蒸汽转化炉对流段热效率低的原因分析

(中海石油建滔化工有限公司，海南 东方 572600)

中海石油建滔化工有限公司甲醇装置由DPT设计，采用低压甲醇合成技术[1]，以天然气为原料，设计日产2 500 t精甲醇。装置投产至今已经超过3 a，生产过程中发现蒸汽转化炉对流段热效率没达预期的效果，部分换热盘管存在超温现象，部分工艺气经盘管加热后无法达到设计温度，为保护超温盘管，装置必须减负荷运行，影响了产量。现对蒸汽转化炉对流段热效率低的原因作一分析，并寻求相应的改进措施。

图1 转化系统流程简图

1 蒸汽转化炉介绍

本装置蒸汽转化炉采用顶烧式，辐射段炉膛内共有448根转化管，分成8排，每排56根；共有144个烧嘴，分成9排，每排16个。对流段烟道气入口处有8个辅助烧嘴，辅助烧嘴后共有8组换热器。E303/2和E303/1为高压蒸汽过热盘管，转化气废热锅炉产生的高压蒸汽流经两组盘管加热至510 ℃进入高压蒸汽管网；E304为天然气脱硫加热器，将原料气加热至365 ℃，然后送往脱硫系统，将硫脱除到10×10-9以下；脱硫系统出来的原料气与蒸汽混合后，经E303/2和E303/1加热至575 ℃，然后进入预转化炉，高碳烃转化为轻组分；从预转化炉出来的工艺气流经E302/2和E302/1加热至630 ℃，然后送入蒸汽转化炉生成甲醇合成气。E305为燃烧空气加热器，空气被加热至379 ℃，然后送往烧嘴。转化系统流程示意如图1。

2 蒸汽转化炉对流段存在的问题

对流段热效率较差，与设计工况不符。主要表现为对流段出口的排烟温度偏高、E304和E305进口的烟气温度偏高、预转化炉入口工艺气温度偏低、蒸汽转化炉入口工艺气温度偏低。对流段排烟温度高造成E305超温、引风机转速高和振动大、透平轴头泵安全阀频繁启跳等问题，影响了设备的安全运行；为保护设备，装置必须减负荷运行，影响了产量。预转化炉入口和蒸汽转化炉入口工艺气温度偏低，造成蒸汽转化炉的燃气用量增加，增加了能耗。

3 转化炉对流段热效率差的原因分析

3.1 烟气偏流的影响

烟气偏流一般是指烟气的流量、成分和温度分布不均。其中，烟气温度分布不均是造成对流传热效率下降的重要原因。将对流段各组换热器温度的实际操作值与设计值进行比较，发现换热效率表现最差的主要是E303/2。据对流段的结构，我们检测了E303/2前后不同高度下的烟气温度，见表1。

表1 E303/2前后不同位置烟气温度情况

注：测温位置是指测温点与对流段底部的距离。

测温从对流段顶部开始，往下依次测量，E303/2前后各测了2组数据(东侧、西侧)。序号1对应的温度偏低，这是因为对流段为负压，在测量过程中冷空气进入造成的；序号10对应的温度也不准，因为测量时接触到了保温模块；而序号2～9对应的温度偏差很小，表明E303/2前后的烟气温度分布很均匀， E303/2换热效率差不是由烟气温度分布不均造成的。

3.2 过剩空气的影响

在实际的燃烧过程中，由于烧嘴结构造成的空气和燃料混合不均和转化炉炉体的漏气等因素，实际进入的空气量比理论空气量要多，实际空气量与理论空气量的比值称为过剩空气系数。过剩空气系数过小，则燃烧不完全，浪费燃料，甚至造成二次燃烧；过剩空气系数大，可以使燃料完全燃烧；过剩空气系数过大，则会使烟气携带的热量增多，降低转化炉的热效率，造成对流段出口烟气温度上涨。本装置过剩空气系数设计值约1.09，而实际值比设计值稍高，对对流段热效率有一定的影响，但不会是造成对流段热效率低的主要原因。

3.3 粉尘的影响

转化炉运行一段时间后，对流段换热盘管的翅片上会出现一层粉尘，这些粉尘会影响传热效果，也会造成对流段的阻力增加，必须提高引风机转速才能维持转化炉炉膛正常的负压。这些粉尘主要源自转化炉耐火材料的粉化[2,3]，以及烧嘴处燃烧不充分和转化管表面的氧化层脱落。本装置转化炉烧嘴处燃烧并不很充分，烟气中含有较多的粉尘，经常会在辐射段转化管上形成非常明显的附着物，导致转化管形成亮斑，粉尘随烟气进入对流段后又附着在换热盘管翅片上，影响传热效率。另外，由于本装置过剩空气系数控制稍高，烟气中氧含量较高，烟气侧高温炉管表面被氧化，炉管表面形成一层脆性的氧化物，这层氧化物与母体的热膨胀系数不一样，很容易脱落[4]。在检修期间对对流段换热盘管进行清理，能显著改善对流段的热效率，每次清理后对流段的排烟温度能降低约5 ℃，运行约3个月后恢复到原状。通过计算，此举大约能节省280 km3的燃料天然气。

3.4 预转化催化剂活性的影响

原料气在预转化炉中发生吸热反应，将高碳烃转化为轻组分，能够降低下游蒸汽转化炉的负荷。在预转化催化剂使用初期，预转化炉的温降为60～80 ℃；随着催化剂使用时间的增加，温降将逐渐减小，这就意味着预转化炉出口工艺气温度会逐渐上涨，则对流段的烟气温度会逐渐上

涨，此时装置必须进行调整，否则会造成对流段排烟温度更高、E305出口超温更严重。在实际生产中，随着预转化炉温降的减小，装置的负荷也在跟着降低，对本装置而言，预转化催化剂的活性也是影响对流段热效率的重要因素。

3.5 换热盘管换热面积不足的影响

通过对对流段的温度情况进行分析，发现E303/2入口烟气温度与设计值一致时，E303/2出口工艺气温度偏低，而出口烟气温度则偏高，这表明 E303/2的换热能力不够。通过设计院模拟仿真，最终确认E303/2换热面积不足，造成其出口烟气温度比设计温度高40～50 ℃，这是造成所有问题的最主要原因。如果增加E303/2换热面积，将转化炉入口工艺气温度提至设计值，通过模拟计算，装置能够节能6～8 MW；同时，也能解决E303/2换热面积不足造成的设备方面的问题，装置能够满负荷运行。

4 结 语

通过分析发现，预转化炉入口加热器E303/2换热面积不足，是造成蒸汽转化炉对流段热效率低的最主要原因。对此，公司将进行项目改造，改造后的节能增产效果将十分显著。另外，根据对其他影响因素的分析，通过清理对流段换热盘管上的粉尘、适当降低过剩空气系数、及时更换预转化催化剂等手段也能有效提高蒸汽转化炉对流段的热效率。

参考文献：

[1]刘志臣.几种先进的低压甲醇生产技术简介[J].化肥工业,2008，35(3)：6～10.

[2]张克铭.陶瓷纤维衰变及损坏机理[J].工业炉,2006，29(2)：44～46.

[3]严云，胡志华.耐火浇注料衬里自粉化现象的原因初探[J].工业炉，2005，28(2)：43～45.

[4]杜灯华.过剩空气系数a对管式加热炉的影响[J].化工设备和管道，2004，41(5)：48～49.