zhuǎn)化爐煙氣量

轉(zhuǎn)化爐燃料氣分為燃氣和尾氣，通過優(yōu)化調(diào)整合成系統(tǒng)，提高合成塔轉(zhuǎn)化率，減少尾氣量，然后少量增加燃氣量，保持轉(zhuǎn)化爐的總?cè)剂厢尫艧崃坎蛔?，而由于燃氣和尾氣的組分和熱值不同，配比調(diào)整后，燃燒后轉(zhuǎn)化爐的煙氣量也就減少了。另外，適當(dāng)提高燃氣和尾氣的溫度，也能減少煙氣量，達到降低煙氣溫度和原料氣溫度的目的。

5 結(jié)束語

通過一系列的調(diào)節(jié)，確保了裝置穩(wěn)定運行，雖然部分操作措施減少了產(chǎn)量，增加了能耗，但是能將預(yù)轉(zhuǎn)化催化劑的時間延長至檢修期，減少裝置開停車費用及停車更換催化劑的產(chǎn)量損失，具有較好的經(jīng)濟效益。