合成氨一段爐投料優化

朱致欣

（四川大學化學工程學院，四川成都 610065）

合成氨一段爐投料優化

朱致欣

（四川大學化學工程學院，四川成都 610065）

對投料過程的影響因素和操作中存在的問題進行分析，提出一段爐投料優化的方法，以達到較好的經濟效益。

一段爐；投料；優化

天華公司合成氨裝置一段爐采用的是布朗工藝的側燒爐，是合成氨裝置的關鍵設備之一。一段爐的投料是開車過程中的一個重要操作，其操作因為可變參數多而變得復雜繁瑣，實際生產中其操作過程常常存在一些問題，甚至出現過多次超溫事故。現就一段爐投料過程進行分析探討，尋找一個較為優化的投料方法。

1 一段爐流程簡介

經過V5脫硫后的天然氣與由FC-101控制的中壓蒸汽混合，使水碳比FFY-101控制在2.7。混合氣在高溫變化爐R-2出口氣換熱器E-10中換熱，被加熱到415℃后，在一段爐對流段的混合原料氣盤管中進一步加熱至545℃后，壓力PI-6為3.31MPa，經上集氣管和上豬尾管分配進入豎琴排列的一段爐催化劑列管。一段轉化氣經下集氣管出來的溫度TI-111為695℃，其床層壓差PDI-492為250kPa，殘余甲烷AI-105為29.36%（干基）。一段轉化氣經輸氣總管送入二段爐R-1頂部。燃料氣由PC-170控制送到燃燒器燃燒。

2 一段爐轉化基本原理

工藝蒸汽和天然氣在鎳催化劑作用下發生反應，生成氫氣和碳氧化合物。

主反應如下：

甲烷蒸汽轉化反應（1）是強吸熱體積增大過程，變換反應（2）是中等放熱反應，總過程變現為強吸熱體積增大過程，其熱量是由轉化管外天然氣和廢氣燃燒提供的。

對于新催化劑或者鈍化了的催化劑，投料過程存在以下還原反應：

（3）是強吸熱反應，（4）、（5）反應熱效應都很小，不會引起較大的溫度變化。總的來說，不管是已經還原的催化劑還是新催化劑，開車投料過程都是強吸熱過程，需要外面提供熱量來維持反應進行。

3 投料過程的影響因素和操作中存在的問題

3.1 投料過程的影響因素

投料過程的變量因素較多，包括投料溫度、升溫速率、工藝蒸汽流量、投料量及投料速度、燃料量及加燃料速率、系統壓力、燒嘴數量及燃燒狀況等，這些因素的變化都對投料過程的穩定性產生影響。若這些因素都處于動態調整無序變化中，則整個投料過程必然混亂不受控。

3.2 投料過程存在的問題

到目前為止，實際投料操作方法是原料氣先在V5出口有30%負荷放空，然后開V5出口閥，逐漸關閉放空閥進行投料，并根據一段爐溫度變化情況調整燃料等相關參數。這種操作方法最大的問題是操作人員不知道投料量是多少，由于一段爐溫度響應滯后，相關操作存在盲目性，常常是越操作越亂，導致系統大幅波動，甚至出現超溫事故。操作中主要存在以下問題：

（1）催化劑升溫未穩定就急著投料，使一段爐投料量、反應情況、加燃料量不好分析把握，溫度自然難以穩定控制。

（2）投料溫度過高，使溫度控制范圍較窄，易出現超溫事故。

（3）投料速度和加燃料速度把握不當，常常投料過快，有時甚至開V5出口閥的同時主控又在關HV122放空閥，使得在幾分鐘內必須大幅快速加燃料，因為一段爐溫度響應要滯后2min左右，操作只有憑經驗和感覺，具有盲目性，導致一段爐溫度難以控制穩定，常常不高就低，大幅波動。

（4）邊投料邊提后系統壓力，導致進入一段爐反應氣量減少，有的甚至還在加燃料、增點燒嘴，使一段爐溫度快速升高，造成超溫。

（5）用改變工藝蒸汽流量來調溫度，往往越調越亂。而且水碳比過低，催化劑有析碳的危險，過高又會導致催化劑氧化。

外輸天然氣氣源為油田生產伴生氣，經計轉站、集氣站脫硫脫水后，由輸氣首站增壓再經外輸管線輸送至下游用戶。管線材質為20#鋼，規格為Ф219 mm×6.4 mm，全長60 km，設計壓力為4.0 MPa，設計天然氣輸送量為45×104 m3/d，高程差80 m，管道埋深≥1.3 m。管線自2003年投入使用，自投用后曾進行過兩次清管作業，但均發生清管器卡堵現象。

4 一段爐投料優化方法

4.1 操作優化

4.1.1 嚴格控制投料條件

①打開HV101約50%開度，這種蒸汽置換將可防止工藝氣與空氣接觸發生燃燒或者爆炸等。

②天然氣在V5出口放空，TI456≧250℃，分析V5出口總硫≤0.2×10-6，防止投料后催化劑中毒。

③蒸汽升溫結束，一段爐出口溫度（TI-111）約650℃，FC101在30t/h左右，PC117在1～1.2MPa，TC259在280～300℃，并且各參數相對穩定。

④爐膛負壓PC167控制在約-50Pa，燃料壓力PC170在50kPa，FI-175約1 500m3（標）/h。

4.1.2 統一規范指揮

投料操作的好壞關鍵在各項工作的協調有序進行，整個過程應由當班班長按要求統一規范的指揮，車間領導和技術員嚴格把關。嚴禁多頭指揮和現場、主控想當然操作，每步操作必須按規定進行，并密切聯系。

4.1.3 嚴格控制投料步驟，把握好操作要領

第一步 緩慢開原料氣壓縮機防喘振調節閥，降低壓縮機出口壓力，逐漸關小V5出口放空閥HV122，控制V5出口壓力PI3大于一段爐進口壓力PI6約0.1MPa，使初次投料量較少，控制FC100流量約10%的負荷量。

第二步 通知現場緩慢打開V5出口閥，現場注意閥后止逆閥聲響，主控注意H1壓差變化，若壓差增加說明原料氣已經投入一段爐。主控按照投1%負荷加100m3（標）/h燃料量的比例來控制溫度，以保持H1溫度穩定或者略有上升。

第三步 當現場V5出口閥開完后，主控用HV122來控制負荷，逐步均勻地關閉HV122，注意原料氣壓縮機防喘振閥及工況調整，等HV122關完后系統負荷約10%，需要逐步按相應比例增加燃料約1 000m3（標）/h，以便H1的溫度穩定控制。

第四步 HV122關完后，投料負荷由FC100控制，投料就變成了一個正常加負荷的過程，逐漸增加FC100的量，并按比例增加燃料，現場均勻增點燒嘴，并調整好火焰，逐步將H1溫度提至680℃左右。

第五步 系統穩定后，調整好原料氣壓縮機工況，及時從V8投返氫，分析V5出口氫氣含量，控制在1.4%～3%，保證V5對有機硫的充分脫出。當H1投料后，及時通知分析儀表人員投用AI105、AI108、AI100B等分析儀表。

第六步 逐步將系統負荷加至40%～50%，逐步提高PC117壓力至1.8MPa，盡量提高高變爐入口溫度（<360℃），控制高壓蒸汽溫度在510～520℃，壓力≥10MPa，盡量將多余的高壓蒸汽減至中壓蒸汽管網，視情況增開一臺爐水循環泵。調整各參數穩定后，投料結束。

4.2 投料工藝優化

一段爐投料控制的難點主要是初期投料量沒有計量，加燃料量也只有憑經驗操作。若在V5出口增加一個原料氣流量計，將使投料控制變得容易得多，投料過程就成了一個按比例加負荷、加燃料過程，操作起來就會更穩定。

總之，整個投料過程影響因素較多，操作比較復雜，若盲目操作就會引起系統大幅波動，甚至出現超指標事故。按照優化投料方法投料，既可減少投料難度，避免大幅波動和出現超溫等事故，還能節省開車時間，降低生產成本，具有較好的經濟效益。

Ammonia Reformer Feed Optimization

Zhu Zhi-xin

The feeding process factors and operation of the existing problems is analyzed，and reformer feed optimization methods to achieve better economic benefits.

reformer；feed；optimization

TQ052.6

B

1003–6490（2016）04–0003–02

2016–04–20

朱致欣（1975—），男，重慶人，化工工程師，主要研究方向為合成氨、空分生產技術。