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）

內蒙古烏海市焦炭企業眾多，生產過程有大量焦爐氣產生。焦爐煤氣利用率很低，一般被送至火炬系統燃燒放空或者直接排放。排放的焦爐氣中含有萘、苯、焦油等有毒有害物質，其排放量超出了國家排放標準數千倍，嚴重影響了當地居民及周邊城市環境。焦爐氣中又含有 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，改善環境，緩解化肥裝置天然氣供應不足的矛盾，寧夏石化公司2011年啟動焦爐氣綜合利用，用焦爐氣部分替代天然氣作為生產合成氨的原料氣。

焦爐氣分離崗位的主要任務是將來自烏海來峰站的3.0 MPa的焦爐煤氣，采用變壓吸附技術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品氫氣，經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，設計指標（見表2、表3）。

表2 液氮洗尾氣組分設計指標（體積/%）

表3 液氮洗尾氣組分實際指標（體積/%）

1.3 解析氣組分

解析氣是從烏海送來的焦爐氣，經過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℃；焦爐氣解析氣4120-K3/K4，壓力3.5 MPa，穩定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（見圖2）。

2 氣化接入焦爐氣存在的問題

從啟動焦爐氣項目，到設備安裝歷時一年多，到2013年4月完成了裝置的穩定試車運行。分別向用戶一套，二套輸送產品氫氣，解析氣，由于提壓輸送設備為往復式壓縮機，輸送介質有其固有的脈沖性。化肥一廠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。化肥一廠氣化崗位氣化爐造氣原理為德士古氣化爐，氣態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在1 200～1 350℃的高溫條件下反應。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CH4無法控制在0.5%～1.5%正常范圍內，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裝置的安全穩定運行都有很大的危害。CH4過低會使氣化爐出現過氧現象，氣化爐超溫在，直接威脅氣化爐的安全穩定運行和使用壽命；其次過量的氧氣進入后續的碳黑洗滌塔4112-C1，有爆炸的危險；后進入CO變換爐使變換爐內的變換觸媒過氧超溫，使觸媒燒結失去活性。CH4含量過高：一是氣化爐反應生成大量的碳黑，生成有效氣減少，合成氨產量下降，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。

由于焦爐氣并入氣化爐流量大幅波動，焦爐氣裝置運行不穩定，氣化爐頻繁的接入退出解析氣，以及焦爐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，發現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重；6月，4112-F1-1停車，檢查頂部爐磚同樣損壞嚴重。由于氣化爐陰燒，生成大量炭黑帶入4114-R1CO變換爐，造成變換觸媒反應活性大幅下降，出口CO含量控制指標超標，為了控制指標的合格，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）提壓輸送設備為往復式壓縮機，輸送介質有一定的脈沖性，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，輸送介質流量波動，機體振值高，發生機體泄漏，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事故。

（2）焦爐氣產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，致使介質在輸送過程中產生管線振動，流量波動。

（3）往復式壓縮機輸送介質有其固有的脈沖性，最有效的解決方法是在其出口設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有級間緩沖罐而容積很小，在出口沒有設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

對介質輸送管線增加支撐立柱和橫向支撐架固定管線，解決介質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要求，故將此裝置切出系統，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，穩定運行。根據三股原料氣成分，壓力，溫度均符合脫硫罐耐壓，耐溫，耐腐蝕等各項設計要求，可直接將脫硫罐作為三股原料氣的緩沖罐使用，經脫硫觸媒卸除，把原來并聯形式改為串聯形式便可投入使用。

4.4 利用脫硫罐后的簡要流程

從界區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℃；焦爐氣解析氣4120-K3/K4，壓力3.5 MPa，穩定40℃；三股物料匯合后進入4112-V17A，B進行混合緩沖調壓后以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。

5 結語

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，流量相對較為穩定，有利于天然氣壓縮機穩定運行，提高壓縮機性能和安全穩定運行。同時穩定的氣體組分，壓力，流量有利于氧/氣比的穩定調整，從而更好的將氣化爐最重要的控制指標出口CH4含量穩定控制在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定接入解析氣5 000 m3/h，最高接至10 000 m3/h，實現了裝置長期穩定運行。崗位在接氣退氣及緊急跳車情況下可從容處理調整工況，保證了裝置安全，穩定，高效運行。

［1］林玉波.合成氨生產工藝與操作［M］.北京：中國石化出版社，1993.

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

［3］寧夏石化公司合成氨裝置，焦爐氣裝置培訓教材（內部資料）［G］.寧夏石化公司.