蒸汽轉化爐對流段熱效率低的原因分析

(中海石油建滔化工有限公司，海南 東方 572600)

中海石油建滔化工有限公司甲醇裝置由DPT設計，采用低壓甲醇合成技術[1]，以天然氣為原料，設計日產2 500 t精甲醇。裝置投產至今已經超過3 a，生產過程中發現蒸汽轉化爐對流段熱效率沒達預期的效果，部分換熱盤管存在超溫現象，部分工藝氣經盤管加熱后無法達到設計溫度，為保護超溫盤管，裝置必須減負荷運行，影響了產量。現對蒸汽轉化爐對流段熱效率低的原因作一分析，并尋求相應的改進措施。

圖1 轉化系統流程簡圖

1 蒸汽轉化爐介紹

本裝置蒸汽轉化爐采用頂燒式，輻射段爐膛內共有448根轉化管，分成8排，每排56根；共有144個燒嘴，分成9排，每排16個。對流段煙道氣入口處有8個輔助燒嘴，輔助燒嘴后共有8組換熱器。E303/2和E303/1為高壓蒸汽過熱盤管，轉化氣廢熱鍋爐產生的高壓蒸汽流經兩組盤管加熱至510 ℃進入高壓蒸汽管網；E304為天然氣脫硫加熱器，將原料氣加熱至365 ℃，然后送往脫硫系統，將硫脫除到10×10-9以下；脫硫系統出來的原料氣與蒸汽混合后，經E303/2和E303/1加熱至575 ℃，然后進入預轉化爐，高碳烴轉化為輕組分；從預轉化爐出來的工藝氣流經E302/2和E302/1加熱至630 ℃，然后送入蒸汽轉化爐生成甲醇合成氣。E305為燃燒空氣加熱器，空氣被加熱至379 ℃，然后送往燒嘴。轉化系統流程示意如圖1。

2 蒸汽轉化爐對流段存在的問題

對流段熱效率較差，與設計工況不符。主要表現為對流段出口的排煙溫度偏高、E304和E305進口的煙氣溫度偏高、預轉化爐入口工藝氣溫度偏低、蒸汽轉化爐入口工藝氣溫度偏低。對流段排煙溫度高造成E305超溫、引風機轉速高和振動大、透平軸頭泵安全閥頻繁啟跳等問題，影響了設備的安全運行；為保護設備，裝置必須減負荷運行，影響了產量。預轉化爐入口和蒸汽轉化爐入口工藝氣溫度偏低，造成蒸汽轉化爐的燃氣用量增加，增加了能耗。

3 轉化爐對流段熱效率差的原因分析

3.1 煙氣偏流的影響

煙氣偏流一般是指煙氣的流量、成分和溫度分布不均。其中，煙氣溫度分布不均是造成對流傳熱效率下降的重要原因。將對流段各組換熱器溫度的實際操作值與設計值進行比較，發現換熱效率表現最差的主要是E303/2。據對流段的結構，我們檢測了E303/2前后不同高度下的煙氣溫度，見表1。

表1 E303/2前后不同位置煙氣溫度情況

注：測溫位置是指測溫點與對流段底部的距離。

測溫從對流段頂部開始，往下依次測量，E303/2前后各測了2組數據(東側、西側)。序號1對應的溫度偏低，這是因為對流段為負壓，在測量過程中冷空氣進入造成的；序號10對應的溫度也不準，因為測量時接觸到了保溫模塊；而序號2～9對應的溫度偏差很小，表明E303/2前后的煙氣溫度分布很均勻， E303/2換熱效率差不是由煙氣溫度分布不均造成的。

3.2 過剩空氣的影響

在實際的燃燒過程中，由于燒嘴結構造成的空氣和燃料混合不均和轉化爐爐體的漏氣等因素，實際進入的空氣量比理論空氣量要多，實際空氣量與理論空氣量的比值稱為過剩空氣系數。過剩空氣系數過小，則燃燒不完全，浪費燃料，甚至造成二次燃燒；過剩空氣系數大，可以使燃料完全燃燒；過剩空氣系數過大，則會使煙氣攜帶的熱量增多，降低轉化爐的熱效率，造成對流段出口煙氣溫度上漲。本裝置過剩空氣系數設計值約1.09，而實際值比設計值稍高，對對流段熱效率有一定的影響，但不會是造成對流段熱效率低的主要原因。

3.3 粉塵的影響

轉化爐運行一段時間后，對流段換熱盤管的翅片上會出現一層粉塵，這些粉塵會影響傳熱效果，也會造成對流段的阻力增加，必須提高引風機轉速才能維持轉化爐爐膛正常的負壓。這些粉塵主要源自轉化爐耐火材料的粉化[2,3]，以及燒嘴處燃燒不充分和轉化管表面的氧化層脫落。本裝置轉化爐燒嘴處燃燒并不很充分，煙氣中含有較多的粉塵，經常會在輻射段轉化管上形成非常明顯的附著物，導致轉化管形成亮斑，粉塵隨煙氣進入對流段后又附著在換熱盤管翅片上，影響傳熱效率。另外，由于本裝置過剩空氣系數控制稍高，煙氣中氧含量較高，煙氣側高溫爐管表面被氧化，爐管表面形成一層脆性的氧化物，這層氧化物與母體的熱膨脹系數不一樣，很容易脫落[4]。在檢修期間對對流段換熱盤管進行清理，能顯著改善對流段的熱效率，每次清理后對流段的排煙溫度能降低約5 ℃，運行約3個月后恢復到原狀。通過計算，此舉大約能節省280 km3的燃料天然氣。

3.4 預轉化催化劑活性的影響

原料氣在預轉化爐中發生吸熱反應，將高碳烴轉化為輕組分，能夠降低下游蒸汽轉化爐的負荷。在預轉化催化劑使用初期，預轉化爐的溫降為60～80 ℃；隨著催化劑使用時間的增加，溫降將逐漸減小，這就意味著預轉化爐出口工藝氣溫度會逐漸上漲，則對流段的煙氣溫度會逐漸上

漲，此時裝置必須進行調整，否則會造成對流段排煙溫度更高、E305出口超溫更嚴重。在實際生產中，隨著預轉化爐溫降的減小，裝置的負荷也在跟著降低，對本裝置而言，預轉化催化劑的活性也是影響對流段熱效率的重要因素。

3.5 換熱盤管換熱面積不足的影響

通過對對流段的溫度情況進行分析，發現E303/2入口煙氣溫度與設計值一致時，E303/2出口工藝氣溫度偏低，而出口煙氣溫度則偏高，這表明 E303/2的換熱能力不夠。通過設計院模擬仿真，最終確認E303/2換熱面積不足，造成其出口煙氣溫度比設計溫度高40～50 ℃，這是造成所有問題的最主要原因。如果增加E303/2換熱面積，將轉化爐入口工藝氣溫度提至設計值，通過模擬計算，裝置能夠節能6～8 MW；同時，也能解決E303/2換熱面積不足造成的設備方面的問題，裝置能夠滿負荷運行。

4 結 語

通過分析發現，預轉化爐入口加熱器E303/2換熱面積不足，是造成蒸汽轉化爐對流段熱效率低的最主要原因。對此，公司將進行項目改造，改造后的節能增產效果將十分顯著。另外，根據對其他影響因素的分析，通過清理對流段換熱盤管上的粉塵、適當降低過剩空氣系數、及時更換預轉化催化劑等手段也能有效提高蒸汽轉化爐對流段的熱效率。

參考文獻：

[1]劉志臣.幾種先進的低壓甲醇生產技術簡介[J].化肥工業,2008，35(3)：6～10.

[2]張克銘.陶瓷纖維衰變及損壞機理[J].工業爐,2006，29(2)：44～46.

[3]嚴云，胡志華.耐火澆注料襯里自粉化現象的原因初探[J].工業爐，2005，28(2)：43～45.

[4]杜燈華.過剩空氣系數a對管式加熱爐的影響[J].化工設備和管道，2004，41(5)：48～49.