制氫裝置轉化爐爐管壓降升高原因分析及對策

安金海，孟慶學，王象會，張新光

(正和集團股份有限公司，山東 東營 257300)

某公司制氫裝置，建設規模為10000Nm3/h的工業氫，2006年11月投產，裝置分為原料氣壓縮、原料氣精制、輕烴水蒸氣轉化、中溫變化、PSA以及余熱回收等幾部分組成，轉化爐采用2排管，共48根，爐管材質為25Cr25N-iNb-MA，爐管有效長度12.8 m，設計溫度950℃，加工原料為焦化干氣，天然氣作為備用原料，采用某公司的轉化催化劑，單管催化劑裝填高度為12.8 m，其中A劑裝填高度6.4 m，B劑裝填高度6.4 m，總裝劑量4.8 m3，合計5.04t。該催化劑為2016年7月檢修期間更換，已運行12個月。催化劑的物化性質如表1所示。

表1 轉化催化劑物化性質表

全廠低壓電出現晃電，制氫裝置鍋爐上水泵、轉化爐鼓風機、引風機、酸性水泵、空冷等低壓電機全部停運。晃電后，現場立即啟動事故應急預案，操作工按預案要求赴現場緊急啟動機泵。在啟動機泵過程中，又間斷性發生五次低壓電晃電事故，兩臺鍋爐上水泵都未能恢復正常運行，導致鍋爐V4003液位持續下降，十五分鐘后鍋爐干鍋，制氫裝置按照緊急停工處理。系統N2置換合格后，裝置重新開工，在升溫升壓過程中發現轉化爐爐管壓降過高，經處理未能恢復到理想狀況，被迫停工更換催化劑。針對轉化爐爐管壓降升高問題，公司組織了專題分析，現將分析情況及制定的對策說明如下。

1 制氫轉化爐管壓降升高過程

制氫鍋爐上水泵P4002A因頻繁晃電停運，上水流量指示回零，操作人員到現場緊急搶開鍋爐上水泵，鍋爐上水泵經過連續三次開啟，均未成功恢復正常運轉，導致鍋爐上水中斷。在此期間中壓汽水分離器V4003液位持續急劇下降，經現場叫水確認V4003玻璃板無液位，鍋爐干鍋。

制氫裝置按緊急停工處理，操作人員開始停原料氣壓縮機C4001，制氫轉化爐F4002、原料氣加熱爐F4001緊急停爐，操作人員關閉各燃料氣手閥，打開F4001、F4002看火窗降溫。制氫操作人員停止中變氣進PSA，關閉中變氣去PSA手閥，關閉PSA脫附氣進F4002大閥，系統通過中變氣放火炬控制壓力，轉化系統泄壓置換。

系統置換合格后，裝置開始開工恢復。開工過程中發現轉化爐爐管壓降異常，轉化爐爐管進出口壓降為1.0MPa，現場查看發現部分爐管出現紅管現象，初步判斷轉化爐爐管積碳。

經咨詢催化劑廠家，遂停工更換催化劑。在催化劑更換過程中，發現卸出的催化劑積碳嚴重。

2 轉化爐管壓降升高的原因分析

在晃電前，制氫裝置運行正常，轉化爐管出入口壓差0.25MPa，轉化爐出口甲烷含量3.5%，裝置產氫量9000Nm3/h，轉化催化劑性能狀況正常，無顯著損傷。連續晃電期間，轉化爐爐管壓降升高，具體原因分析如下：

2.1 水碳比失調

制氫鍋爐上水泵P4002A頻繁晃電停運，上水流量指示回零。鍋爐上水泵出口DCS流量指示FT2601變化情況如(圖1)所示，可以看出操作人員三次搶開鍋爐上水泵，但由于連續晃電，機泵不能正常運行，導致鍋爐干鍋，并錯過了最佳切料時間。

圖1 鍋爐上水流量趨勢圖

中壓汽水分離器(V4003)液位持續降低(圖2)。液位指示LIC2601變化如(圖2)，汽包液位開始急劇下降，操作人員降低轉化爐配汽量，汽包液位無，經叫水確認鍋爐干鍋；

圖2為入爐蒸汽流量FIC2302，晃電前顯示值為：10460kg/h左右；鍋爐干鍋后，流量急劇下降，配汽已經中斷。

圖2 轉化爐配汽流量

2.2 轉化爐爐膛溫度波動過大

圖3為轉化爐爐膛溫度變化情況，可以看出晃電后爐膛溫度大幅波動，爐膛溫度在三分鐘內波動150℃，大量熱量聚集到爐膛頂部，且由于水碳比減少，在爐膛高溫下催化劑發生結碳、粉碎現象。

圖3 轉化爐爐膛溫度TE2309和TE2313變化曲線

2.3 轉化系統壓力波動過大

圖4為轉化爐爐頂壓力PT2304A變化曲線，從中可以看出轉化系統壓力下降過快，壓力波動超過0.3MPa，從而引起催化劑擠壓受損。

圖4 轉化爐爐頂壓力PT2304A變化曲線

3 本次事件造成爐管壓降增大原因總結

圖5 轉化爐爐管現場圖

圖6 卸劑后轉化爐管內壁積碳及催化劑情況

圖5為轉化爐壓降升高時爐管情況，可以看出部分爐管出現紅管和花斑現象。

圖6為轉化爐卸劑后轉化爐管內壁積碳及催化劑情況，可以看出轉化爐爐管內壁積碳現象嚴重。

通過上述圖表數據分析，我們可以做出如下推斷：

1)裝置連續出現多次晃電現象，操作人員雖然按照晃電應急預案，搶開鍋爐上水泵，但連續晃停，導致鍋爐干鍋，造成轉化水碳比偏低，直至蒸汽中斷。

2)多次晃電事故使得操作人員頻繁啟動機泵，導致延誤切料時機(按照操作規程，切料后催化劑床層繼續通蒸汽至少15min)，切斷原料，原料氣流量指示回零，期間原料氣從脫硫系統在配汽中斷的情況下進入轉化爐，此時轉化爐爐膛溫度較高造成催化劑積碳。

3)緊急停工時轉化爐溫度、壓力大幅波動，造成催化劑粉碎。

4)3.5MPa過熱蒸汽進入轉化爐上尾管熱量散失較大，導致蒸汽溫度較低，進入高溫爐管導致轉化催化劑受損。

5)當班操作人員，應急處置經驗少，部門對操作人員應急預案培訓不到位，負有管理責任。

綜上所述，本次催化劑積炭和破碎的主要原因是晃電次數多、時間長，鍋爐上水泵P4002不能啟動，造成鍋爐干鍋，轉化爐無法正常配汽，發生催化劑積炭現象，由于壓力的波動，和高溫造成催化劑破碎；操作人員應急處置經驗少，最終導致轉化催化劑積碳。

4 裝置停3.5MPa蒸汽，防止催化劑受損的對策

(1)裝置改造引入外來3.5MPa過熱蒸汽作為緊急備用，設計在自產配汽調節閥后增加一個外來蒸汽控制閥組，正常生產中外來蒸汽少量與自產蒸汽同時配汽，在裝置出現連續晃電、大面積停電等事故狀態下可立即投用，避免轉化催化劑因配汽中斷而受損。

(2)在今后生產過程中出現連續晃電及大面積停電事故時，要當機立斷，把握最佳切料時機，及時切料避免原料氣進入催化劑床層，造成催化劑受損。

(3)裝置制定晃電應急預案，并不定期組織員工進行晃電應急預案的演練，提高操作人員的應急處置能力。