甲醇装置转化炉出口甲烷偏高原因分析

2014-07-31杨乾明

化工设计通讯 2014年3期

杨乾明

［建滔（河北）焦化化工有限公司，河北内丘 054200］

我公司有两套100kt／a焦炉气制甲醇装置。二期甲醇装置于2009年5月正式投产，投产半年后，运行趋于稳定，从2010年开始产量平均每月均在10kt以上，连续两年产量超过120kt。2012年，在国内钢铁市场不景气的情况下，我公司仍然盈利1.2亿元。

二期甲醇装置净化系统二段转化炉采用的是自热式转化炉，氧气从位于转化炉炉顶中心的金属烧嘴氧气分布器进入，与从转化炉两侧进来的焦炉气在燃烧室均匀混合后进行燃烧。本转化炉的特点在于氧气是从炉顶的金属烧嘴进入，金属烧嘴从炉顶深入到燃烧室长约3.440m，烧嘴下端均布11个φ25mm喷孔，而焦炉气则从转化炉两侧金属烧嘴喷孔的上方进入燃烧室。

1 甲烷偏高现象及特征

2013年3月底，第一炉转化催化剂使用已将近4a（2010年及2011年均筛选及更换部分转化催化剂），其型号上部是Z205，下部是CN20，西南院生产。为保证装置的安全稳定运行，创造更多的经济效益，决定更换全部转化催化剂；公司生产部鉴于使用第一炉催化剂能够长周期稳定地保证转化炉出口的甲烷含量，研究决定仍使用西南院生产的Z205／CN20转化催化剂。于2013年3月30日装填，3月31日开始在厂家的指导下按升温还原方案开始升温还原，4月1日投入正常生产，系统进入低负荷生产期，发现转化炉出口甲烷明显偏高；经过一周左右稳定调节转化炉的水碳比、转化炉出口温度，以及进入转化炉焦炉气与氧气的流量均属正常控制范围内，而合成工段合成反应明显较差，合成系统惰性气体成分上升，其甲烷含量比停车前有较大的上升，这证明转化炉出口甲烷偏高属实。

2 二段转化炉出口甲烷偏高的原因分析

由于转化炉出口甲烷偏高是发生在新装填催化剂投用后，在系统满负荷焦炉气达26000m3／h、燃烧室温度达1 230℃时，转化炉出口甲烷仍然在1.2%以上。我们利用一个月的时间对系统进行了调节并对转化炉数据进行了对比分析（如表1）。

表1 更换转化催化剂前后工艺参数的对比

我们利用平衡温距这一手段对催化剂更换前后进行了考查。经过大量的数据计算发现，在更换催化剂前转化炉燃烧室同一水平面上东西相对的TI60610及TI60611热电偶温差为15℃左右，而在同一垂直方向TI60610、TI60609、TI60608、TI60607之间的温差分别为70℃、70℃、40℃。检修更换催化剂后，转化炉燃烧室同一水平面上东西相对的TI60610及TI60611热电偶温差为100℃左右，在同一垂直方向TI60610、TI60609、TI60608、TI60607之间的温差分别为200℃、20℃、10℃。据经验，由于甲烷转化反应为吸热反应，新催化剂层TI60610与TI60609热电偶有较大的温差仍属比较正常，从理论上讲，一定时期内催化剂的平衡温距应该是一个相对稳定的数值；但是催化剂层几乎没有温差，说明这里边已经没有甲烷转化的吸热反应了。

当金属烧嘴的氧气分布器内发生偏流时，会造成氧气与焦炉气混合不均匀，一边氧气较多的部分温度较高，其活性较好，造成TI60610与TI60609热电偶温差较大，甲烷在上部已经反应完全，下部依次为TI60609、TI60608、TI60607处，已经没有多少甲烷在此反应，导致温升小。而另一边却是因为氧气量小，温度不足，甲烷转化催化剂达不到活性要求的温度，甲烷转化得少。总的来讲，就是烧嘴偏流后，过氧的一边造成反应温度上升较多，甲烷反应也多；相反，缺氧的一边反应就少，总体上使得转化炉出口甲烷含量上升了，平衡温距也在上升。此外，金属烧嘴到燃烧室的六角砖转化气分布器的距离有限，气流速度快，一旦发生偏流，转化气在燃烧室混合后进入催化剂层的可能性不大，这样就造成焦炉气量越大，加的氧气量也就越多，转化炉燃烧室内的反应热也就越多，对转化炉催化剂层的平衡温距影响也就越大。总体表现为，随着转化炉温度升高，温差变大，转化炉出口甲烷含量反而没有变小。

3 转化炉金属烧嘴偏流的原因

（1）频繁地开停车，是造成转化炉烧嘴偏流的根本原因。每一次因为事故状态的开停车，都会使转化炉内的温度及系统压力产生突变，温度从700℃突升至正常时的1 200℃，或是从正常时的1 200℃急降至500℃；在此过程中系统压力的迅速变化，烧嘴还将不可避免地受到气流的冲击，这种温度应力和气流的冲击，对金属烧嘴来说都是严峻的考验。

（2）停车检修，在拆开金属烧嘴后，一般情况下转化炉大帽和金属烧嘴均是拆开放置，金属烧嘴长时间于一个位置平躺放置，也会造成烧嘴变形，只需一点变形就会对转化炉金属烧嘴偏流埋下隐患。

（3）回装转化炉大帽时，法兰垫片的水平放置是否合格，烧嘴安装的垂直度是否进行过校验，也会直接影响到开车后烧嘴的运行情况。

4 烧嘴偏流后采取的措施

烧嘴偏流后，不可避免地会造成部分催化剂超温。在这种情况下，防止转化炉催化剂超温，避免转化炉出口甲烷含量继续上升则成为关键。首先，严格控制转化炉催化剂层及转化炉出口温度在指标范围内；然后，应减少系统波动及频繁加减负荷，保持系统稳定运行；其次，加强员工责任意识的培训，做到勤调节，适当提高转化炉的水碳比、水气比；最后，及时找出烧嘴偏流原因，在系统停车检修时予以纠正。