100萬t/a甲醇裝置蒸汽加熱爐介紹及開車運行總結

楊列省，王 輝，王明蘭

(聯泓(山東)化學有限公司，山東滕州 277500)

聯泓(山東)化學有限公司是以對置式四噴嘴水煤漿加壓氣化生產的水煤氣為原料，經變換轉換、低溫甲醇洗洗滌、凈化后進入合成系統，在合成系統生產出粗甲醇后送入精餾系統，在精餾系統可選擇性生產國標級和MTO級精甲醇。

為提高產能、降低消耗，公司于2016年進行擴能改造項目，建設三期25 000 m3/h空分項目，并于2017年順利產出合格氧、氮產品。KDON-25000型空分裝置由中國杭汽股份有限公司設計制造，機組采用2.5 MPa中壓過熱蒸汽，在鍋爐蒸汽緊張的情況下，利用加熱爐將合成副產的2.5 MPa飽和蒸汽加熱為過熱蒸汽供三期空分使用。在實際運行中，加熱爐出現開車點火困難、真空度波動大、暖管效果差等問題。針對這些問題，對部分位置進行優化改造。

1 加熱爐流程

2015年，公司在原甲醇合成的基礎上進行技術改造，以實現年產100萬t/a甲醇的目標。2016年，對項目進行了投資建設，合成Ⅱ系統新增加1臺蒸汽過熱爐，利用氫回收系統的尾氣對合成Ⅱ系統副產的部分蒸汽進行過熱并送蒸汽管網。2017年擴能改造完成，2018年1月加負荷運行，實現達產達標。加熱爐工藝流程見圖1。

圖1 加熱爐工藝流程工藝流程

1.1 蒸汽流程

合成Ⅱ系統汽包(VII5101A/B)出口蒸汽經蒸汽自調閥(PV5104BA)調整汽包壓力后分成兩路，一路經蒸汽切斷閥(HV5111B)去變換工段進行過熱，一路經加熱爐蒸汽調節閥(FV5111B)去蒸汽過熱爐。為防止兩路蒸汽調整不好造成壓力波動，在HV5111B、FV5111B前設置了蒸汽放空閥(PV5130B)放空到消音器(XII5104)。飽和蒸汽經FV5111B調整流量后，再經過熱爐蒸汽入口切斷閥(XV5176B)進入蒸汽過熱爐對流段，初步加熱后進入輻射段，輻射段管壁溫度(TI5145A—D、E—H)控制在462 ℃以下，蒸汽經加熱爐提溫蒸汽出口溫度(TI5143B)達到360 ℃以下后經加熱爐過熱蒸汽出口閥(XV5174B)送往過熱蒸汽管網。過熱爐蒸汽進口閥(XV5176B)后經0.3 MPa蒸汽閥(XV5177B)引入0.3 MPa蒸汽，用以預熱蒸汽過熱爐；出口閥(XV5174B)閥前設有蒸汽放空閥(XV5173B)，放空到XII5104。

1.2 燃料氣流程

來自燃料氣管網的燃料氣通過自力式調節閥燃料氣總閥(PCV5110B)、燃料氣放空閥(PCV5142B)補充新鮮氣后，通過燃料氣放空閥(PV5142B)控制壓力在0.4 MPa以下,然后再分成兩路。一路經過主燃料氣調節閥(PV5143B)減壓后控制主火管線壓力(PT5143B)為0.15 MPa以下，通過主燃料氣快切閥(XV5142B)、主燃料氣快切閥(XV5143B)后分四路進入4個主燃燒器ABCD；另一路經過長明燈燃料氣調節閥(PV5145B)減壓后控制長明燈管線壓力(PT5145B)達0.15 MPa，通過長明燈快切閥(XV5148B和XV5150B)后分4路進入4個主燃燒器ABCD；兩路燃料氣管線上設有快速放空閥門(XV5144B和XV5149B)，以保證安全使用。

1.3 空氣流程

空氣經鼓風機(CII5106)提升壓力,通過鼓風機出口閥(HV5142B)壓力達到1.2 kPa進入過熱爐上部預熱段，進行空氣預熱，空氣預熱器管壁溫度在250 ℃左右，空氣被預熱后進入燃燒器配風。燃料氣燃燒后出口氧質量分數為3%，對流段底部壓力(PI5148B)經煙道自調閥(PV5148B)控制在-50～-100 Pa。

為保證系統安全，界區引入0.3 MPa蒸汽，作為消防蒸汽通入加熱爐爐底，部分用于儀表伴熱。低壓氮氣通入燃料氣管線和精餾不凝氣管線，用于置換管線。界區內所有燃料氣在放空和安全閥排放口處被收集后進入火炬管網。空氣流程主要設備參數見表1。

表1 不同工況下的設計運行參數

蒸汽加熱爐(FⅡ5101)的自控控制采用BMS系統與DCS操作系統、安全聯鎖儀表系統SIS相結合的方式。BMS系統主要作用是現場啟動點火和點長明燈；現場啟動主火分支閥門(XV5146BA～D)。DCS系統主要作用是顯示FⅡ5101系統壓力、溫度、流量等工藝參數，系統控制和報警；燃燒器的運行狀態顯示；風機運行狀態及遠程啟停。SIS系統主要作用是控制現場氣動開關閥，啟動停止加熱爐[1]。

FⅡ5101共有4臺燃燒器，每臺燃燒器上有兩套火檢。BMS放置在現場，同時面板上設有16個按鈕，控制4個點火器的啟停、4個主火的啟停、1個尾氣的啟停。

2 開車前的準備工作

2.1 開車前的吹掃步驟

加熱爐開車前需吹掃2.5 MPa蒸汽進出口管線及暖管蒸汽管線，保證加熱爐、蒸汽管道內部的清潔，保證外送2.5 MPa過熱蒸汽的品質[2]。

2.1.1 主要操作步驟

暖管前檢查加熱爐方向的各蒸汽閥門狀態。蒸汽加熱爐飽和蒸汽調節閥(FV5111B)前后截止閥打開旁路關閉，FV5111B閥門關閉，飽和蒸汽進口切斷閥(XV5176)打開；加熱爐過熱蒸汽出口切斷閥(XV5174)關閉，切斷閥后的手閥關閉；加熱爐出口放空閥(XV5173B)全開。

蒸汽吹掃前必須充分暖管，防止發生水擊現象，注意做好疏水。過程中要做好管線檢查，多巡檢管線情況，并做好溫度檢測。前后溫差不可過大，溫度升至100 ℃前，尤其要控制好暖管速率。暖管期間，要有專人負責，保證暖管安全，尤其是第一次暖管時。

開始暖管時，應及時通知調度，先把飽和蒸汽切斷閥(XV5176B)打開，再打開FV5111B的前后截止閥，根據暖管溫度壓力變化開FV5111B。升溫吹掃過程中，通過FV5111B開度來控制吹掃升溫速率及吹掃蒸汽用量。對比外送蒸汽量(FT5102B)和去加熱爐蒸汽量(FT5144B)，避免FT5144B波動較大，減少對變換的影響。去加熱爐的蒸汽量無論增減都需提前聯系調度后調節。

2.1.2 溫度控制原則

暖管升溫速率≤10 K/h，升壓速率為0.1～0.3 MPa/min。管道吹掃時，蒸汽壓力低于工作壓力(2.5 MPa)。暖管結束后，吹掃壓力緩慢升至0.5 MPa，壓力維持2 h后緩慢升壓至1.0 MPa，壓力維持2 h，再繼續緩慢升至1.5 MPa，壓力穩定2 h。吹掃過程中吹掃蒸汽流速不應低于30 m/s。自然降溫后，用鐵錘輕敲管道，讓管道內壁上的鐵銹等雜質脫落。

按照以上方法暖管、升溫升壓、吹掃，如此重復多次，直至靶板檢驗合格。在吹掃過程中，各部位觀測操作的人員要認真巡視管道的工作狀況，記錄管道滑動支架熱位移的尺寸，重點檢查固定支架是否牢固，導向支架、滑動支架是否能自由位移滑動。發現問題時，應立即向指揮人員報告。

2.1.3 吹掃合格標準

吹掃質量標準執行GB 50235—2010《工業金屬管道工程施工及驗收規范》中的規定：“靶片上痕跡大小在0.6 mm以下，痕深小于0.5 mm，粒數為1個/cm2，吹掃時間為15 min(連續兩次皆合格)。”共同檢驗鋁板靶片，合格后在吹掃記錄表上簽字，吹掃工作結束。

2.1.4 安全注意事項

吹掃結束后緩慢關閉FV5111B，直至完全關閉，做好管道疏水工作，并關閉其前后截止閥。在拆除靶板時，應將吹掃蒸汽臨時手動閥門關嚴，同時掛上禁止工作牌，以免誤操作傷人。吹管期間,有關部位要劃定禁區，無關人員不得進入，尤其是不加保溫的管道及其排汽口，要注意防止燙傷。排汽口前方應標明足夠范圍的禁區，并樹立明顯標記，排汽口不得正對建筑物，并派專人監視，與控制室保持密切聯系。作業人員工作時,應使用隔熱手套和適合的工具，防止燙傷。作業人員嚴格穿戴勞保用品，登高作業要系好安全帶。

3 開車過程中遇到的問題及優化改造

3.1 蒸汽暖管優化

在FⅡ5101點火之前需要對蒸汽進出口管線進行暖管。加熱爐進口蒸汽閥門后原設計有一條0.3 MPa蒸汽管線對管線進行升溫，蒸汽品質約為139 ℃。但在實際使用過程中，由于管道較長,熱損失增加,同時加熱爐內蒸汽盤管布局有低點，冬天爐內盤管存有冷凝水積存,會產生管線液擊現象。為避免這一現象，將暖管熱源由0.3 MPa蒸汽改為1.27 MPa蒸汽，提高預熱蒸汽溫度。

3.2 開車點火優化

由于FⅡ5101為首次點火開車，點火操作需要摸索進行。為保證點火過程安全，可采用多次數、多吹掃小閥位的方式，控制室內操和現場外操緊密配合，不能單純依靠控制室火檢信號顯示，同時也要進行現場觀察，防止出現假信號。

首先，在長明燈點火操作前，一定要控制好加熱爐爐內負壓，通過控制加熱爐頂部PV5148的蝶閥開度來調節爐內負壓為-50 Pa左右。爐內負壓過低，爐內空氣從底部向上流速過快，在點火時容易吹滅長明燈。

其次，現場人員按下長明燈點火按鈕后，另外一人聽到爐內有“啪啪啪”的電擊打火聲音后，將相應的長明燈燃料氣球閥打開至總開度的1/3～1/2。開度過小，即使點著也容易被風吹滅；開度過大，不容易點著。現場每點火成功1個長明燈，PV5145B閥后壓力會迅速降低，此時等待自調閥調節完畢，閥后壓力恢復并穩定后，再對角開啟下一個長明燈，以此類推。防止自調閥跟蹤不及時，導致PV5145B閥后燃料氣供氣不足，已經點火成功的長明燈熄滅[3]。

3.3 燃料氣管網優化

加熱爐配燒燃料氣原設計采用合成新鮮氣或天然氣。采用天然氣需利用廠外天然氣公司配置管線，管道長、投資大、不經濟。采用合成新鮮氣配燒,管線較短，但需通過減壓閥調整高壓管線至低壓。此方法仍然缺乏經濟性，故未采用。根據合成裝置的特點，采用華東理工大學開發的“管殼外冷絕熱復合式固定床催化反應器”，操作壓力為4.5～5.3 MPa，合成溫度為220～260 ℃。合成反應需要釋放部分弛放氣，維持合成反應壓力，弛放氣進入氫回收后回收大部分CO、H2等有效氣體，以及大部分CO2、CH4、N2非滲透氣進入火炬管網燃燒放空。根據氣體組分及熱量計算，將此部分氣體并入燃料氣管網配燒是完全可行的。為提高燃料氣整體熱值，將合成膨脹槽產生的部分膨脹氣通過控制閥送入燃料氣管網。通過燃料氣管網的優化，回收利用有效氣體，提升了經濟效益。燃料氣管網氣體組分見表2。

表2 燃料氣管網氣體摩爾分數 %

3.4 停車保護優化

合成加熱爐停車后，蒸汽管線內會在彎頭或低點處形成積水，開車時暖管易造成液擊現象，影響生產安全。長時間累積，以及空氣、死氣匯集，會加快設備腐蝕，影響設備使用壽命。采用膠皮管臨時管充氮氣，會發生漏氣或崩開現象，造成人員窒息。所以配一路氮氣引至加熱爐飽和蒸汽管線上吹掃管線內積水，并進行氮氣氣封保護。

改造后效果如下：

(1)管線內積水吹掃徹底后，降低了開車時暖管難度，也避免了液擊現象的發生。

(2)采用氮氣氣封后，既防止積水，也防止空氣及死氣累積，減緩腐蝕，延長設備使用壽命。

(3)采用固定管，保障氮氣使用安全，避免人員傷害。

4 操作中的注意事項

4.1 火嘴燃燒的控制

加熱爐事故大多數是因燃燒控制不當引起的，必須加強維護和管理。要求火焰形狀穩定，火焰不應觸及任何管壁，燃燒處的燃料壓力和溫度應適當，爐內所有的火嘴應燃燒均勻，應通過風門、擋板調節適當的空氣量來保持最佳的燃燒狀態。如果過剩空氣系數過大，熱效率就會降低，風量過大，火焰容易熄滅。如果過剩空氣系數太小，則燃燒不完全，CO未燃燒完就會存在加熱爐和煙氣總管發生二次燃燒的危險[4]。

4.2 火焰的辨別及調節

跳動且明亮的綠色火焰，代表燃燒良好；拉長的綠色火焰一般代表空氣過量；光亮發飄的火焰一般代表空氣不足。火焰熄滅一般是抽力過大、負壓太大造成，可適當調整負壓；火嘴堵塞也可造成熄滅，應卸下進行清理。如果發生回火，一般是抽力不足，應增加負壓；空氣量不足，也會造成回火，應適當增加空氣量；燃料氣壓力大幅度波動，燃料氣帶液等也會引起回火。

4.3 爐膛壓力的控制

爐膛壓力應始終保持負壓。造成爐膛壓力高的原因主要有過剩空氣量太大、煙道擋板開度不夠、對流室積垢嚴重等。

4.4 爐管表面溫度控制

爐管壁溫是衡量爐管表面受熱強度的重要參數。對于定型爐管來說，壁溫超高，意味著爐管使用壽命的縮短，也容易導致管內油品結焦，使爐管壓降增加，甚至燒壞爐管。爐管表面溫度通過爐管表面熱電偶的測量進行檢查。

5 結語

蒸汽加熱爐的投用，為汽輪機驅動源提供了有效保障，減少了鍋爐高壓蒸汽的浪費，同時回收利用有效氣體，對公司節能、降耗、減排均有明顯積極作用。