甲醇装置改制氢燃料系统安全运行的优化措施

姜 薇，张桂林

(中国石油克拉玛依石化有限责任公司，新疆 克拉玛依 834000)



甲醇装置改制氢燃料系统安全运行的优化措施

姜 薇，张桂林

(中国石油克拉玛依石化有限责任公司，新疆 克拉玛依 834000)

甲醇装置改制氢后，转化炉燃料系统无法做到燃料气手阀全开，无法通过火嘴前背压来控制炉温，火焰大小不一致导致炉膛内部温度分布不均匀，极大地影响了炉管的使用寿命，给装置平稳运行带来风险。通过在燃料气火嘴分支阀后增加限流孔板，炉内火焰燃烧效果有了很大的改善，炉管温度分布均匀。炉管内的转化反应效率也有所提高，转化炉内甲烷转化率及氢气产率提高，大大提高了经济效益。

转化炉炉管温度；限流孔板；甲醇装置制氢改造

甲醇厂3.5万m3/h制氢装置原为20万吨/年甲醇生产装置，于2007年试车成功，2008年正式投产。2012年装置进行改造，现装置以天然气为原料，经天然气压缩、脱硫、转化、中变反应、PSA变压吸附工序生产3.5万m3/h氢气，氢气纯度99.9%以上。本次改造项目设计及施工由华东设计院EPC总承包完成，PSA氢气提纯系统成套技术由华西科技股份公司提供，装置内的配套改造部分由设计所承担。本文着重论述装置改造后转化炉燃料系统存在问题以及解决该问题的优化措施、实施优化措施后取得的效果。

1 甲醇装置改制氢生产装置后转化炉燃料系统存在的问题

甲醇厂3.5万m3/h制氢装置由原20万吨/年甲醇装置改造而来，改造期间针对燃料气系统仅将火嘴进行了更换。由于原设计生产甲醇期间燃料气由天然气和合成驰放气组成，总流量20000 Nm3/h左右，因此燃料气系统的主管线、控制调节阀以及各分支管线均比较粗，每个火嘴分支阀门全开情况下燃料气通过量约为200 Nm3/h。

制氢改造后转化炉的火嘴改为解吸气专用火嘴，燃料气组成分为天然气和解吸气两部分，分别独立进入火嘴燃烧。装置在原料天然气12500 Nm3/h(设计满负荷)情况下燃料天然气用量在6000 Nm3/h左右。因此在燃料气主管线、控制阀门、分支管线不匹配改造的情况下，我们无法做到燃料气手阀全开，通过火嘴前背压来控制炉温，完全靠员工肉眼观察火焰大小来进行调节。这样的方式存在以下几个问题：

(1)员工调整炉火比较频繁，夏季炉顶环境温度高，存在人员中暑的安全隐患。

(2)火焰燃烧的效果不好控制，经常出现偏烧舔管的现象，部分区域炉管发红。

(3)火焰大小不一致导致炉膛内部温度分布不均匀，炉管内的转化反应程度不同，装置转化炉的甲烷转化率和炉热效率低。

(4)极端情况下个别炉管温度可能超过1000 ℃，存在烧穿的风险。炉管温度高同时造成相对应的下猪尾管温度高，给猪尾管安全运行带来隐患，给装置平稳运行带来风险。

2 转化炉火嘴控制解决方案

为了实现燃料气火嘴手阀全开时通过调整火嘴前背压来调节炉温这种控制方式，必须降低各火嘴分支管路的最高流量，同时降低并稳定火嘴前的压力。在燃料气火嘴分支阀后增加限流孔板能够有效解决此问题。

装置满负荷情况下燃料气用量不超过6000 Nm3/h，开工过程中在化工投料前解吸气未参与燃烧时燃料天然气最高用量在8000 Nm3/h左右。装置转化炉共有4排炉管，5排共100个火嘴，东西两侧的火嘴为单排炉管提供热量，中部火嘴为两排炉管提供热量。

通过限流孔板计算，目前工况下，5 mm限流孔板最高通过量为75 Nm3/h，4 mm限流孔板最高通过量为60 Nm3/h。通过对转化炉中部火嘴测试，安装5 mm限流孔板后在高背压的情况下燃料天然气通过量为70～80 Nm3/h。两侧火嘴安装4 mm 孔板后天然气通过量为60～70 Nm3/h。能够满足满负荷及开工需要。

3 转化燃料气火嘴安装孔板后的运行效果

由于装置由甲醇装置改造而来，转化系统属于典型的“大马拉小车”，因此操作温度控制在769 ℃，操作压力2.2 MPa，水碳比控制在4.5～5。2016年10月18日开始，按“转化炉燃料气火嘴增加限流孔板方案”逐排安装孔板。完成后转化炉的运行状况有了很大的改善。

3.1 炉温控制方式得到优化

安装孔板后转化炉的燃料气火嘴手阀全开，实现了通过调节阀手动控制，员工只需要对解吸气火嘴进行调节，大幅度降低了员工调火的操作强度。后期我们计划实现炉出口温度、燃料气流量与装置加工负荷的“三冲量”控制。

3.2 炉内火焰燃烧效果有了很大的改善，炉管温度分布均匀

转化炉火焰变得均匀，适当的调整解吸气阀开度，火焰燃烧效果就会比较理想，炉管发红的情况明显好转。

图1为甲排增加孔板前火嘴的运行状况，由于装置负荷变化会出现个别火嘴火焰过大的情况，造成红管、亮管现象，从而影响炉管寿命，严重时导致炉管破损。图2为增加孔板后火嘴的运行状况，火焰大小、长短均匀，不会出现偏烧的情况，炉管温度分布均匀，整体温度下降。

图1 增加孔板前火嘴的运行状况

图2 增加孔板后火嘴的运行状况

“转化炉燃料气火嘴增加限流孔板方案”逐排安装孔板后炉管温度有所下降。在未安装孔板前使用红外测温仪检测炉管温度860°C左右，10月13日红外检测平均温度甲排943 ℃，丁排857 ℃。孔板安装完毕后使用红外测温仪检测炉管温度780～800 ℃，有明显下降。红外检测平均温度下降约30 ℃。炉管温度下降将大大的提高炉管使用寿命，保证装置的安全平稳运行。

3.3 转化炉的甲烷转化率及氢气产率提高

安装孔板后每个燃料气火嘴通过量一致，炉膛温度分布均匀。炉温控制变得平稳。因此在转化温度、水碳比等条件不发生变化的情况下，炉管内的转化反应效率有所提高。

表1 安装孔板前后转化气各组分含量(φ)

续表1

安装孔板后2016 10 211 51638 61688 86054 91676 09042016 10 222 90627 83858 44064 420876 39392016 10 231 64689 5029 04654 536175 26862016 10 240 78259 148810 89313 945375 23032016 10 250 23399 711110 76284 112875 17942016 10 263 33648 34766 66573 482278 16812016 10 271 41259 37549 95234 034275 22562016 10 280 80768 872810 6963 26576 35862016 10 291 06029 650710 05263 926975 30962016 10 301 1667 40229 00993 695278 7267

从表1可以发现，10月21日起，转化气中甲烷含量逐渐开始下降。

图3 孔板安装前后转化气中CH4含量

图3为10月中、下旬转化气中甲烷含量趋势。10月20日安装完乙、丙、丁三排孔板后，在转化炉操作参数没有变化的情况下转化气甲烷含量逐步下降，由平均5.3%降至平均3.8%。

图4 孔板安装前后装置收率变化

转化炉的甲烷转化率提高后，相同加工量情况下有更多的甲烷被转化成氢气，PSA系统的单塔吸附时间大大增加，装置的产率也有了大幅度提高，由2.83增加到了2.9以上。

4 结 论

制氢工艺对转化炉燃料系统工作条件有着很严格的要求，转化炉炉管温度控制至关重要，任何一根炉管失效都将导致装置停工，因此必须保证燃料系统安全运行。甲醇装置改制氢装置后，燃料气主管线、控制阀门、分支管线不匹配改造的情况下，无法做到燃料气手阀全开，无法通过火嘴前背压来控制炉温，完全靠员工肉眼观察火焰大小来进行调节，给装置安全生产带来风险。在燃料气火嘴分支阀后增加限流孔板有效地解决了此问题。

安装限流孔板后转化炉的燃料气火嘴手阀全开，实现了通过调节阀手动控制，员工只需要对解吸气火嘴进行调节，大幅度降低了员工调火的操作强度。炉内火焰燃烧效果有了很大的改善，炉管温度分布均匀。炉管温度下降大大的提高了炉管使用寿命，保证了装置的安全平稳运行。安装孔板后每个燃料气火嘴通过量一致，炉膛温度分布均匀，炉温控制变得平稳。在转化温度、水碳比等条件不发生变化的情况下，炉管内的转化反应效率有所提高，转化炉的甲烷转化率及氢气产率提高，大大提高了经济效益。

[1] 崔海兵,刘长军，蒋晓东.制氢转化炉HP40炉管开裂失效分析[J].化工设备与管道，2004,40(4):51-52.

[2] 徐孝闯,李广财.浅析制氢转化炉炉管失效[J].广州化工，2013,41(4):161-162.

Optimization Measure for Fuel System’s Safe Operation When Methanol Device Converted into Hydrogen Production Device

JIANGWei,ZHANGGui-lin

(Petrochina Karamay Petrochemical Company, Xinjiang Karamay 834000, China)

When the methanol device was converted into hydrogen production device, the manual valve can’t be fully opened in the fuel system of Conversion furnace，it also can’t got through the pressure of fire mouth to control the furnace temperature, the flame size had different result in uneven temperature distribution inside the furnace, and greatly influenced the service life of furnace tube, brought risk of the device running safely and smoothly. Through increased the restriction orifice in the fuel gas burner branch, the combustion effect of the flame in the furnace got a lot of improvement, the temperature of furnace tube was well-distributed. Conversion reaction efficiency of the furnace tube had a great of improvement. The conversion of methane and hydrogen yield in the conversion furnace also had a great of improvement, greatly improved the economic performance.

temperature of conversion furnace tube；restriction orifice；methanol device converted into hydrogen production device

姜薇(1982-)，男，工程师，主要从事天然气蒸汽转化制氢生产工作。

TE64

A

1001-9677(2016)024-0112-03