甲醇裝置改制氫燃料系統安全運行的優化措施

姜 薇，張桂林

(中國石油克拉瑪依石化有限責任公司，新疆 克拉瑪依 834000)

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甲醇裝置改制氫燃料系統安全運行的優化措施

姜 薇，張桂林

(中國石油克拉瑪依石化有限責任公司，新疆 克拉瑪依 834000)

甲醇裝置改制氫后，轉化爐燃料系統無法做到燃料氣手閥全開，無法通過火嘴前背壓來控制爐溫，火焰大小不一致導致爐膛內部溫度分布不均勻，極大地影響了爐管的使用壽命，給裝置平穩運行帶來風險。通過在燃料氣火嘴分支閥后增加限流孔板，爐內火焰燃燒效果有了很大的改善，爐管溫度分布均勻。爐管內的轉化反應效率也有所提高，轉化爐內甲烷轉化率及氫氣產率提高，大大提高了經濟效益。

轉化爐爐管溫度；限流孔板；甲醇裝置制氫改造

甲醇廠3.5萬m3/h制氫裝置原為20萬噸/年甲醇生產裝置，于2007年試車成功，2008年正式投產。2012年裝置進行改造，現裝置以天然氣為原料，經天然氣壓縮、脫硫、轉化、中變反應、PSA變壓吸附工序生產3.5萬m3/h氫氣，氫氣純度99.9%以上。本次改造項目設計及施工由華東設計院EPC總承包完成，PSA氫氣提純系統成套技術由華西科技股份公司提供，裝置內的配套改造部分由設計所承擔。本文著重論述裝置改造后轉化爐燃料系統存在問題以及解決該問題的優化措施、實施優化措施后取得的效果。

1 甲醇裝置改制氫生產裝置后轉化爐燃料系統存在的問題

甲醇廠3.5萬m3/h制氫裝置由原20萬噸/年甲醇裝置改造而來，改造期間針對燃料氣系統僅將火嘴進行了更換。由于原設計生產甲醇期間燃料氣由天然氣和合成馳放氣組成，總流量20000 Nm3/h左右，因此燃料氣系統的主管線、控制調節閥以及各分支管線均比較粗，每個火嘴分支閥門全開情況下燃料氣通過量約為200 Nm3/h。

制氫改造后轉化爐的火嘴改為解吸氣專用火嘴，燃料氣組成分為天然氣和解吸氣兩部分，分別獨立進入火嘴燃燒。裝置在原料天然氣12500 Nm3/h(設計滿負荷)情況下燃料天然氣用量在6000 Nm3/h左右。因此在燃料氣主管線、控制閥門、分支管線不匹配改造的情況下，我們無法做到燃料氣手閥全開，通過火嘴前背壓來控制爐溫，完全靠員工肉眼觀察火焰大小來進行調節。這樣的方式存在以下幾個問題：

(1)員工調整爐火比較頻繁，夏季爐頂環境溫度高，存在人員中暑的安全隱患。

(2)火焰燃燒的效果不好控制，經常出現偏燒舔管的現象，部分區域爐管發紅。

(3)火焰大小不一致導致爐膛內部溫度分布不均勻，爐管內的轉化反應程度不同，裝置轉化爐的甲烷轉化率和爐熱效率低。

(4)極端情況下個別爐管溫度可能超過1000 ℃，存在燒穿的風險。爐管溫度高同時造成相對應的下豬尾管溫度高，給豬尾管安全運行帶來隱患，給裝置平穩運行帶來風險。

2 轉化爐火嘴控制解決方案

為了實現燃料氣火嘴手閥全開時通過調整火嘴前背壓來調節爐溫這種控制方式，必須降低各火嘴分支管路的最高流量，同時降低并穩定火嘴前的壓力。在燃料氣火嘴分支閥后增加限流孔板能夠有效解決此問題。

裝置滿負荷情況下燃料氣用量不超過6000 Nm3/h，開工過程中在化工投料前解吸氣未參與燃燒時燃料天然氣最高用量在8000 Nm3/h左右。裝置轉化爐共有4排爐管，5排共100個火嘴，東西兩側的火嘴為單排爐管提供熱量，中部火嘴為兩排爐管提供熱量。

通過限流孔板計算，目前工況下，5 mm限流孔板最高通過量為75 Nm3/h，4 mm限流孔板最高通過量為60 Nm3/h。通過對轉化爐中部火嘴測試，安裝5 mm限流孔板后在高背壓的情況下燃料天然氣通過量為70～80 Nm3/h。兩側火嘴安裝4 mm 孔板后天然氣通過量為60～70 Nm3/h。能夠滿足滿負荷及開工需要。

3 轉化燃料氣火嘴安裝孔板后的運行效果

由于裝置由甲醇裝置改造而來，轉化系統屬于典型的“大馬拉小車”，因此操作溫度控制在769 ℃，操作壓力2.2 MPa，水碳比控制在4.5～5。2016年10月18日開始，按“轉化爐燃料氣火嘴增加限流孔板方案”逐排安裝孔板。完成后轉化爐的運行狀況有了很大的改善。

3.1 爐溫控制方式得到優化

安裝孔板后轉化爐的燃料氣火嘴手閥全開，實現了通過調節閥手動控制，員工只需要對解吸氣火嘴進行調節，大幅度降低了員工調火的操作強度。后期我們計劃實現爐出口溫度、燃料氣流量與裝置加工負荷的“三沖量”控制。

3.2 爐內火焰燃燒效果有了很大的改善，爐管溫度分布均勻

轉化爐火焰變得均勻，適當的調整解吸氣閥開度，火焰燃燒效果就會比較理想，爐管發紅的情況明顯好轉。

圖1為甲排增加孔板前火嘴的運行狀況，由于裝置負荷變化會出現個別火嘴火焰過大的情況，造成紅管、亮管現象，從而影響爐管壽命，嚴重時導致爐管破損。圖2為增加孔板后火嘴的運行狀況，火焰大小、長短均勻，不會出現偏燒的情況，爐管溫度分布均勻，整體溫度下降。

圖1 增加孔板前火嘴的運行狀況

圖2 增加孔板后火嘴的運行狀況

“轉化爐燃料氣火嘴增加限流孔板方案”逐排安裝孔板后爐管溫度有所下降。在未安裝孔板前使用紅外測溫儀檢測爐管溫度860°C左右，10月13日紅外檢測平均溫度甲排943 ℃，丁排857 ℃。孔板安裝完畢后使用紅外測溫儀檢測爐管溫度780～800 ℃，有明顯下降。紅外檢測平均溫度下降約30 ℃。爐管溫度下降將大大的提高爐管使用壽命，保證裝置的安全平穩運行。

3.3 轉化爐的甲烷轉化率及氫氣產率提高

安裝孔板后每個燃料氣火嘴通過量一致，爐膛溫度分布均勻。爐溫控制變得平穩。因此在轉化溫度、水碳比等條件不發生變化的情況下，爐管內的轉化反應效率有所提高。

表1 安裝孔板前后轉化氣各組分含量(φ)

續表1

安裝孔板后2016 10 211 51638 61688 86054 91676 09042016 10 222 90627 83858 44064 420876 39392016 10 231 64689 5029 04654 536175 26862016 10 240 78259 148810 89313 945375 23032016 10 250 23399 711110 76284 112875 17942016 10 263 33648 34766 66573 482278 16812016 10 271 41259 37549 95234 034275 22562016 10 280 80768 872810 6963 26576 35862016 10 291 06029 650710 05263 926975 30962016 10 301 1667 40229 00993 695278 7267

從表1可以發現，10月21日起，轉化氣中甲烷含量逐漸開始下降。

圖3 孔板安裝前后轉化氣中CH4含量

圖3為10月中、下旬轉化氣中甲烷含量趨勢。10月20日安裝完乙、丙、丁三排孔板后，在轉化爐操作參數沒有變化的情況下轉化氣甲烷含量逐步下降，由平均5.3%降至平均3.8%。

圖4 孔板安裝前后裝置收率變化

轉化爐的甲烷轉化率提高后，相同加工量情況下有更多的甲烷被轉化成氫氣，PSA系統的單塔吸附時間大大增加，裝置的產率也有了大幅度提高，由2.83增加到了2.9以上。

4 結 論

制氫工藝對轉化爐燃料系統工作條件有著很嚴格的要求，轉化爐爐管溫度控制至關重要，任何一根爐管失效都將導致裝置停工，因此必須保證燃料系統安全運行。甲醇裝置改制氫裝置后，燃料氣主管線、控制閥門、分支管線不匹配改造的情況下，無法做到燃料氣手閥全開，無法通過火嘴前背壓來控制爐溫，完全靠員工肉眼觀察火焰大小來進行調節，給裝置安全生產帶來風險。在燃料氣火嘴分支閥后增加限流孔板有效地解決了此問題。

安裝限流孔板后轉化爐的燃料氣火嘴手閥全開，實現了通過調節閥手動控制，員工只需要對解吸氣火嘴進行調節，大幅度降低了員工調火的操作強度。爐內火焰燃燒效果有了很大的改善，爐管溫度分布均勻。爐管溫度下降大大的提高了爐管使用壽命，保證了裝置的安全平穩運行。安裝孔板后每個燃料氣火嘴通過量一致，爐膛溫度分布均勻，爐溫控制變得平穩。在轉化溫度、水碳比等條件不發生變化的情況下，爐管內的轉化反應效率有所提高，轉化爐的甲烷轉化率及氫氣產率提高，大大提高了經濟效益。

[1] 崔海兵,劉長軍，蔣曉東.制氫轉化爐HP40爐管開裂失效分析[J].化工設備與管道，2004,40(4):51-52.

[2] 徐孝闖,李廣財.淺析制氫轉化爐爐管失效[J].廣州化工，2013,41(4):161-162.

Optimization Measure for Fuel System’s Safe Operation When Methanol Device Converted into Hydrogen Production Device

JIANGWei,ZHANGGui-lin

(Petrochina Karamay Petrochemical Company, Xinjiang Karamay 834000, China)

When the methanol device was converted into hydrogen production device, the manual valve can’t be fully opened in the fuel system of Conversion furnace，it also can’t got through the pressure of fire mouth to control the furnace temperature, the flame size had different result in uneven temperature distribution inside the furnace, and greatly influenced the service life of furnace tube, brought risk of the device running safely and smoothly. Through increased the restriction orifice in the fuel gas burner branch, the combustion effect of the flame in the furnace got a lot of improvement, the temperature of furnace tube was well-distributed. Conversion reaction efficiency of the furnace tube had a great of improvement. The conversion of methane and hydrogen yield in the conversion furnace also had a great of improvement, greatly improved the economic performance.

temperature of conversion furnace tube；restriction orifice；methanol device converted into hydrogen production device

姜薇(1982-)，男，工程師，主要從事天然氣蒸汽轉化制氫生產工作。

TE64

A

1001-9677(2016)024-0112-03