解析氣入氣化爐流量波動的原因及解決方法

楊天岡

（中國石油寧夏石化公司，寧夏銀川 750021）

內(nèi)蒙古烏海市焦炭企業(yè)眾多，生產(chǎn)過程有大量焦?fàn)t氣產(chǎn)生。焦?fàn)t煤氣利用率很低，一般被送至火炬系統(tǒng)燃燒放空或者直接排放。排放的焦?fàn)t氣中含有萘、苯、焦油等有毒有害物質(zhì)，其排放量超出了國家排放標(biāo)準(zhǔn)數(shù)千倍，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)鼐用窦爸苓叧鞘协h(huán)境。焦?fàn)t氣中又含有 H2、CH4、CO、CO2等，H2含量為 50%～60%，CH4含量為25%～30%，熱值為4 041 kcal/cm3,是合成氨的好原料。為提高資源利用率，改善環(huán)境，緩解化肥裝置天然氣供應(yīng)不足的矛盾，寧夏石化公司2011年啟動焦?fàn)t氣綜合利用，用焦?fàn)t氣部分替代天然氣作為生產(chǎn)合成氨的原料氣。

焦?fàn)t氣分離崗位的主要任務(wù)是將來自烏海來峰站的3.0 MPa的焦?fàn)t煤氣，采用變壓吸附技術(shù)將其分離成富氫氣和富甲烷氣（解析氣），富氫氣通過加氫催化脫氧等壓干燥得到高純度產(chǎn)品氫氣，經(jīng)壓縮機提壓后作為合成氨的原料氣和燃料氣。

1 進氣化爐三股原料氣及簡要流程

1.1 天然氣組分

天然氣是寧夏石化合成氨的主要原料氣，天然氣主要組分取2013年實際值（NG配氣站取樣點A1，取平均值）：體積百分比。

表1 天然氣組分表（g/m3）

1.2 液氮洗尾氣組分

化肥一廠合成氨裝置脫除CO利用液氮洗，其中液氮洗尾氣中含有一部分CO、CH4等有效氣組分。將液氮洗尾氣通過壓縮機4116-K2提壓后，送天然氣壓縮機入口，與天然氣混合后，替代一部分天然氣作為氣化爐的原料之一。隨進氣化爐原料氣組分的變化，液氮洗尾氣組分變化較大，設(shè)計指標(biāo)（見表2、表3）。

表2 液氮洗尾氣組分設(shè)計指標(biāo)（體積/%）

表3 液氮洗尾氣組分實際指標(biāo)（體積/%）

1.3 解析氣組分

解析氣是從烏海送來的焦?fàn)t氣，經(jīng)過PSA變壓吸附分離出氫氣后，剩余部分。將解析氣通過解析氣壓縮機4120-K3/K4提壓后，送天然氣壓縮機入口，與天然氣混合后，替代一部分天然氣作為氣化爐的原料之一。解析氣主要組分（見表4）。

表4 解析氣組分表

1.4 進氣化爐簡要流程

從界區(qū)來的主原料氣天然氣，壓力2.5 MPa，溫度40℃；4116-K2來的液氮洗尾氣，壓力3.8 MPa，溫度40℃；焦?fàn)t氣解析氣4120-K3/K4，壓力3.5 MPa，穩(wěn)定40℃；將以上三股物料匯合后直接進入天然氣壓縮機4112-K1/K2進行提壓，提壓到9.4～10.6 MPa，進入氣化爐進行反應(yīng)（見圖2）。

2 氣化接入焦?fàn)t氣存在的問題

從啟動焦?fàn)t氣項目，到設(shè)備安裝歷時一年多，到2013年4月完成了裝置的穩(wěn)定試車運行。分別向用戶一套，二套輸送產(chǎn)品氫氣，解析氣，由于提壓輸送設(shè)備為往復(fù)式壓縮機，輸送介質(zhì)有其固有的脈沖性?；室粡S氣化爐接入原料氣有三股，單臺氣化爐100%的負荷下，主氣量天然氣接入量為17 838 m3/h，液氮洗尾氣穩(wěn)定接入量為5000m3/h，解析氣接入量一般為2500m3/h。解析氣接入后，出現(xiàn)流量大幅波動，波動幅度最大在1 000 m3/h左右，流量的波動造成入氣化爐總流量的大幅波動?；室粡S氣化崗位氣化爐造氣原理為德士古氣化爐，氣態(tài)烴非催化部分氧化法，原料氣、氧氣、蒸汽在一定的配比下在氣化爐內(nèi)在1 200～1 350℃的高溫條件下反應(yīng)。由于流量的大幅波動及三股氣體組分有很大不同，使氣化爐出口主要控制指標(biāo)CH4無法控制在0.5%～1.5%正常范圍內(nèi)，上下大幅波動，CH4最低降至0.2%，最高超出CH4表最高指示值2.17%。CH4含量過高或過低對生產(chǎn)裝置的安全穩(wěn)定運行都有很大的危害。CH4過低會使氣化爐出現(xiàn)過氧現(xiàn)象，氣化爐超溫在，直接威脅氣化爐的安全穩(wěn)定運行和使用壽命；其次過量的氧氣進入后續(xù)的碳黑洗滌塔4112-C1，有爆炸的危險；后進入CO變換爐使變換爐內(nèi)的變換觸媒過氧超溫，使觸媒燒結(jié)失去活性。CH4含量過高：一是氣化爐反應(yīng)生成大量的碳黑，生成有效氣減少，合成氨產(chǎn)量下降，資源浪費；二是生成大量的碳黑隨工藝氣進入CO變換爐包裹，堵塞變換觸媒，使其活性下降，變換率下降；三是過量CH4進入后系統(tǒng)凈化工段，增加了甲醇洗，液氮洗負荷及板式換熱器堵塞等危害。

由于焦?fàn)t氣并入氣化爐流量大幅波動，焦?fàn)t氣裝置運行不穩(wěn)定，氣化爐頻繁的接入退出解析氣，以及焦?fàn)t氣裝置跳車的緊急處理，使氣化爐頻繁的處于過氧及陰燒中，給裝置的安全穩(wěn)定運行埋下了重大安全隱患。2013年5月25日由于氣化爐過氧，發(fā)現(xiàn)4112-F1-3頂部大蓋溫度高達460℃，進行了緊急停車處理，檢查頂部爐磚毀壞嚴(yán)重；6月，4112-F1-1停車，檢查頂部爐磚同樣損壞嚴(yán)重。由于氣化爐陰燒，生成大量炭黑帶入4114-R1CO變換爐，造成變換觸媒反應(yīng)活性大幅下降，出口CO含量控制指標(biāo)超標(biāo)，為了控制指標(biāo)的合格，將變換觸媒的溫度相比以前提高了5℃運行。

3 造成波動原因

（1）提壓輸送設(shè)備為往復(fù)式壓縮機，輸送介質(zhì)有一定的脈沖性，壓縮機機體大級間管道和出口管線較長且沒有做有效的支撐和固定，致使機體管線大幅振動，輸送介質(zhì)流量波動，機體振值高，發(fā)生機體泄漏，機體管線固定地腳螺栓松動振斷，儀表管線接口處振裂泄漏的生產(chǎn)事故。

（2）焦?fàn)t氣產(chǎn)品氣送至用戶距離較長，輸送管線支撐架跨度大，且橫向支撐固定措施較少，致使介質(zhì)在輸送過程中產(chǎn)生管線振動，流量波動。

（3）往復(fù)式壓縮機輸送介質(zhì)有其固有的脈沖性，最有效的解決方法是在其出口設(shè)置一定容積的緩沖罐作緩沖，而實際裝置壓縮機緊在各壓縮級間進出口設(shè)有級間緩沖罐而容積很小，在出口沒有設(shè)置較大的緩沖罐作緩沖，沒能有效的緩解脈沖性，是造成輸送管線大幅振動，輸送介質(zhì)流量波動的主要原因。

4 解決措施

4.1 對輸送管道進行加固

對介質(zhì)輸送管線增加支撐立柱和橫向支撐架固定管線，解決介質(zhì)輸送過程中管線振動大的問題。

4.2 對壓縮機級間管線及出口管線進行穩(wěn)固

對壓縮機級間及出口較長管線重新打制水泥支撐立柱和固定減振設(shè)施，解決壓縮機機體，級間和出口管線振動大的問題。

4.3 利用閑置脫硫罐4112-V17A，B作緩沖罐

4112-V17以前為天然氣脫硫裝置，以并聯(lián)形式，一開一備用于脫硫。后因原料氣天然氣中硫含量相對較低，已符合合成氨原料氣硫含量的工藝指標(biāo)要求，故將此裝置切出系統(tǒng)，從而也簡化了流程，減輕了崗位操作難度增強了合成氨裝置的長期，安全，穩(wěn)定運行。根據(jù)三股原料氣成分，壓力，溫度均符合脫硫罐耐壓，耐溫，耐腐蝕等各項設(shè)計要求，可直接將脫硫罐作為三股原料氣的緩沖罐使用，經(jīng)脫硫觸媒卸除，把原來并聯(lián)形式改為串聯(lián)形式便可投入使用。

4.4 利用脫硫罐后的簡要流程

從界區(qū)來的主原料氣天然氣，壓力2.5 MPa，溫度40℃；4116-K2來的液氮洗尾氣，壓力3.8 MPa，溫度40℃；焦?fàn)t氣解析氣4120-K3/K4，壓力3.5 MPa，穩(wěn)定40℃；三股物料匯合后進入4112-V17A，B進行混合緩沖調(diào)壓后以3.0～3.5 MPa進入天然氣壓縮機4112-K1/K2進行提壓，提壓到9.4～10.6 MPa，進入氣化爐進行反應(yīng)。

5 結(jié)語

通過以上三種具體消減措施的完成，使機體，管線振動及流量波動問題從根本上得到了解決。而脫硫罐4112-V17的使用，起到了決定性作用。4112-V17不僅起到了緩沖罐的作用，同時也起到了三股組分不同的原料氣的混合室。三股原料氣經(jīng)過4112-V17緩沖，均勻混合后，混合氣體組分，壓力，流量相對較為穩(wěn)定，有利于天然氣壓縮機穩(wěn)定運行，提高壓縮機性能和安全穩(wěn)定運行。同時穩(wěn)定的氣體組分，壓力，流量有利于氧/氣比的穩(wěn)定調(diào)整，從而更好的將氣化爐最重要的控制指標(biāo)出口CH4含量穩(wěn)定控制在0.5%～1.5%。4112-V17的使用降低了崗位操作難度，遇緊急跳車的情況下，有4112-V17兩緩沖罐的保證，崗位有2～3 min的調(diào)整時間，根本上解除了氣化爐過氧或CH4過量陰燒的可能。

三種具體措施的完成，從2013年6月起，化肥一廠合成氨裝置氣化爐穩(wěn)定接入解析氣5 000 m3/h，最高接至10 000 m3/h，實現(xiàn)了裝置長期穩(wěn)定運行。崗位在接氣退氣及緊急跳車情況下可從容處理調(diào)整工況，保證了裝置安全，穩(wěn)定，高效運行。

［1］林玉波.合成氨生產(chǎn)工藝與操作［M］.北京：中國石化出版社，1993.

［2］化工部化工設(shè)計公司主編.氮肥工藝設(shè)計手冊（合成氨）［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1988.

［3］寧夏石化公司合成氨裝置，焦?fàn)t氣裝置培訓(xùn)教材（內(nèi)部資料）［G］.寧夏石化公司.