浅谈对甲醇生产转化反应的技术研究

一、研究背景

河北峰煤焦化公司甲醇车间利用焦化装置副产的焦炉煤气生产甲醇。设计生产规模为10万吨/年甲醇，实际生产能力9.6万吨/年甲醇。

在整个甲醇装置中，转化炉属于核心设备之一。转化炉内装有转化催化剂，在炉内采用加压催化部分氧化法，在转化炉上部燃烧室内，焦炉气中氢气甲烷与氧气进行燃烧反应，产生大量热量，为在转化催化剂床层的甲烷蒸汽转化反应提供热量，生成H2、CO、CO2，为后序甲醇合成提供有效的原料气。转化炉作为甲醇生产的关键设备，其操作要求级别也是最高的。

在正常生产过程中车间发现该进料方式存在诸多不确定因素及较大的安全隐患。因此，改变转化炉的进料方式将是解决问题的关键所在，本项目的实施也由此得来。

二、重点要解决的问题

1、环形分布器存在问题

（1）环形分布器使用刚玉砖砌筑，采用侧向螺旋进气，在使用中后期，刚玉砖上开的氧气孔冲刷严重，刚玉砖变薄，气孔变大，刚玉砖砖缝浇注料脱落形成气缝造成燃烧室内氧气分布不均匀，偏烧现象和局部回火现象严重，很容易烧坏炉壁，发生转化炉烧穿等重大安全事故。

（2）环形分布器带来的偏烧现象，造成工艺气在进入触媒层时温差大，反应不均匀，导致触媒结块现象严重，影响触媒的使用寿命、活性和甲醇产量。

（3）环形分布器使用寿命短，设计只有6个月，而且一旦生产负荷较大，或者开停车频繁时，其损坏速度将更快。

2、转化炉作为甲醇一车间核心设备之一，操作温度最高，燃烧室最高达1600℃左右，其危险性也最大，由于环形分布器存在以上缺陷，造成转化炉在生产过程中始终存在诸多不安全因素，十分不利于正常生产。

3、由于转化炉内火焰不能监控，只靠检测转化炉外部和下部温度为依据，其发生烧穿事故时一般没有预兆，属于瞬间发生，一旦停车处理不及时，可能导致高温火焰喷出，后果不堪设想。2011年5月8日凌晨3点23分，甲醇一车间转化炉夹套回水温度由49.5度突然骤升至145度，操作工判断转化炉内衬可能出现问题，在1分钟内切氧停车，在后续开盖检查过程中，发现转化炉内衬烧出1米见方大洞，转化炉钢板已经烧穿，幸亏停车及时，未造成较大事故的发生，后经分析确定为环形分布器局部偏烧，造成内衬局部温度过高，烧穿炉壁。

4、由于环形分布器使用寿命短，制约了甲醇装置的连续稳定生产，甲醇一车间自投产以来，每年至少两次检修，以保证转化炉的安全。如果由于转化炉发生事故被动停车，其检修时间至少一个月，甲醇一车间自投产以来，转化炉分别在2011年5月和2013年1月发生过两次烧穿事故，两次事故虽都未造成人员伤亡，但影响生产时间都达1个月以上，给公司造成的经济损失十分严重。

因此，转化炉已严重制约了甲醇装置的正常生产，必须考虑对其进行改造解决以上存在问题，使甲醇系统的安全等级和生产效率进一步提高。

三、技术改造方案

根据近几年转化炉使用过程中存在问题，车间经多方考察研究，认真研究转化炉炉型和其进料方式，结合目前最先进的炉型设计技术，以及各兄弟单位的技术经验，提出了对原转化炉进料方式及炉型进行技术改造的方案，以解决环形分布器型转化炉存在的各种安全隐患。

总体思路：以现有的转化炉为基础，改原两侧进氧的环形分布器（非金属烧嘴）为中心进氧的金属烧嘴，将转化炉水冷套提高至转化炉上封头法兰下方，增加烧嘴的冷却水保护系统，保证改造后的转化炉安全高效的运行。

基本原则：以现有设施为基础，进行低成本改造，同时应确保改造后转化炉的安全运行。

现有转化炉由触媒层上部切割，转化炉下半部分保留继续使用，重新设计、制造转化炉上半部分。改造后转化炉采用中心烧嘴供氧方式，原焦炉气进口由两侧进气改为单侧进气。设计相应的烧嘴冷却水系统和事故应急系统。

四、项目的先进性

本改造方案，一个中心思路是通过改造来改变转化炉的燃烧方式：即将环形分布器（非金属烧嘴）型改造为中心烧嘴型转化炉。下面将对金属烧嘴的先进性进行分析。

1、结构特点

（1）、烧嘴为多套管单孔喷射式结构，中心管道为氧气蒸汽通道，夹套为保护蒸汽通道，外管为复层结构，冷却水从其中进出，烧嘴外侧保护结构，具有应力自动补偿机构，彻底解决了烧嘴工况变化时对烧嘴的影响，大大延长了烧嘴的使用寿命。

（2）、烧嘴头部外侧设计有焦炉气分布器，起到均布焦炉气的流量和速度的作用，焦炉气分布器可在检修时随烧嘴、封头一同抽出。

2、技术要求

金属烧嘴的设计要求焦炉气与氧气混合均匀，燃烧充分，炉顶空间温度场与流场分布合理，具体表现为：

（1）、火焰长度合理，进入催化剂床层前，氧气燃尽，温度与组成分布均匀；

（2）、烧嘴燃烧火焰在炉膛中心，避免火焰直接接触到炉内壁耐火材料；

（3）、正常操作下炉内耐火材料任何一处的温度不超过1400℃；

（4）、烧嘴能够在较宽的负荷范围内良好运行；

（5）、烧嘴采用蒸汽保护和水夹套强制冷却设计，本质安全系数高。

（6）、催化剂床层入口工艺气体同平面温差≤8℃，保证了反应更充分，生产效率更高；

（7）、金属烧嘴使用寿命保证大于24个月，大大降低了检修频次。

五、主要技术原则和设备特性

1、放弃当前转化炉采用的环形分布器配氧的形式，改变了燃烧方式，采用金属烧嘴配氧，实现效益、安全双丰收。

2、充分利用现有设备，减少初期投资。

3、就近配置保护蒸汽和锅炉水，并设置稳压罐和换热器，实现锅炉水的循环利用，增加了EPS系统，保证突然停电状态下系统的正常运行，提高了本质安全性。

4、系统工艺流程简图

由上图可以看出，整个烧嘴系统设置了完整的保护水和保护蒸汽，保证了整个系统的安全稳定运行。

六、项目改造存在问题的解决及今后进一步需完善的方面

由于该项目在原设备上进行的改造，存在一定的局限性，包括流体力学方面的问题，火焰燃烧的温度场分布问题，事故状态下烧嘴保护问题等，不能像整体设计的那么完善。这就要求我们在改造和操作过程中充分考虑以下问题：

1、一定要计算好触媒装填高度，既不能太低也不能太高，调整好最合适的燃烧室高度，以保证火焰的燃烧空间；

2、在操作上控制好水碳比，配氧量，以及各介质的压差，保证烧嘴在使用过程中的安全稳定性，发挥好金属烧嘴的优势；

3、充分发挥好EPS应急电源和缓冲罐系统的作用，并保证备用水泵的完好性，在突发事故时，能第一时间启动备用水泵，保证烧嘴保护水的流量，确保烧嘴在事故状态下的使用安全。

4、在金属烧嘴的选择上，一定要以实际生产工艺为导向，选择最适合的金属烧嘴作为备用。

参考文献：

[1]吴创明.焦炉煤气制甲醇的工艺技术研究[J].2008，38（1）：36-42

[2]李东志.焦炉煤气制甲醇的工艺与探索[J].河北化工，2010，33（4）：45-46

[3]陶鹏万.焦炉煤气制甲醇转化工艺探讨[J].天然气化工，2007，32（5）：43-46

作者简介：

张川川（1983—），男，河北，化工工程师，化工生产技术管理方向。