天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化工藝的設(shè)計(jì)優(yōu)化及問(wèn)題的解決

曹文欣，李清博，帥敏剛

（陜西延長(zhǎng)中煤榆林能源化工股份有限公司，陜西 榆林 718500）

陜西延長(zhǎng)中煤榆林能源化工股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱榆能化）一期啟動(dòng)項(xiàng)目填平補(bǔ)齊工程以煤和天然氣為原料，建設(shè)180萬(wàn)t·a-1甲醇、60萬(wàn)t·a-1甲醇制烯烴、40萬(wàn)t·a-1聚丙烯和30萬(wàn)t·a-1低密度聚乙烯/乙烯-醋酸乙烯聚酯（LDPE/EVA）一體化裝置。為填平補(bǔ)齊工程配套的86980Nm3·h-1天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化裝置，以油田天然氣為原料，采用天然氣脫硫、天然氣飽和、使用預(yù)轉(zhuǎn)化爐和蒸汽轉(zhuǎn)化爐生產(chǎn)合成氣等先進(jìn)技術(shù)，于2018年9月13日正式動(dòng)工建設(shè)，2020年12月份基本建成并轉(zhuǎn)入試車，2020年12月27日一次投料成功，產(chǎn)出合格產(chǎn)品氣。

1 天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化裝置的原料及產(chǎn)品指標(biāo)

天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化裝置主要采用一段蒸汽轉(zhuǎn)化，在高溫及催化劑的作用下，天然氣和水蒸氣在轉(zhuǎn)化爐內(nèi)發(fā)生甲烷轉(zhuǎn)化反應(yīng)，生產(chǎn)一氧化碳和氫氣[1]。設(shè)計(jì)負(fù)荷為86980Nm3·h-1的天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化裝置，原料指標(biāo)見(jiàn)表1，產(chǎn)品指標(biāo)見(jiàn)表2。

表1 天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化裝置的原料指標(biāo)

表2 天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化裝置產(chǎn)品氣指標(biāo)

2 設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化及工藝流程的改進(jìn)

一期啟動(dòng)項(xiàng)目配套建設(shè)的90440 Nm3·h-1天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化裝置于2014年7月投入運(yùn)行。運(yùn)行中存在以下問(wèn)題：催化劑還原時(shí)無(wú)高純氫氣供應(yīng)；異常工況時(shí)脫硫系統(tǒng)無(wú)法立即補(bǔ)充氫氣以去除原料天然氣中的飽和烯烴并轉(zhuǎn)化有機(jī)硫；鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)的能力不足限制了裝置負(fù)荷的提升；轉(zhuǎn)化爐煙氣出口的氮氧化物含量高，工藝凝液的回收率偏低，燃料DCC干氣過(guò)剩放空。在建設(shè)填平補(bǔ)齊工程的天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化項(xiàng)目時(shí)，根據(jù)工藝系統(tǒng)需求，在充分總結(jié)一期啟動(dòng)項(xiàng)目天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化工藝運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化的設(shè)計(jì)方案及工藝流程進(jìn)行了針對(duì)性的改進(jìn)和優(yōu)化。

2.1 將PSA氫氣引入工藝流程

一期啟動(dòng)項(xiàng)目天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化裝置使用DCC富氫氣對(duì)催化劑進(jìn)行還原。由于DCC富氫氣的純度不高，雜質(zhì)較多，且氣體組分不穩(wěn)定，導(dǎo)致催化劑的還原過(guò)程不穩(wěn)定，影響了催化劑的活性及使用壽命。為此在進(jìn)行填平補(bǔ)齊工程天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化裝置設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)化了設(shè)計(jì)流程，將PSA裝置產(chǎn)的低壓高純氫氣引入工藝流程，對(duì)催化劑進(jìn)行還原，既提高了催化劑還原時(shí)的穩(wěn)定性和可靠性，又提升了催化劑的使用壽命及活性。

2.2 增加了馳放氣的互聯(lián)互通

針對(duì)一期啟動(dòng)項(xiàng)目甲醇合成裝置發(fā)生異常工況時(shí)，脫硫系統(tǒng)無(wú)氫氣脫硫、存在有機(jī)硫超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)，填平補(bǔ)齊工程天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化裝置在繼續(xù)使用下游甲醇合成裝置馳放氣加氫的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，增加了一期啟動(dòng)項(xiàng)目甲醇合成裝置馳放氣與填平補(bǔ)齊工程甲醇合成裝置馳放氣互聯(lián)互通的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了兩期裝置馳放氣不斷供的目標(biāo)，可確保脫硫系統(tǒng)持續(xù)安全運(yùn)行，保證催化劑不會(huì)出現(xiàn)硫穿透，天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化裝置催化劑的運(yùn)行周期得以大大延長(zhǎng)。

2.3 提升了鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)的能力

一期啟動(dòng)項(xiàng)目天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化裝置中，鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)能力偏低，制約了裝置負(fù)荷的提升，為此填平補(bǔ)齊工程天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化裝置的鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)的能力按正常工況的130%進(jìn)行設(shè)計(jì)。正常工況下按照設(shè)計(jì)流量運(yùn)行，當(dāng)提升負(fù)荷需要增加鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)的流量時(shí)，可逐步提升至最大設(shè)計(jì)余量運(yùn)行，以確保裝置可在設(shè)計(jì)負(fù)荷下安全平穩(wěn)運(yùn)行。

2.4 增加了脫硝單元

為了降低轉(zhuǎn)化爐煙氣中氮氧化物的排放值，確保環(huán)保達(dá)標(biāo)，將填平補(bǔ)齊工程天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化裝置中的轉(zhuǎn)化爐燃燒器，改進(jìn)為氮氧化物排放值為120mg·Nm-3的燃燒器。同時(shí)，考慮到未來(lái)氮氧化物的排放指標(biāo)會(huì)限定至更低值的發(fā)展趨勢(shì)，在轉(zhuǎn)化爐的對(duì)流段增設(shè)了脫硝單元，以確保轉(zhuǎn)化爐煙氣的氮氧化物含量可以降至更低的水平。

2.5 增加了換熱器

一期啟動(dòng)項(xiàng)目天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化裝置中，飽和塔中的工藝凝液與合成汽包的副產(chǎn)蒸汽換熱后用于飽和天然氣并參與反應(yīng)。由于換熱器的設(shè)計(jì)值偏小，工藝凝液不能全部被蒸汽加熱并用于飽和天然氣，導(dǎo)致需要額外增加過(guò)熱蒸汽參與反應(yīng)。填平補(bǔ)齊工程天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化裝置中，增加了換熱器中合成汽包的蒸汽量，提高了換熱器的出口溫度，使得工藝凝液的回收量提高至90%，比一期凝液的回收量更高(67%)，由此降低了參與反應(yīng)的過(guò)熱蒸汽的消耗量。

2.6 DCC燃料氣實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通

在裝置大檢修及開(kāi)車前后，一期啟動(dòng)項(xiàng)目天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化裝置中使用的DCC燃料氣要經(jīng)歷一個(gè)需求量不大的工況， DCC燃料氣需放空而導(dǎo)致了浪費(fèi)。填平補(bǔ)齊工程天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化裝置在設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)化了流程，在兩期燃料氣管網(wǎng)上增加了DCC燃料氣互聯(lián)互通的設(shè)計(jì)。當(dāng)兩期中的其中一個(gè)天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化裝置出現(xiàn)燃料氣需求下降的情況時(shí)，DCC燃料氣會(huì)送往另一個(gè)裝置，以確保DCC燃料氣得到100%的穩(wěn)定回收，降低運(yùn)行成本。

2.7 增加了對(duì)流段換熱模塊的分布設(shè)計(jì)

一期啟動(dòng)項(xiàng)目天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化裝置中，轉(zhuǎn)化爐煙囪的煙氣出口溫度設(shè)計(jì)為161℃。由于轉(zhuǎn)化爐對(duì)流段的熱平衡不足，導(dǎo)致轉(zhuǎn)化爐煙囪煙氣的出口溫度偏高，并影響了裝置運(yùn)行負(fù)荷的提升。在填平補(bǔ)齊工程天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化裝置中，重新設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)化爐對(duì)流段模塊的分布，并將煙氣換熱器的出口溫度降低至130℃，最終煙囪煙氣溫度得以在較低的水平運(yùn)行，裝置可以按照設(shè)計(jì)負(fù)荷平穩(wěn)運(yùn)行。

2.8 增加了半回路氮?dú)庋h(huán)

天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化裝置在開(kāi)車升溫階段，要使用氮?dú)庋h(huán)并將脫硫床層加熱到足夠溫度時(shí)，天然氣才被引入脫硫系統(tǒng)。脫硫床層只有充分脫硫后，天然氣才被引入預(yù)轉(zhuǎn)化爐，但充分脫硫需要多長(zhǎng)時(shí)間，經(jīng)常存在不確定性。此時(shí)氮?dú)庋h(huán)停止，預(yù)轉(zhuǎn)化爐及轉(zhuǎn)化爐的床層溫度存在下降的情況，甚至?xí)档椭镣读蠝囟纫韵?，需要重新建立氮?dú)庋h(huán)，對(duì)催化劑進(jìn)行升溫。另外在脫硫段，氮?dú)廪D(zhuǎn)換到天然氣的過(guò)程中會(huì)有短暫的氮?dú)馔?，這種情況可能導(dǎo)致脫硫預(yù)熱器的爐管過(guò)熱。為了避免出現(xiàn)這種情況，在填平補(bǔ)齊工程天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化裝置中增加了半回路氮?dú)庋h(huán)的設(shè)計(jì)。在脫硫系統(tǒng)進(jìn)行天然氣脫硫時(shí)，氮?dú)庠陬A(yù)轉(zhuǎn)化爐及轉(zhuǎn)化爐中繼續(xù)循環(huán)，以確保轉(zhuǎn)化爐及預(yù)轉(zhuǎn)化爐的床層溫度不會(huì)降低，避免催化劑的床層溫度降低至投料溫度以下，同時(shí)可有效降低脫硫預(yù)熱器的爐管過(guò)熱的風(fēng)險(xiǎn)。

2.9 縮短了合成塔的開(kāi)車時(shí)間

下游合成裝置的開(kāi)車過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)，期間只有消耗沒(méi)有產(chǎn)出，為此盡可能縮短開(kāi)車時(shí)間顯得尤為重要。在開(kāi)車階段，對(duì)合成塔進(jìn)行中壓蒸汽加熱時(shí)存在加熱速率緩慢的情況。在填平補(bǔ)齊工程天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化裝置的設(shè)計(jì)中，增加了轉(zhuǎn)化汽包的飽和高壓蒸汽送下游合成裝置合成塔進(jìn)行加熱的流程，可大大縮短合成塔的開(kāi)車時(shí)間，為后續(xù)工藝系統(tǒng)早日產(chǎn)出產(chǎn)品打下良好的基礎(chǔ)。

3 試車中出現(xiàn)的問(wèn)題及解決措施

3.1 高壓蒸汽管道發(fā)生液擊位移

裝置原始開(kāi)車運(yùn)行時(shí)正處于冬季，零下溫度使得天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化裝置的高壓蒸汽管道放空閥出現(xiàn)了凍住無(wú)法動(dòng)作的情況。在用蒸汽對(duì)調(diào)節(jié)閥閥體進(jìn)行吹掃解凍，打開(kāi)放空閥進(jìn)行蒸汽壓力調(diào)節(jié)的過(guò)程中，高壓蒸汽管道發(fā)生了液擊，導(dǎo)致蒸汽管道出現(xiàn)位移，部分管道吊架脫落，為此被迫采用臨時(shí)支架進(jìn)行了固定。現(xiàn)場(chǎng)排查后發(fā)現(xiàn)，液擊原因是高壓蒸汽放空閥設(shè)置在低點(diǎn)靠近主蒸汽管道處，因放空閥后的管道低點(diǎn)導(dǎo)淋未打開(kāi)以保持疏水狀態(tài)，導(dǎo)致放空閥后的管道低點(diǎn)存有積水，由此在蒸汽調(diào)節(jié)閥閥門打開(kāi)時(shí)產(chǎn)生了液擊。為此在停車時(shí)，對(duì)高壓蒸汽放空調(diào)節(jié)閥的位置進(jìn)行了調(diào)整，改為設(shè)置在靠近消音器的高點(diǎn)，且蒸汽管線低點(diǎn)的疏水導(dǎo)淋保持常開(kāi)。改造后蒸汽管道運(yùn)行正常。

3.2 轉(zhuǎn)化爐對(duì)流段高壓蒸汽過(guò)熱器模塊頂部的振動(dòng)偏高

裝置原始開(kāi)車提升負(fù)荷至滿負(fù)荷后，出現(xiàn)了對(duì)流段高壓蒸汽過(guò)熱器模塊頂部的振動(dòng)偏高的情況，且隨著負(fù)荷升高，煙氣量也明顯增加，但95%負(fù)荷以下則未見(jiàn)明顯振動(dòng)。打開(kāi)模塊回彎側(cè)彎頭箱面板觀察，并測(cè)量模塊管束的振動(dòng)（測(cè)量值＜1mm·s-1），未發(fā)現(xiàn)異常，由此排除了因模塊管束內(nèi)蒸汽介質(zhì)振動(dòng)引起的模塊振動(dòng)。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)計(jì)算分析，認(rèn)為是煙氣與模塊共振引發(fā)的振動(dòng)，考慮采取調(diào)整轉(zhuǎn)化爐的煙氣量，并在模塊頂部進(jìn)行加固的措施。計(jì)劃利用停車的機(jī)會(huì)，在模塊頂部使用熱軋普通碳素H型鋼進(jìn)行外殼鋼結(jié)構(gòu)加固，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行切割下料焊接安裝，并設(shè)置排水孔。

3.3 轉(zhuǎn)化爐爐膛煙氣的溫度高

裝置原始開(kāi)車運(yùn)行后，出現(xiàn)了轉(zhuǎn)化爐爐膛出口煙氣的溫度最高點(diǎn)超過(guò)聯(lián)鎖值，且其余溫度測(cè)點(diǎn)全部在報(bào)警值以上，轉(zhuǎn)化爐爐膛的溫度高于設(shè)計(jì)的情況，對(duì)轉(zhuǎn)化爐爐管、煙道墻及對(duì)流段模塊的支撐造成了一定的影響。對(duì)轉(zhuǎn)化爐的爐管進(jìn)行測(cè)溫檢查，發(fā)現(xiàn)爐管溫度低于正常值，爐管運(yùn)行安全。分析工藝運(yùn)行數(shù)據(jù)，催化劑運(yùn)行活性良好，但爐膛溫度高，爐管溫度低，表明爐內(nèi)煙氣和爐管之間的傳熱低于預(yù)期?？紤]采取改進(jìn)轉(zhuǎn)化爐的燃燒器、調(diào)整轉(zhuǎn)化爐的水碳比等措施，以改善這一問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

填平補(bǔ)齊工程天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化裝置，采用了與一期啟動(dòng)項(xiàng)目天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化同一專利商的改進(jìn)型工藝流程，在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行查漏補(bǔ)缺，優(yōu)化了設(shè)備及操作流程，天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化裝置項(xiàng)目的建設(shè)和試車較為順利，但在裝置的運(yùn)行方面仍存在一些問(wèn)題，如轉(zhuǎn)化爐膛的溫度偏高、轉(zhuǎn)化爐對(duì)流段模塊的振動(dòng)大等。要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)、節(jié)能降耗和裝置的安全平穩(wěn)長(zhǎng)周期運(yùn)行，還有大量的工作要做，在今后的工藝運(yùn)行操作中，要不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，改進(jìn)操作，以確保天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化裝置安穩(wěn)長(zhǎng)滿優(yōu)運(yùn)行。