甲烷化爐入口工藝氣溫度下降的原因分析及應對措施

劉志剛

(海洋石油富島有限公司 海南東方 572600)

海洋石油富島有限公司化肥二部的年產450 kt合成氨、800 kt尿素裝置于2003年建成投產。甲烷化爐是合成氨裝置凈化工序的主要設備，出變換工段的工藝氣經冷卻分離、CO2吸收塔脫除CO2后，送至甲烷化爐進行進一步的凈化處理[1]。從2020年2月7日開始，甲烷化爐入口工藝氣溫度由282 ℃開始緩慢下降，截至2020年2月14日，最低降至274 ℃。為維持甲烷化爐入口工藝氣溫度的穩定，打開低溫變換爐旁路閥(HV1021)，部分工藝氣走低溫變換爐旁路直接進入甲烷化爐，以增加反應放熱量，通過提高甲烷化爐催化劑床層溫度間接提高甲烷化爐入口工藝氣溫度。該措施雖然穩定了甲烷化爐入口工藝氣溫度，但導致合成氨裝置產量下降、能耗增加。為此，通過分析影響甲烷化爐入口工藝氣溫度的因素，找出了溫度下降的原因，并采取了應對措施。

1 甲烷化爐入口工藝氣溫度影響因素及下降的原因分析

脫除CO2的工藝氣在進入甲烷化爐前，首先與甲烷化爐出口氣體在甲烷化爐進出口換熱器中換熱并被加熱，然后進入甲烷化爐加熱器，被高壓飽和蒸汽加熱至282 ℃進入甲烷化爐，甲烷化爐入口工藝氣溫度由集散控制系統(DCS)上的TIC-1012控制。TIC-1012通過分程方式控制2只閥門，即打開甲烷化爐進出口換熱器管程和甲烷化爐開工加熱器旁路管線上的閥門(TV-1012A)來降低甲烷化爐入口工藝氣溫度，打開到甲烷化爐開工加熱器的高壓蒸汽管線上的閥門(TV-1012B)來提高甲烷化爐入口工藝氣溫度。TIC-1012開度為100%時，TV-1012A全開；TIC-1012開度為50%時，TV-1012A和TV-1012B全關；TIC-1012開度為0時，TV-1012B全開。正常生產時，TV-1012B的開度在50%以下，否則甲烷化爐加熱器的封頭容易泄漏，此時會及時調整甲烷化爐加熱器疏水器旁路切斷閥，使TV-1012B的開度恢復至50%以下。綜上所述，影響甲烷化爐入口工藝氣溫度的因素有甲烷化爐入口工藝氣溫度指示失真、低溫變換爐出口CO及脫碳出口CO2含量下降、TV-1012A、TV-1012B和甲烷化爐開工加熱器疏水器旁路切斷閥。

1.1 甲烷化爐入口工藝氣溫度指示失真

儀表方面：聯系儀表人員對甲烷化爐入口工藝氣溫度變送器及熱電偶進行全面檢查，確認工作均正常。

工藝方面：通過在DCS上調閱歷史溫度趨勢線發現，當甲烷化爐入口工藝氣溫度下降時，甲烷化爐各催化劑床層的溫度均呈下降趨勢，與甲烷化爐入口工藝氣溫度波動的方向一致。這從側面也證實了甲烷化爐入口工藝氣溫度顯示的是實際值，可以排除甲烷化爐入口工藝氣溫度指示失真的因素。

1.2 低溫變換爐出口CO及脫碳吸收塔出口CO2含量下降

甲烷化爐裝填26.2 m3鎳催化劑，在甲烷化爐內主要發生以下兩個反應：CO+3H2=CH4+H2O和CO2+4H2=CH4+2H2O。上述反應為高活性的放熱反應，若低溫變換爐出口CO及脫碳吸收塔出口CO2含量下降，則進入甲烷化爐的工藝氣中CO和CO2含量也下降，通過反應放出的熱量減少，甲烷化爐出口氣體溫度下降，間接造成甲烷化爐入口工藝氣溫度下降。檢查甲烷化爐入口工藝氣溫度下降前后(2月7日開始下降)低溫變換爐出口CO及脫碳出口CO2含量數據(見表1)，數據顯示未出現明顯的下降趨勢，因此可以排除低溫變換爐出口CO及脫碳出口CO2含量下降的因素。

表1 低溫變換爐出口CO及脫碳吸收塔出口CO2含量分析數據

1.3 TV-1012A

打開TV-1012A的作用是降低甲烷化爐入口工藝氣溫度，正常生產時TV-1012A一直處于關閉狀態。為確定閥門的狀態，在現場進行了全面檢查，確認TV-1012A被關閉，因此可以排除TV-1012A的因素。

1.4 TV-1012B

TV-1012B主要用來控制進入甲烷化爐加熱器管程的飽和高壓蒸汽的量，進而控制甲烷化爐入口工藝氣溫度。儀表人員對TV-1012B進行全面檢查后，確認TV-1012B的開度與主控顯示一致，并且操作準確、可靠，因此可以排除TV-1012B的因素。

1.5 甲烷化爐開工加熱器疏水器旁路切斷閥

進入甲烷化爐開工加熱器管程的高壓飽和蒸汽與殼程的工藝氣進行換熱，熱量來源主要是高壓飽和蒸汽冷凝時釋放出的冷凝潛熱，產生的冷凝液經由2只疏水器排出并直接送往脫氧槽。2只疏水器與1根帶有切斷閥的旁路管線連接，正常生產時由現場操作人員根據TV-1012B的開度來調節該切斷閥的開度，保證TV-1012B始終有調節裕度。2020年2月7日，主控發現TV-1012B開度由50%提高至105%，現場將甲烷化爐開工加熱器疏水器旁路切斷閥的開度從接近全關的位置調節至全開，甲烷化爐入口工藝氣溫度無明顯變化，且脫氧槽的壓力也沒有任何變化，表明甲烷化爐開工加熱器疏水器旁路切斷閥出現故障。因此，確認該旁路切斷閥故障是引起甲烷化爐入口工藝氣溫度下降的主要因素。

2 疏水器旁路切斷閥故障對甲烷化爐入口工藝氣溫度影響的分析

現場對甲烷化爐開工加熱器疏水器旁路切斷閥的故障原因進行確認：現場調節甲烷化爐開工加熱器疏水器旁路切斷閥，發現切斷閥從接近全關的位置到全開，甲烷化爐入口工藝氣溫度無明顯變化，脫氧槽的壓力也無任何變化；切斷閥從全開的位置到接近全關，甲烷化爐入口工藝氣溫度和脫氧槽的壓力均無任何變化；從接近全關的位置繼續關小，甲烷化爐入口工藝氣溫度迅速降低，脫氧槽壓力下降，脫氧槽出口脫鹽水溫度也出現下降。經反復確認3次，結果均相同，最終確認甲烷化爐開工加熱器疏水器旁路切斷閥的故障原因是閥芯和閥座受嚴重沖刷腐蝕所致。疏水器旁路切斷閥閥芯和閥座出現嚴重沖刷腐蝕后，高壓蒸汽在甲烷化爐開工加熱器管程內的停留時間縮短，高壓蒸汽在甲烷化爐開工加熱器內冷凝放出的熱量減少，甲烷化爐入口工藝氣溫度也隨之降低。

3 應對措施

因合成氨裝置處于正常生產狀態，必須將甲烷化爐管程完全隔離并泄壓后才能更換甲烷化爐開工加熱器疏水器旁路切斷閥。切除甲烷化爐蒸汽側有全系統停車和在線處理2種方法，若采用合成氨裝置全系統停車處理的方法，直接經濟損失將達到200萬元，故采用在線處理方式。采用在線更換甲烷化爐開工加熱器疏水器旁路切斷閥，會對甲烷化爐、脫氧槽、蒸汽系統、分子篩再生加熱器和氨蒸塔再沸器等相關單元產生影響，為保證應對措施順利實施，采用了以下工藝方案。

3.1 甲烷化爐開工加熱器切除影響因素

(1)甲烷化爐入口工藝氣溫度。由于甲烷化爐入口工藝氣升溫所需的一部分熱量由甲烷化爐開工加熱器提供，若切除甲烷化爐開工加熱器，甲烷化爐入口工藝氣溫度會迅速下降。經研究論證，可通過提高甲烷化爐入口工藝氣中CO、CO2含量，讓更多的CO、CO2在甲烷化爐催化劑床層內發生反應并放出更多的熱量，間接提高甲烷化爐入口工藝氣溫度。打開HV1021、減少脫碳溶液循環量，甲烷化爐入口工藝氣中CO、CO2的體積分數可分別提高0.3%、0.02%，甲烷化爐催化劑床層溫度相應上升約22.2 ℃。

(2)脫氧槽。脫氧槽內除氧分為化學除氧和物理除氧，切除甲烷化爐開工加熱器、分子篩再生加熱器和氨蒸塔再沸器到脫氧槽的蒸汽冷凝液，將造成物理除氧效果變差。為保證脫氧槽除氧效果，可增加脫氧槽低壓蒸汽量予以解決。

(3)蒸汽系統。切除甲烷化爐開工加熱器后，甲烷化爐會消耗更多的氫氣，合成后系統負荷降低，相應副產的蒸汽量減少，中壓蒸汽管網壓力下降。為彌補這部分蒸汽損失，可通過提高快鍋負荷來實現。

(4)分子篩再生加熱器和氨蒸塔再沸器。正常生產時，分子篩再生加熱器和氨蒸塔再沸器的蒸汽冷凝液直接送往脫氧槽。經研究論證，更換甲烷化爐開工加熱器疏水器旁路切斷閥時，分子篩再生加熱器和氨蒸塔再沸器的蒸汽冷凝液采取就地排放的措施。

3.2 甲烷化爐開工加熱器切除步驟

(1)穩定甲烷化爐入口工藝氣溫度。主控逐漸打開HV1021，閥位開度達到50%左右時，甲烷化爐催化劑床層開始出現明顯升溫，此時主控逐漸關小TV-1012B；HV1021開度達到90%時，甲烷化爐催化劑床層最高溫度達到354 ℃；TV-1012B手動全關后，甲烷化爐入口工藝氣溫度為284 ℃，并呈現緩慢下降的趨勢；主控將HV1021全開至105%，脫碳貧液量由436 t/h降至418 t/h，并適當降低低溫變換爐的入口溫度，以此提高甲烷化入口工藝氣中CO、CO2含量。甲烷化爐入口工藝氣溫度最終穩定在276 ℃左右，催化劑床層最高溫度為341 ℃。

(2)甲烷化爐開工加熱器隔離。現場關閉TV-1012B前的雙截止閥、去中壓疏水器截止閥，打開TV-1012B前導淋、甲烷化爐開工加熱器出口導淋，打開甲烷化爐開工加熱器疏水器前導淋泄壓。

(3)氨蒸塔再沸器蒸汽冷凝液就地排放。打開氨蒸塔再沸器疏水器后導淋，關閉后截止閥，氨蒸塔再沸器冷凝液實現就地排放。

(4)分子篩再生加熱器蒸汽冷凝液就地排放。打開分子篩再生加熱器就地導淋，關閉疏水器后截止閥及旁路閥，分子篩再生加熱器蒸汽冷凝液實現就地排放。

(5)關閉冷凝液總管去脫氧槽截止閥。

(6)甲烷化爐開工加熱器蒸汽側泄壓、排液，交出檢修，更換甲烷化爐開工加熱器疏水器旁路切斷閥。

4 效果分析

在更換甲烷化爐開工加熱器疏水器旁路切斷閥前，甲烷化爐入口工藝氣溫度極不穩定，且一直呈下降趨勢。為了防止入口工藝氣溫度持續下降，采取了調整系統負荷、天然氣組分、脫碳系統貧液循環量、脫碳系統半貧液循環量和低溫變換爐旁路閥開度等措施，但均未能從根本上解決問題，且裝置能耗增大，最終發現甲烷化爐開工加熱器疏水器旁路切斷閥故障是主要原因。

通過更換甲烷化爐開工加熱器疏水器旁路切斷閥，甲烷化爐入口工藝氣溫度穩定在285 ℃，保證了甲烷化爐的穩定運行，同時關閉了低溫變換爐旁路閥，達到了節能降耗的目的，確保了生產裝置的長周期穩定運行。