淺談對甲醇生產(chǎn)轉化反應的技術研究

一、研究背景

河北峰煤焦化公司甲醇車間利用焦化裝置副產(chǎn)的焦爐煤氣生產(chǎn)甲醇。設計生產(chǎn)規(guī)模為10萬噸/年甲醇，實際生產(chǎn)能力9.6萬噸/年甲醇。

在整個甲醇裝置中，轉化爐屬于核心設備之一。轉化爐內(nèi)裝有轉化催化劑，在爐內(nèi)采用加壓催化部分氧化法，在轉化爐上部燃燒室內(nèi)，焦爐氣中氫氣甲烷與氧氣進行燃燒反應，產(chǎn)生大量熱量，為在轉化催化劑床層的甲烷蒸汽轉化反應提供熱量，生成H2、CO、CO2，為后序甲醇合成提供有效的原料氣。轉化爐作為甲醇生產(chǎn)的關鍵設備，其操作要求級別也是最高的。

在正常生產(chǎn)過程中車間發(fā)現(xiàn)該進料方式存在諸多不確定因素及較大的安全隱患。因此，改變轉化爐的進料方式將是解決問題的關鍵所在，本項目的實施也由此得來。

二、重點要解決的問題

1、環(huán)形分布器存在問題

（1）環(huán)形分布器使用剛玉磚砌筑，采用側向螺旋進氣，在使用中后期，剛玉磚上開的氧氣孔沖刷嚴重，剛玉磚變薄，氣孔變大，剛玉磚磚縫澆注料脫落形成氣縫造成燃燒室內(nèi)氧氣分布不均勻，偏燒現(xiàn)象和局部回火現(xiàn)象嚴重，很容易燒壞爐壁，發(fā)生轉化爐燒穿等重大安全事故。

（2）環(huán)形分布器帶來的偏燒現(xiàn)象，造成工藝氣在進入觸媒層時溫差大，反應不均勻，導致觸媒結塊現(xiàn)象嚴重，影響觸媒的使用壽命、活性和甲醇產(chǎn)量。

（3）環(huán)形分布器使用壽命短，設計只有6個月，而且一旦生產(chǎn)負荷較大，或者開停車頻繁時，其損壞速度將更快。

2、轉化爐作為甲醇一車間核心設備之一，操作溫度最高，燃燒室最高達1600℃左右，其危險性也最大，由于環(huán)形分布器存在以上缺陷，造成轉化爐在生產(chǎn)過程中始終存在諸多不安全因素，十分不利于正常生產(chǎn)。

3、由于轉化爐內(nèi)火焰不能監(jiān)控，只靠檢測轉化爐外部和下部溫度為依據(jù)，其發(fā)生燒穿事故時一般沒有預兆，屬于瞬間發(fā)生，一旦停車處理不及時，可能導致高溫火焰噴出，后果不堪設想。2011年5月8日凌晨3點23分，甲醇一車間轉化爐夾套回水溫度由49.5度突然驟升至145度，操作工判斷轉化爐內(nèi)襯可能出現(xiàn)問題，在1分鐘內(nèi)切氧停車，在后續(xù)開蓋檢查過程中，發(fā)現(xiàn)轉化爐內(nèi)襯燒出1米見方大洞，轉化爐鋼板已經(jīng)燒穿，幸虧停車及時，未造成較大事故的發(fā)生，后經(jīng)分析確定為環(huán)形分布器局部偏燒，造成內(nèi)襯局部溫度過高，燒穿爐壁。

4、由于環(huán)形分布器使用壽命短，制約了甲醇裝置的連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)，甲醇一車間自投產(chǎn)以來，每年至少兩次檢修，以保證轉化爐的安全。如果由于轉化爐發(fā)生事故被動停車，其檢修時間至少一個月，甲醇一車間自投產(chǎn)以來，轉化爐分別在2011年5月和2013年1月發(fā)生過兩次燒穿事故，兩次事故雖都未造成人員傷亡，但影響生產(chǎn)時間都達1個月以上，給公司造成的經(jīng)濟損失十分嚴重。

因此，轉化爐已嚴重制約了甲醇裝置的正常生產(chǎn)，必須考慮對其進行改造解決以上存在問題，使甲醇系統(tǒng)的安全等級和生產(chǎn)效率進一步提高。

三、技術改造方案

根據(jù)近幾年轉化爐使用過程中存在問題，車間經(jīng)多方考察研究，認真研究轉化爐爐型和其進料方式，結合目前最先進的爐型設計技術，以及各兄弟單位的技術經(jīng)驗，提出了對原轉化爐進料方式及爐型進行技術改造的方案，以解決環(huán)形分布器型轉化爐存在的各種安全隱患。

總體思路：以現(xiàn)有的轉化爐為基礎，改原兩側進氧的環(huán)形分布器（非金屬燒嘴）為中心進氧的金屬燒嘴，將轉化爐水冷套提高至轉化爐上封頭法蘭下方，增加燒嘴的冷卻水保護系統(tǒng)，保證改造后的轉化爐安全高效的運行。

基本原則：以現(xiàn)有設施為基礎，進行低成本改造，同時應確保改造后轉化爐的安全運行。

現(xiàn)有轉化爐由觸媒層上部切割，轉化爐下半部分保留繼續(xù)使用，重新設計、制造轉化爐上半部分。改造后轉化爐采用中心燒嘴供氧方式，原焦爐氣進口由兩側進氣改為單側進氣。設計相應的燒嘴冷卻水系統(tǒng)和事故應急系統(tǒng)。

四、項目的先進性

本改造方案，一個中心思路是通過改造來改變轉化爐的燃燒方式：即將環(huán)形分布器（非金屬燒嘴）型改造為中心燒嘴型轉化爐。下面將對金屬燒嘴的先進性進行分析。

1、結構特點

（1）、燒嘴為多套管單孔噴射式結構，中心管道為氧氣蒸汽通道，夾套為保護蒸汽通道，外管為復層結構，冷卻水從其中進出，燒嘴外側保護結構，具有應力自動補償機構，徹底解決了燒嘴工況變化時對燒嘴的影響，大大延長了燒嘴的使用壽命。

（2）、燒嘴頭部外側設計有焦爐氣分布器，起到均布焦爐氣的流量和速度的作用，焦爐氣分布器可在檢修時隨燒嘴、封頭一同抽出。

2、技術要求

金屬燒嘴的設計要求焦爐氣與氧氣混合均勻，燃燒充分，爐頂空間溫度場與流場分布合理，具體表現(xiàn)為：

（1）、火焰長度合理，進入催化劑床層前，氧氣燃盡，溫度與組成分布均勻；

（2）、燒嘴燃燒火焰在爐膛中心，避免火焰直接接觸到爐內(nèi)壁耐火材料；

（3）、正常操作下爐內(nèi)耐火材料任何一處的溫度不超過1400℃；

（4）、燒嘴能夠在較寬的負荷范圍內(nèi)良好運行；

（5）、燒嘴采用蒸汽保護和水夾套強制冷卻設計，本質(zhì)安全系數(shù)高。

（6）、催化劑床層入口工藝氣體同平面溫差≤8℃，保證了反應更充分，生產(chǎn)效率更高；

（7）、金屬燒嘴使用壽命保證大于24個月，大大降低了檢修頻次。

五、主要技術原則和設備特性

1、放棄當前轉化爐采用的環(huán)形分布器配氧的形式，改變了燃燒方式，采用金屬燒嘴配氧，實現(xiàn)效益、安全雙豐收。

2、充分利用現(xiàn)有設備，減少初期投資。

3、就近配置保護蒸汽和鍋爐水，并設置穩(wěn)壓罐和換熱器，實現(xiàn)鍋爐水的循環(huán)利用，增加了EPS系統(tǒng)，保證突然停電狀態(tài)下系統(tǒng)的正常運行，提高了本質(zhì)安全性。

4、系統(tǒng)工藝流程簡圖

由上圖可以看出，整個燒嘴系統(tǒng)設置了完整的保護水和保護蒸汽，保證了整個系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

六、項目改造存在問題的解決及今后進一步需完善的方面

由于該項目在原設備上進行的改造，存在一定的局限性，包括流體力學方面的問題，火焰燃燒的溫度場分布問題，事故狀態(tài)下燒嘴保護問題等，不能像整體設計的那么完善。這就要求我們在改造和操作過程中充分考慮以下問題：

1、一定要計算好觸媒裝填高度，既不能太低也不能太高，調(diào)整好最合適的燃燒室高度，以保證火焰的燃燒空間；

2、在操作上控制好水碳比，配氧量，以及各介質(zhì)的壓差，保證燒嘴在使用過程中的安全穩(wěn)定性，發(fā)揮好金屬燒嘴的優(yōu)勢；

3、充分發(fā)揮好EPS應急電源和緩沖罐系統(tǒng)的作用，并保證備用水泵的完好性，在突發(fā)事故時，能第一時間啟動備用水泵，保證燒嘴保護水的流量，確保燒嘴在事故狀態(tài)下的使用安全。

4、在金屬燒嘴的選擇上，一定要以實際生產(chǎn)工藝為導向，選擇最適合的金屬燒嘴作為備用。

參考文獻：

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作者簡介：

張川川（1983—），男，河北，化工工程師，化工生產(chǎn)技術管理方向。