甲烷化爐入口工藝氣溫度下降的原因分析及應(yīng)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(chǎn)450 kt合成氨、800 kt尿素裝置于2003年建成投產(chǎn)。甲烷化爐是合成氨裝置凈化工序的主要設(shè)備，出變換工段的工藝氣經(jīng)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(wěn)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(yīng)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(wěn)定了甲烷化爐入口工藝氣溫度，但導(dǎo)致合成氨裝置產(chǎn)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(yīng)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(tǒng)(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(guān)；TIC-1012開度為0時，TV-1012B全開。正常生產(chǎn)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(diào)整甲烷化爐加熱器疏水器旁路切斷閥，使TV-1012B的開度恢復(fù)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(lián)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(diào)閱歷史溫度趨勢線發(fā)現(xiàn)，當(dāng)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(cè)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(nèi)主要發(fā)生以下兩個反應(yīng)：CO+3H2=CH4+H2O和CO2+4H2=CH4+2H2O。上述反應(yīng)為高活性的放熱反應(yīng)，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(yīng)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(shù)據(jù)(見表1)，數(shù)據(jù)顯示未出現(xiàn)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(shù)據(jù)

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(chǎn)時TV-1012A一直處于關(guān)閉狀態(tài)。為確定閥門的狀態(tài)，在現(xiàn)場進行了全面檢查，確認TV-1012A被關(guān)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(chǎn)生的冷凝液經(jīng)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(chǎn)時由現(xiàn)場操作人員根據(jù)TV-1012B的開度來調(diào)節(jié)該切斷閥的開度，保證TV-1012B始終有調(diào)節(jié)裕度。2020年2月7日，主控發(fā)現(xiàn)TV-1012B開度由50%提高至105%，現(xiàn)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(guān)的位置調(diào)節(jié)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)場調(diào)節(jié)甲烷化爐開工加熱器疏水器旁路切斷閥，發(fā)現(xiàn)切斷閥從接近全關(guān)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(guān)，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(guān)的位置繼續(xù)關(guān)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(xiàn)下降。經(jīng)反復(fù)確認3次，結(jié)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(xiàn)嚴重沖刷腐蝕后，高壓蒸汽在甲烷化爐開工加熱器管程內(nèi)的停留時間縮短，高壓蒸汽在甲烷化爐開工加熱器內(nèi)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(yīng)對措施

因合成氨裝置處于正常生產(chǎn)狀態(tài)，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(cè)有全系統(tǒng)停車和在線處理2種方法，若采用合成氨裝置全系統(tǒng)停車處理的方法，直接經(jīng)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(tǒng)、分子篩再生加熱器和氨蒸塔再沸器等相關(guān)單元產(chǎn)生影響，為保證應(yīng)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(jīng)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(nèi)發(fā)生反應(yīng)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(huán)量，甲烷化爐入口工藝氣中CO、CO2的體積分數(shù)可分別提高0.3%、0.02%，甲烷化爐催化劑床層溫度相應(yīng)上升約22.2 ℃。

(2)脫氧槽。脫氧槽內(nèi)除氧分為化學(xué)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(tǒng)。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(tǒng)負荷降低，相應(yīng)副產(chǎn)的蒸汽量減少，中壓蒸汽管網(wǎng)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(xiàn)。

(4)分子篩再生加熱器和氨蒸塔再沸器。正常生產(chǎn)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(jīng)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(wěn)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(xiàn)明顯升溫，此時主控逐漸關(guān)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(guān)后，甲烷化爐入口工藝氣溫度為284 ℃，并呈現(xiàn)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(dāng)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(wěn)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(xiàn)場關(guān)閉TV-1012B前的雙截止閥、去中壓疏水器截止閥，打開TV-1012B前導(dǎo)淋、甲烷化爐開工加熱器出口導(dǎo)淋，打開甲烷化爐開工加熱器疏水器前導(dǎo)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(dǎo)淋，關(guān)閉后截止閥，氨蒸塔再沸器冷凝液實現(xiàn)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(dǎo)淋，關(guān)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(xiàn)就地排放。

(5)關(guān)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(cè)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(wěn)定，且一直呈下降趨勢。為了防止入口工藝氣溫度持續(xù)下降，采取了調(diào)整系統(tǒng)負荷、天然氣組分、脫碳系統(tǒng)貧液循環(huán)量、脫碳系統(tǒng)半貧液循環(huán)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(fā)現(xiàn)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(wěn)定在285 ℃，保證了甲烷化爐的穩(wěn)定運行，同時關(guān)閉了低溫變換爐旁路閥，達到了節(jié)能降耗的目的，確保了生產(chǎn)裝置的長周期穩(wěn)定運行。