焦?fàn)t氣純氧非催化部分氧化法制甲醇裝置運(yùn)行工藝優(yōu)化研究

王軍

（寧東重化工基地寶豐循環(huán)經(jīng)濟(jì)工業(yè)基地，寧夏銀川750411）

焦?fàn)t氣純氧非催化部分氧化法制甲醇裝置運(yùn)行工藝優(yōu)化研究

王軍

（寧東重化工基地寶豐循環(huán)經(jīng)濟(jì)工業(yè)基地，寧夏銀川750411）

本文詳細(xì)論述了我國首家采用純氧非催化部分氧化工藝焦?fàn)t氣制備甲醇生產(chǎn)過程中遇到的各種技術(shù)問題。經(jīng)過分析，查找原因，一一破解，目前裝置運(yùn)行正常，產(chǎn)品達(dá)標(biāo)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

焦?fàn)t氣；純氧非催化部分氧化法；甲醇；工藝優(yōu)化

寶豐能源集團(tuán)焦?fàn)t氣制甲醇項(xiàng)目是國內(nèi)第一套采用純氧非催化部分氧化法制甲醇（250 kt/a）的企業(yè)，自2010年5月試車以來，裝置雖然經(jīng)歷了上百次開、停車遇到了許多前所未有的問題，但是目前此裝置已經(jīng)實(shí)現(xiàn)滿負(fù)荷生產(chǎn)，并且通過與西安航天部第十一研究所的合作開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了工藝燒嘴的國產(chǎn)化。2014年6月第二套（300 kt/a）轉(zhuǎn)化投料試車，目前也實(shí)現(xiàn)了滿負(fù)荷生產(chǎn)。

1　裝置生產(chǎn)運(yùn)行過程中存在的問題

由于此套裝置為全國首套工業(yè)化的焦?fàn)t氣純氧非催化部分轉(zhuǎn)化工藝，在實(shí)際運(yùn)行中暴露出來許多問題，通過深入分析和研究，現(xiàn)主要問題歸納總結(jié)如下：

1.1焦?fàn)t氣中氨超標(biāo)

（1）在高溫?zé)捊惯^程中，煉焦煤中所含的氮有10%～20%變?yōu)榈獨(dú)?，約60%殘留于焦炭中，有15%～20%生成氨，有1.2%～1.5%轉(zhuǎn)變?yōu)檫拎}基［1］。焦化廠硫胺工段采用噴淋式飽和器生產(chǎn)硫酸銨工藝回收了焦?fàn)t氣中絕大部分的氨，但殘存在焦?fàn)t氣中的氨如果超標(biāo)對(duì)下游工藝仍有極大的影響。

（2）在焦?fàn)t氣壓縮工段，焦?fàn)t氣經(jīng)多級(jí)壓縮，壓力提升至約3.0 MPa，焦?fàn)t氣中的氨易結(jié)晶析出堵塞流道，影響壓縮機(jī)的正常運(yùn)行。

（3）氨在轉(zhuǎn)化爐內(nèi)難以轉(zhuǎn)化，被送至甲醇合成塔，造成合成甲醇催化劑中毒，影響催化劑催化活性，縮短催化劑使用壽命。

（4）投產(chǎn)初期焦?fàn)t氣中的氨含量指標(biāo)控制較差。由于氨易溶于水，在焦?fàn)t氣氨含量較高的時(shí)間段溶于水，在含量飽和或者洗滌水溫較高的時(shí)段釋放，進(jìn)而造成焦?fàn)t氣中的氨含量長時(shí)間的超標(biāo)。為了杜絕這一現(xiàn)象，在焦?fàn)t氣中氨含量超標(biāo)的時(shí)間段，加大焦?fàn)t氣洗滌塔的脫鹽水補(bǔ)入量，加大置換，同時(shí)對(duì)與焦?fàn)t氣直接接觸的氣柜環(huán)形水封水進(jìn)行置換，保證洗滌塔內(nèi)的洗滌水中的氨含量和氣柜環(huán)形水封水中的氨含量在一個(gè)較低的水平。同樣在進(jìn)行置換的過程中，會(huì)造成新鮮水和脫鹽水的大量消耗。

1.2焦?fàn)t氣中焦油和粉塵超標(biāo)

焦?fàn)t氣中的焦油霧是在焦?fàn)t氣冷卻過程中形成的。荒煤氣中所含焦油蒸汽在80 g/m3～120 g/m3，在初冷過程中，除有絕大部分冷凝下來形成焦油液體外，還會(huì)以焦油霧（Φ17 μm以內(nèi)）存在于焦?fàn)t氣中［2］，由于焦油霧滴又輕又小，其沉降速度小于煤氣運(yùn)行速度，因而懸浮于焦?fàn)t氣中進(jìn)入下游工段。在焦?fàn)t氣壓縮工段，焦?fàn)t氣經(jīng)多級(jí)壓縮，壓力提升至約3.0 MPa，焦?fàn)t氣中焦油和粉塵凝結(jié)堵塞流道，影響壓縮機(jī)的正常運(yùn)行（見圖1）。

圖1　壓縮機(jī)缸體拆檢后狀況

圖2　底部澆筑料全部脫落，底部澆筑料和剛玉套管外觀

從圖1可以看出焦?fàn)t氣中焦油和粉塵凝結(jié)堵塞流道并對(duì)設(shè)備造成嚴(yán)重腐蝕。焦?fàn)t氣壓縮一般的檢修周期為3個(gè)月，在運(yùn)行至3個(gè)月后焦?fàn)t氣壓縮機(jī)各段間壓力均普遍上漲，以高壓缸最為明顯，喘振點(diǎn)較近，驅(qū)動(dòng)蒸汽壓力稍有波動(dòng)即有可能造成壓縮機(jī)防喘而防喘振閥打開，引起后續(xù)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)因焦?fàn)t氣壓力低和流量低聯(lián)鎖跳車，造成全系統(tǒng)停產(chǎn)。

1.3廢熱鍋爐運(yùn)行周期短

專為此裝置設(shè)計(jì)的全國最大立式廢熱鍋爐，在正常運(yùn)行中有對(duì)轉(zhuǎn)化氣降溫和副產(chǎn)蒸汽的作用。主要由殼體、轉(zhuǎn)化氣盤管、管板循環(huán)冷卻水環(huán)管、撓性管板等部件組成，其中撓性管板承受著較大的熱應(yīng)力，是廢鍋?zhàn)畋∪醯沫h(huán)節(jié)，其材質(zhì)應(yīng)具有很好的強(qiáng)度、韌性和抗腐蝕能力［3］。但在運(yùn)行過程中遇到了很多全新的問題，特別是廢鍋損壞較嚴(yán)重，只得返廠維修，回廠維修一次需要一個(gè)多月時(shí)間，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

廢鍋拆檢的一些圖片（見圖2），可以看出底部澆筑料脫落，撓性管板龜裂、滲漏造成廢鍋不能安全運(yùn)行，直接導(dǎo)致甲醇廠全系統(tǒng)停車。

1.4燒嘴使用周期短

本工程原始設(shè)計(jì)使用卡薩利內(nèi)混式燒嘴，此燒嘴從設(shè)計(jì)原理上來說具有混合效果好，甲烷轉(zhuǎn)化率高，可大幅度減小轉(zhuǎn)化爐尺寸的優(yōu)點(diǎn)。但是在初次投料后使用兩個(gè)小時(shí)后，燒嘴即燒損，經(jīng)拆檢后損壞嚴(yán)重，氧氣流道、焦?fàn)t氣流道、冷卻水通道均嚴(yán)重?zé)龤??？ㄋ_利工藝在本工程的使用以失敗告終。后采用由西安拓沃和航天遠(yuǎn)征兩家設(shè)計(jì)國產(chǎn)的三通道燒嘴。但是燒嘴使用壽命較短，在使用初期，最長的約100 d，最短的只有15 d左右即出現(xiàn)燒損現(xiàn)象。航天十一所檢修圖片（見圖3～圖5）和拓沃的燒嘴檢修圖片（見圖6～圖8）。

圖3　焦?fàn)t氣噴嘴座及整根氧管燒化

圖4　焦?fàn)t氣分布器燒穿

圖5　燒嘴冷卻水內(nèi)管燒損

從圖3～圖8可以看出燒嘴分布器內(nèi)壁損壞、空氣夾層管及外冷卻水內(nèi)管燒穿、焦?fàn)t氣分布器支撐燒損、內(nèi)支撐環(huán)燒穿非常厲害、內(nèi)噴嘴及噴嘴座燒掉，內(nèi)分布器及內(nèi)冷卻水夾套燒損氧噴嘴、焦?fàn)t氣噴嘴、噴嘴座及整根氧管燒化現(xiàn)象，燒嘴運(yùn)行周期短嚴(yán)重制約了裝置安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

圖6　內(nèi)分布器及內(nèi)冷卻水夾套燒損

圖7　焦?fàn)t氣分布器支撐燒損

圖8　內(nèi)冷卻水外管燒損

2　工藝優(yōu)化方案及效果評(píng)價(jià)

2.1氨含量超標(biāo)優(yōu)化方案和效果評(píng)價(jià)

經(jīng)過長時(shí)間數(shù)據(jù)對(duì)比，為了保證連續(xù)生產(chǎn)的情況下維持設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行，根據(jù)裝置實(shí)際運(yùn)行情況，制定了應(yīng)對(duì)氨含量超標(biāo)（氨含量控制指標(biāo)為≤40 mg/m3）的措施如下：

（1）焦化廠嚴(yán)格控制操作工藝指標(biāo)，確保焦?fàn)t氣中氨含量控制在指標(biāo)范圍（控制指標(biāo)為≤40 mg/m3）。

（2）增加對(duì)焦?fàn)t氣壓縮機(jī)各段間冷卻器的沖洗頻率，由前期2 d～3 d沖洗一次改為每班沖洗一次，在沖洗的過程中，嚴(yán)格控制沖洗水量和水質(zhì)，控制沖洗水壓力與汽輪機(jī)缸體壓差，并密切關(guān)注液位和運(yùn)行參數(shù)的變化。

（3）前系統(tǒng)氨含量超標(biāo)時(shí)立即對(duì)預(yù)處理洗滌塔和氣柜中的水進(jìn)行大量置換。

（4）僅靠焦?fàn)t氣洗滌和電捕是無法滿足焦?fàn)t氣指標(biāo)的?，F(xiàn)增加了焦炭過濾器，繼續(xù)過濾吸附洗滌塔未脫除的萘、苯、焦油等，焦?fàn)t氣過濾器采用焦炭層作為過濾介質(zhì)。

（5）如果連續(xù)運(yùn)行2 h后仍超標(biāo)，匯報(bào)集團(tuán)總調(diào)及焦化調(diào)度，甲醇裝置立即做切氣處理防止超量氨帶到系統(tǒng)造成氨結(jié)晶堵塞管道。

效果評(píng)價(jià)：通過一段時(shí)間運(yùn)行證明所采取的控制措施是切實(shí)可行的。

2.2焦?fàn)t氣焦油粉塵超標(biāo)優(yōu)化方案和效果評(píng)價(jià)

（1）增設(shè)焦炭過濾器，焦炭過濾器中焦炭的使用壽命一般在3個(gè)月，需定期觀察及時(shí)更換，以維持其吸附性能。通過增加電捕焦油器的沖洗頻次和縮短焦炭過濾器的更換周期最終將焦?fàn)t氣中焦油粉塵含量控制在指標(biāo)范圍內(nèi)≤8 mg/m3。

（2）效果評(píng)價(jià)：通過實(shí)際運(yùn)行證明所采取的控制措施是切實(shí)可行的。

2.3廢熱鍋爐損壞原因分析、優(yōu)化方案和效果評(píng)價(jià)

2.3.1原因分析經(jīng)過對(duì)損壞的廢鍋進(jìn)行拆檢發(fā)現(xiàn)撓性管板是廢鍋?zhàn)钜讚p壞部位，這主要有以下幾方面原因：

（1）剛玉套管脫落，八根剛玉套管直接處在高溫、高壓、高流速的轉(zhuǎn)化氣環(huán)境之中，強(qiáng)烈的氣流沖刷對(duì)剛玉套管有很大的沖擊和磨損作用，開停車和轉(zhuǎn)化負(fù)荷大幅變化，使得套管經(jīng)常遭受不穩(wěn)定的氣流造成的不均勻應(yīng)力沖擊，極易造成剛玉套管的松動(dòng)乃至脫落，剛玉套管脫落后，使其管口處出現(xiàn)串氣，導(dǎo)致?lián)闲怨馨寰植砍瑴負(fù)p壞［4］。

（2）磨損腐蝕，轉(zhuǎn)化爐內(nèi)壁、連接胡同和廢鍋底部的耐火材料在高速氣流的沖刷作用下，必然會(huì)有部分耐火材料以粉塵的形式夾帶在轉(zhuǎn)化氣中，當(dāng)廢鍋底部剛玉套管脫落后，直接對(duì)撓性管板沖刷摩擦，導(dǎo)致管板局部表面遭受嚴(yán)重的腐蝕損壞，形成了磨損腐蝕［5］。

（3）溫度和壓力劇變的影響，開停車和生產(chǎn)負(fù)荷大幅波動(dòng)時(shí)，溫度和壓力在短時(shí)間內(nèi)急劇變化，致使管板長期處于熱脹冷縮的惡性循環(huán)之中，溫度變化所產(chǎn)生熱應(yīng)力的反復(fù)作用，應(yīng)力分布不均勻，最終管板疲勞損壞而出現(xiàn)裂紋［6］。

（4）硫腐蝕，剛玉套管脫落后，撓性管板處在高溫、高硫的氣體環(huán)境中，管板在磨損腐蝕和熱疲勞初期，高硫轉(zhuǎn)化氣對(duì)其的腐蝕主要為均勻腐蝕，隨著時(shí)間的延續(xù)逐漸向晶間腐蝕轉(zhuǎn)變，并且后者很快占據(jù)主導(dǎo)地位。晶間腐蝕改變了管板材質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度和韌性下降，對(duì)抗熱應(yīng)力變化的能力減弱，繼而出現(xiàn)管板龜裂的現(xiàn)象［7］。

2.3.2優(yōu)化方案

（1）對(duì)原有的剛玉套管結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，原有剛玉套管只是在廢鍋管口外部對(duì)接，且無固定，現(xiàn)在管口內(nèi)部增加50 cm長剛玉套管內(nèi)襯，在管口處焊接三個(gè)螺絲桿，在剛玉套管外部邊緣進(jìn)行固定，保證剛玉套管不脫落同時(shí)在管口及內(nèi)側(cè)噴涂耐溫涂料，降低材質(zhì)表面溫度。

（2）在開車前升溫和停車后的降溫階段，控制溫度變化速率≤25℃～30℃；升降壓速率控制在1.0 MPa/h，防止溫度和壓力的劇烈變化致使直管段承受較大的熱應(yīng)力。

（3）保證管板冷卻循環(huán)水流量，防止因流量過低造成管板局部超溫，根據(jù)電機(jī)負(fù)荷適當(dāng)加大氣冷卻循環(huán)水量。

（4）密切關(guān)注廢鍋液位，控制在60%～75%，液位較低補(bǔ)充鍋爐水時(shí)本著“少量多次”的原則來調(diào)節(jié)閥位，避免單次補(bǔ)水量過大造成管板局部溫度降低而使管板承受不均勻的熱應(yīng)力。

2.3.3效果評(píng)價(jià)經(jīng)過實(shí)際生產(chǎn)檢驗(yàn)，事實(shí)證明所做的一些措施是非常有效的，至目前為止使用時(shí)間最長的一臺(tái)廢熱鍋爐使用壽命為兩年。

2.4燒嘴損壞原因、優(yōu)化方案和效果評(píng)價(jià)

2.4.1原因分析最初設(shè)計(jì)使用的卡薩利內(nèi)混式燒嘴，在使用2 h后即燒毀。后采用由西安拓沃和航天遠(yuǎn)征兩家設(shè)計(jì)的國產(chǎn)三通道燒嘴。但是燒嘴使用壽命較短，最長的約60 d，最短的只有15 d左右即出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，從兩個(gè)廠家提供的燒嘴拆檢情況來看，燒嘴損壞的主要原因有：

（1）處于焊縫熱影響區(qū)內(nèi)，焊接后，熱處理工作做得不好，焊接應(yīng)力未徹底消除，易導(dǎo)致在使用過程中產(chǎn)生裂紋。

（2）燒嘴頭部和筒體過渡位置與環(huán)焊縫位置距離已盡可能加大，燒嘴頭部圓角位置原來出現(xiàn)的多條縱向裂紋已消除，但燒嘴環(huán)焊縫裂紋因焊接應(yīng)力消除不徹底，導(dǎo)致在使用過程中產(chǎn)生裂紋材料在交變應(yīng)力的作用下，在應(yīng)力集中部位發(fā)生疲勞，導(dǎo)致開裂。

（3）回火造成的高溫?zé)g，兩家的燒嘴從結(jié)構(gòu)上來說并沒有大的區(qū)別，事實(shí)上兩家公司也同出一門。而只有在焦?fàn)t氣流量突然大幅減少或者中斷時(shí)才會(huì)出現(xiàn)（見表1）。

表1　燒嘴使用情況分析表

2.4.2優(yōu)化方案

（1）優(yōu)化燒嘴頭結(jié)構(gòu)，將原設(shè)計(jì)的拼接燒嘴頭改為整體加工件，減少焊縫或使焊縫遠(yuǎn)離高溫區(qū)。

（2）燒嘴的冷卻形式沿用雙通道夾套冷卻方式，將冷卻水循環(huán)量加大，以最大限度的將燒嘴頭熱量帶出同時(shí)穩(wěn)定工況。

（3）為了滿足爐頂溫度在正常范圍的要求，可加厚爐頂耐火磚的厚度，以降低拱頂表面溫度，在拱頂溫度較高時(shí)對(duì)拱頂接臨時(shí)氮?dú)獯祾?，?qiáng)制對(duì)流降低拱頂表面溫度。

（4）燒嘴的設(shè)計(jì)及其與爐體的匹配，找到恰當(dāng)?shù)钠胶恻c(diǎn)，轉(zhuǎn)化爐應(yīng)有適宜的長徑比，不能小于3:1，以保證適當(dāng)?shù)耐Ａ魰r(shí)間。

（5）設(shè)置轉(zhuǎn)化爐操作最低負(fù)荷，使高溫區(qū)遠(yuǎn)離燒嘴頭部，避免因回火造成高溫?zé)g。

2.4.3效果評(píng)價(jià)通過以上工藝優(yōu)化使燒嘴的使用壽命由之前的100 d左右延長至目前的180 d左右，極大的延長了燒嘴的使用壽命，確保轉(zhuǎn)化工段長周期運(yùn)行。

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TQ223.121

A

1673-5285（2016）10-0149-05

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.10.035

2016－07-11