甲醇裝置轉化爐出口甲烷偏高原因分析

楊乾明

［建滔（河北）焦化化工有限公司，河北 內丘 054200］

我公司有兩套100kt／a焦爐氣制甲醇裝置。二期甲醇裝置于2009年5月正式投產，投產半年后，運行趨于穩定，從2010年開始產量平均每月均在10kt以上，連續兩年產量超過120kt。2012年，在國內鋼鐵市場不景氣的情況下，我公司仍然盈利1.2億元。

二期甲醇裝置凈化系統二段轉化爐采用的是自熱式轉化爐，氧氣從位于轉化爐爐頂中心的金屬燒嘴氧氣分布器進入，與從轉化爐兩側進來的焦爐氣在燃燒室均勻混合后進行燃燒。本轉化爐的特點在于氧氣是從爐頂的金屬燒嘴進入，金屬燒嘴從爐頂深入到燃燒室長約3.440m，燒嘴下端均布11個φ25mm噴孔，而焦爐氣則從轉化爐兩側金屬燒嘴噴孔的上方進入燃燒室。

1 甲烷偏高現象及特征

2013年3月底，第一爐轉化催化劑使用已將近4a（2010年及2011年均篩選及更換部分轉化催化劑），其型號上部是Z205，下部是CN20，西南院生產。為保證裝置的安全穩定運行，創造更多的經濟效益，決定更換全部轉化催化劑；公司生產部鑒于使用第一爐催化劑能夠長周期穩定地保證轉化爐出口的甲烷含量，研究決定仍使用西南院生產的Z205／CN20轉化催化劑。于2013年3月30日裝填，3月31日開始在廠家的指導下按升溫還原方案開始升溫還原，4月1日投入正常生產，系統進入低負荷生產期，發現轉化爐出口甲烷明顯偏高；經過一周左右穩定調節轉化爐的水碳比、轉化爐出口溫度，以及進入轉化爐焦爐氣與氧氣的流量均屬正常控制范圍內，而合成工段合成反應明顯較差，合成系統惰性氣體成分上升，其甲烷含量比停車前有較大的上升，這證明轉化爐出口甲烷偏高屬實。

2 二段轉化爐出口甲烷偏高的原因分析

由于轉化爐出口甲烷偏高是發生在新裝填催化劑投用后，在系統滿負荷焦爐氣達26000m3／h、燃燒室溫度達1 230℃時，轉化爐出口甲烷仍然在1.2%以上。我們利用一個月的時間對系統進行了調節并對轉化爐數據進行了對比分析（如表1）。

表1 更換轉化催化劑前后工藝參數的對比

我們利用平衡溫距這一手段對催化劑更換前后進行了考查。經過大量的數據計算發現，在更換催化劑前轉化爐燃燒室同一水平面上東西相對的TI60610及TI60611熱電偶溫差為15℃左右，而在同一垂直方向TI60610、TI60609、TI60608、TI60607之間的溫差分別為70℃、70℃、40℃。檢修更換催化劑后，轉化爐燃燒室同一水平面上東西相對的TI60610及TI60611熱電偶溫差為100℃左右，在同一垂直方向TI60610、TI60609、TI60608、TI60607之間的溫差分別為200℃、20℃、10℃。據經驗，由于甲烷轉化反應為吸熱反應，新催化劑層TI60610與TI60609熱電偶有較大的溫差仍屬比較正常，從理論上講，一定時期內催化劑的平衡溫距應該是一個相對穩定的數值；但是催化劑層幾乎沒有溫差，說明這里邊已經沒有甲烷轉化的吸熱反應了。

當金屬燒嘴的氧氣分布器內發生偏流時，會造成氧氣與焦爐氣混合不均勻，一邊氧氣較多的部分溫度較高，其活性較好，造成TI60610與TI60609熱電偶溫差較大，甲烷在上部已經反應完全，下部依次為TI60609、TI60608、TI60607處，已經沒有多少甲烷在此反應，導致溫升小。而另一邊卻是因為氧氣量小，溫度不足，甲烷轉化催化劑達不到活性要求的溫度，甲烷轉化得少。總的來講，就是燒嘴偏流后，過氧的一邊造成反應溫度上升較多，甲烷反應也多；相反，缺氧的一邊反應就少，總體上使得轉化爐出口甲烷含量上升了，平衡溫距也在上升。此外，金屬燒嘴到燃燒室的六角磚轉化氣分布器的距離有限，氣流速度快，一旦發生偏流，轉化氣在燃燒室混合后進入催化劑層的可能性不大，這樣就造成焦爐氣量越大，加的氧氣量也就越多，轉化爐燃燒室內的反應熱也就越多，對轉化爐催化劑層的平衡溫距影響也就越大。總體表現為，隨著轉化爐溫度升高，溫差變大，轉化爐出口甲烷含量反而沒有變小。

3 轉化爐金屬燒嘴偏流的原因

（1）頻繁地開停車，是造成轉化爐燒嘴偏流的根本原因。每一次因為事故狀態的開停車，都會使轉化爐內的溫度及系統壓力產生突變，溫度從700℃突升至正常時的1 200℃，或是從正常時的1 200℃急降至500℃；在此過程中系統壓力的迅速變化，燒嘴還將不可避免地受到氣流的沖擊，這種溫度應力和氣流的沖擊，對金屬燒嘴來說都是嚴峻的考驗。

（2）停車檢修，在拆開金屬燒嘴后，一般情況下轉化爐大帽和金屬燒嘴均是拆開放置，金屬燒嘴長時間于一個位置平躺放置，也會造成燒嘴變形，只需一點變形就會對轉化爐金屬燒嘴偏流埋下隱患。

（3）回裝轉化爐大帽時，法蘭墊片的水平放置是否合格，燒嘴安裝的垂直度是否進行過校驗，也會直接影響到開車后燒嘴的運行情況。

4 燒嘴偏流后采取的措施

燒嘴偏流后，不可避免地會造成部分催化劑超溫。在這種情況下，防止轉化爐催化劑超溫，避免轉化爐出口甲烷含量繼續上升則成為關鍵。首先，嚴格控制轉化爐催化劑層及轉化爐出口溫度在指標范圍內；然后，應減少系統波動及頻繁加減負荷，保持系統穩定運行；其次，加強員工責任意識的培訓，做到勤調節，適當提高轉化爐的水碳比、水氣比；最后，及時找出燒嘴偏流原因，在系統停車檢修時予以糾正。

5 結束語

轉化爐出口甲烷含量的高低直接影響到甲醇的產量，是甲醇系統經濟運行的一個重要指標；同時，做好此項工作，也是提高資源利用率，減少排放、減少環境污染，提高企業經濟效益的重要途徑。