蒸汽過熱爐單元膨脹氣帶液處理技術

楊清勝

（中天合創能源有限責任公司化工分公司，內蒙古 鄂爾多斯 017300）

某化工公司的2×180萬t/a甲醇裝置，采用德國魯奇公司的專利甲醇合成技術，是目前國內規模最大的煤質制甲醇生產裝置。甲醇部合成裝置包括2套年產180萬t（以精甲醇計）的甲醇生產線，以滿足下游 S-MTO 裝置的原料需求。裝置包括合成氣壓縮、甲醇合成、膜分離、MTO級甲醇預精餾、蒸汽過熱爐、PSA、公用工程等單元。

蒸汽過熱爐單元工藝流程：來自甲醇合成單元負荷（100%）水冷反應器汽包副產的飽和中壓蒸汽254.774 t/h、249 ℃、3.85 MPa（G）；通過蒸汽過熱爐過熱至 380 ℃后，除部分用于驅動甲醇合成壓縮機透平外，大部分送出界區并入全廠中壓蒸汽管網。開車時的燃料氣來自外管網天然氣。裝置正常運行時，蒸汽過熱爐燃料氣有4路，分別為尾氣過熱器 的 80 ℃，0.09 MPa（G）的預精餾塔尾氣、甲醇膨脹罐的50 ℃、0.5 MPa（G）膨脹氣、PSA單元的40 ℃、0.08 MPa（G）的 PSA 尾氣和來自全廠管網的天然氣。預精餾塔尾氣、膨脹氣和 PSA 尾氣全部用作燃料送入燒嘴進行燃燒，不足的部分由管網燃料氣（天然氣）補充。為了提高燃料燃燒的效率，蒸汽過熱爐設置空氣預熱器系統。

1 甲醇合成裝置215/225過熱爐單元膨脹氣帶液處理問題概述

甲醇合成裝置自投入滿負荷生產運行過程中，發生多次蒸汽過熱爐單元爐膛內負壓波動，波動范圍為-180～+150 Pa，在爐膛負壓波動期間，一次風壓、爐膛出口氧量、空預器參數也相應地存在周期性波動現象，爐膛壓力波動近似正弦波形，致使部分燒嘴脫火熄滅，造成多次蒸汽過熱爐單元非計劃停車事件。為此，公司成立了技術攻關小組，針對爐膛負壓波動原因進行分析。一般來說，引起爐膛負壓波動的因素可能是鼓風機、引風機工作不正常，出力周期性變化；蒸汽過熱爐內燃燒不穩定，入爐燃料氣周期性波動；燃燒器附屬風門控制失靈，開度周期性變化；部分煙氣系統擋板連桿與執行器脫開，存在自由擺動現象；空氣預熱器堵灰，爐膛負壓變送器指示不準（如圖1所示）。

圖1 蒸汽過熱爐單元工藝流程示意圖

為了找到蒸汽過熱爐爐膛負壓波動大的確切原因，攻關小組進行了一系列檢查：①檢查鼓風機、引風機的運行狀況，確認完好，進、出口調節閥開度和風壓均顯示正常。②確認鼓風機入口暖風器吸風口濾網未堵塞。③全面檢查煙氣系統各風門擋板，空氣預熱器未發現堵灰等異常現象。④燃燒器附屬風門擋板連桿與執行器控制靈活且完好。⑤檢查爐膛負壓測量系統發現，爐膛負壓變送器采用露天布置，位于過熱爐輻射段頂部平臺，負壓變送器將差壓變送信號轉換為4～20 mA傳送至DCS模擬量輸入卡件，3個變送器中只有1個存在測量偏差，經儀表校準后，負壓波動并沒有好轉。⑥在各層看火孔觀察蒸汽過熱爐內部燃燒情況，發現燃料氣進入過熱爐后部分燒嘴出現脫火熄滅現象，看火孔處周期性正壓，證明爐膛壓力確實波動，檢查負壓變送器指示正常。

針對蒸汽過熱爐爐膛負壓異常波動，技術攻關小組特制定以下生產管理措施：①加強蒸汽過熱爐爐膛負壓測量系統的日常巡回檢查維護管理工作。②強化蒸汽過熱爐單元現場儀表的防護處理，改善壓力、流量等變送器的工作環境。③當運行人員發現過熱爐單元測量信號偏差較大時，應及時切除檢查調校。④運行人員在切換重大操作（如啟停鼓風機）時，應做到平穩切換，防止出現一次風壓波動較大的現象。⑤運行人員如發現爐膛壓力波動較大時，應加強燒嘴火焰觀察，當爐膛燒嘴燃燒不穩定時應及時調整燃料氣流量。⑥根據蒸汽過熱爐輻射段頂部煙氣出口氧氣含量變化，及時調整助燃熱空氣配風量。

膨脹氣帶液誘發蒸汽過熱爐爐膛負壓波動。攻關小組經過一段時間觀察，在2017年11月發現爐膛負壓波動時，蒸汽過熱爐燒嘴脫火熄滅比較嚴重；對蒸汽過熱爐單元的4股燃料氣氣體成分進行詳細的分析，經檢查發現燃料氣中的膨脹氣、解析氣輸送管線內含有大量甲醇氣味的液體，故判斷膨脹氣帶液是誘發蒸汽過熱爐爐膛負壓波動的主要原因。

2 甲醇合成裝置215/225過熱爐單元膨脹氣帶液處理的意義

蒸汽過熱爐因帶液波動停車會引起全廠中壓蒸汽管網壓力劇烈波動，一旦協調中壓蒸汽補充不及時，將會致使全廠負荷大幅波動甚至造成停車事故發生；同時，蒸汽過熱爐停車會導致甲醇合成汽包副產的中壓飽和蒸汽大量放空，給企業造成較大經濟損失；蒸汽過熱爐單元的爐膛負壓波動，還易造成爐膛耐火內襯開裂等設備損害事故。解決蒸汽過熱爐單元膨脹氣帶液問題，對穩定中壓蒸汽管網壓力、避免蒸汽過熱爐停車及減少設備損壞意義重大。

3 215/225過熱爐單元膨脹氣帶液原因分析

攻關小組成員對蒸汽過熱爐單元的膨脹氣、解析氣的工藝流程進行分析發現，210、220系列合成裝置高壓回路甲醇分離器的粗甲醇減壓到 0.51 MPa（G），進入甲醇膨脹罐閃蒸出的膨脹氣，經甲醇合成的馳放氣洗滌塔塔底送來的脫鹽水洗滌過程中形成膨脹氣帶液，并造成解析氣管線、膨脹氣輸送管道在過熱爐東側低點“U”形彎處大量積液，從而導致蒸汽過熱爐爐膛負壓波動頻繁。

通過對甲醇合成環路中氣體成分中的氫碳比進一步分析發現，在甲醇合成環路系統氫碳比失調時，對蒸汽過熱爐爐膛負壓影響較大。例如，2016年12月14日在凈化合成氣中富碳工況，氫碳比＜2.0以下時，合成環路壓力降到6.53 MPa以下，甲醇合成環路系統中CO、CO2含量明顯增多，H2含量下降。當時循環量增加到 1 232 896 Nm3/h，循環比為2.229 （正常值＜1.6），爐膛負壓波動范圍為-147～ +150 Pa。質譜儀富碳工況見表1。

表 1 質譜儀富碳工況示意圖（時間： 2016-12-14 22：35：57）

此時，來自甲醇合成單元的甲醇分離器至精餾單元甲醇膨脹罐閃蒸出膨脹氣明顯增多，壓力隨之上升；膨脹氣流量從正常的 2 800 Nm3/h 猛增到 3 400 Nm3/h。當膨脹氣流量和壓力升高時，膨脹氣流速過大，從馳放氣洗滌塔底部來含醇水，無法洗滌膨脹氣中的甲醇回到膨脹罐，被送往過熱爐單元做燃料氣的膨脹氣管線中。帶著液體膨脹氣和解析氣在靜態混合器 225A01中混合后送入蒸汽過熱爐，導致部分燒嘴脫火熄滅，蒸汽過熱爐爐膛壓225PI0203開始從負壓到正壓之間波動（如圖2所示）。

圖 2 蒸汽過熱爐爐膛負壓 225PI0203 波動示意圖（時間： 2016-12-14 22：35：57 ）

4 215/225過熱爐單元膨脹氣帶液處理技術

攻關小組在不斷試驗和分析的基礎上提出了蒸汽過熱爐單元膨脹氣帶液處理技術，具體包括如下內容：①合成單元根據合成環路系統氣體組分變化及時通知上游調整CO、CO2的含量，控制合適的氫碳比（2.05～2.08）。關注膨脹氣流量和壓力變化，并及時調優參數。②膨脹氣流量高于2 800 m3/h以上時，現場人員對膨脹氣和解析氣管線低排導淋接軟管排液到污甲醇罐。③雙人排液操作，在污甲醇罐入口處安裝排液視鏡，觀察排液情況。④落實膨脹氣排液安全管理措施，避免混合氣、甲醇水飛濺泄漏，發生環境污染事件。⑤編寫膨脹氣和解析氣排液非常規操作法，確保過熱爐單元爐膛負壓穩定運行。⑥增設膨脹氣分液罐214V06。膨脹氣排液可以避免蒸汽過熱爐負壓波動，但排液過程中容易發生膨脹氣泄漏、排液軟管在壓力過高時連接脫開導致甲醇外泄等環境污染問題，給甲醇合成裝置安全生產帶來潛在安全隱患。增設分液罐可以解決原膨脹罐分離能力不足問題，回收洗滌膨脹氣中甲醇水至膨脹罐內，經分離后的膨脹氣可送至蒸汽過熱爐單元做燃料氣，從而避免負壓波動。通過膨脹氣技改，降低了燃料氣單耗和裝置運行中的安全風險，減少蒸汽過熱爐單元運行不穩定狀態，確保中壓蒸汽管網壓力穩定。

5 215/225蒸汽過熱爐單元膨脹氣帶液處理技術的實施效果

5.1 有效發現膨脹氣帶液，安全操作排液，消除非計劃停車事故

根據制定的膨脹氣排液非常規操作規程，落實安全措施，及時調整合成環路氫碳比，優化生產，避免富碳工況，可以及時發現膨脹氣、解析氣排液，消除蒸汽過熱爐負壓波動安全隱患。2017年11月下旬以來沒有發生因為蒸汽過熱爐負壓波動造成的非計劃停車事故。

5.2 降低裝置運行風險，減少對蒸汽管網的影響

實施該技術前，因膨脹氣帶液導致蒸汽過熱爐負壓頻繁波動，造成燒嘴脫火熄滅等，而負壓波動還會觸發負壓連鎖致使蒸汽過熱爐停車，對全廠中壓蒸汽管網影響極大；增設膨脹氣分液罐后，徹底解決了該項問題，降低蒸汽過熱爐的運行風險，提高蒸汽過熱爐運行穩定性。

5.3 回收甲醇，降低合成氣單耗

膨脹氣分液罐內液位高時，操作人員開閥將液體返回甲醇膨脹罐內，重新進入預精餾系統處理，此舉可回收部分甲醇，降低合成氣單耗，從而進一步降低裝置的運行成本。

5.4 減少管網主燃料消耗，降低裝置綜合能耗

膨脹氣分液罐實施前，因膨脹氣帶液導致負壓波動，僅并入部分膨脹氣去蒸汽過熱爐做燃料，剩余放空去火炬，過熱爐消耗所需的不足部分由管網主燃料補充；該項目實施后，分液后的膨脹氣全部并入蒸汽過熱爐，避免膨脹氣的放空，同時極大地減少燃料氣管網主燃料氣的消耗（100%負荷下，主燃料氣由1 750.9 Nm3/h減少至1 700 Nm3/h 左右，消耗量減少50 Nm3/h左右），極大地降低裝置綜合能耗。

6 經濟效益分析

在甲醇合成裝置滿負荷或富碳工況時膨脹氣量增加，此時該技改措施單系列可減少膨脹氣放低壓火炬約400 Nm3/h，經核算膨脹氣熱值約為燃料氣的一半，單價為 0.5 元 / Nm3，2021 年 1 月 至 12 月 底 按 照 8 000 h 計算。2個系列蒸汽過熱爐，每個系列減少膨脹氣放火炬400 Nm3/h；合成裝置兩系列精餾減少膨脹氣放空全年約節約320萬元 （400×2×0.5×8 000=320萬元）。

2021年減少燃料氣管網主燃料氣的消耗（100%負荷下，主燃料氣由 1 750.9 Nm3/h 減少至 1 700 Nm3/h 左右，平均減少51 Nm3/h左右；2021年1月至12月底按照8 000 h計算），極大地降低裝置綜合能耗。燃料氣成本單價為1.9 Nm3/元；全年生產運行為8 000小時；全年主燃料氣創效益合計：51×8 000×1.9=775 200 元。

2個系列膨脹氣分液罐回收甲醇：2021年的有效生產時間為365 d；MTO甲醇不含稅成本單價為1 700元；單個分液罐容積為 4.6 m3；日平均排液位為25%；甲醇密度為0.8；每天單個分液罐回收甲醇：4.6×25%×0.8=0.92 t/d；2 個系列膨脹氣分液罐得出日回收甲醇合計 0.92+0.92 t/d ；全年收益為（0.92+0.92）×365×1 700元=114.172萬元/年。

合成裝置負荷（100%）過熱爐單元減少非計劃停車（2017 年停車時間）： 放空中壓蒸汽為 254.774 t/h； 開停車時間合計8 h，中壓蒸汽單位成本核算單價為20元/t；全年中壓蒸汽節約開停車中壓蒸汽費用為254.774×20×8=40 763.84 元。

熱電高壓減中壓蒸汽補充管網：補充管網中壓蒸汽為254.774 t/h，停開車時間合計 8 h，蒸汽單價為 20 元 /t；熱電高壓減中壓蒸汽補充管網：254.774× 8×20=40 763.84元；減少非計劃停工年創效合計320+77.52+114.172+4.076 384+4.076 384=519.832 萬元。

7 結束語

甲醇合成裝置215/225蒸汽過熱爐單元膨脹氣帶液處理技術，消除了蒸汽過熱爐負壓波動安全隱患，尤其是2個精餾單元分別增設膨脹氣分液罐后，不僅降低了裝置運行風險和減少對蒸汽管網的影響，還降低了管網主燃料消耗和綜合能耗；回收甲醇到膨脹罐內，降低合成氣單耗；減少膨脹氣400 Nm3/h放空，送至蒸汽過熱爐做燃料氣，減少管網天然氣使用量；杜絕蒸汽過熱爐單元因膨脹氣帶液造成的非計劃停車事件，進一步降低了甲醇合成裝置綜合生產成本。