对甲醇转化炉夹套冷却系统改造的研究

张川川

一、前言

河北峰煤焦化公司甲醇一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，主要生产装置包括：气柜、焦炉气压缩、精脱硫、转化、合成气压缩、甲醇合成、甲醇精馏、甲醇罐区、装卸站、空分。车间生产的甲醇产品质量指标达到GB338-2004优等品，外观为无色透明液体，无特殊异臭气味。

在整个甲醇装置中，转化炉属于核心设备之一。该转化炉为化二院设计，其内径2.2米，高18.6米，筒体外设有水夹套；该转化炉筒体材质为16MnR，夹套简体材质Q235-C；炉内设计压力2.53Mpa，工作压力2.3Mpa；炉内操作温度985～1600℃；属三类压力容器。转化炉内装转化催化剂：20.9 m3；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，其操作温度最高，对设备要求也是最高的。

转化炉内反应过程：

由上述反应可以看出，转化炉内释放出大量的反应热，造成炉内温度很高，转化炉内的耐高温浇注料将起到保护炉壁钢板的作用，而外部水夹套作为冷却外侧炉壁的装置，也对降低炉壁温度，保护炉壁安全起到至关重要的作用。但在实际使用过程中，转化炉外部夹套由于自身缺陷也出现过各种问题，影响了转化炉的安全运行。

二、重点要解决的问题

转化炉夹套作为炉壁保护套，覆盖了整个转化炉外壁，其中夹套冷却水使用循环水低进高出的方式对炉壁进行循环冷却。由于受设备结构制约，夹套平均宽度在12公分，而且存在多处死角。造成转化炉夹套在使用过程中出现诸多问题。主要表现在：

（1）转化炉夹套冷却水设计使用循环水冷却，上回水分别接在循环水总管上，水压受循环水大系统影响较大，一旦其他系统用水量大时将会造成夹套循环水压力降低，夹套用水量减少，热量无法带走，从而影响转化炉炉壁温度。

（2）使用循环水冷却受气温影响较大，夏季循环水上水温度达35℃甚至更高，致使转化炉夹套冷却效果受到很大影响，也会影响到转化炉炉壁温度。

（3）由于夹套设计存在多处死角，而循环水水质较差，水中含有大量的淤泥，受夹套空间小的影响，循环水在夹套内流速慢，造成大量淤泥沉积在夹套死角中，淤泥经过炉内高温烘烤，会直接结成硬垢附着在炉壁上，造成夹套空间变小，对夹套和炉壁造成不可逆转的危害。

（4）受到以上因素影响，在生产过程中转化炉夹套多次出现局部超温，循环水量最高时可达35m3/h以上，而低的时候只有30m3/h左右。

受到转化炉夹套本身存在问题影响，每次车间计划性检修，都会选择几个高温部位，使用气焊在夹套外壁开孔，查看夹套内部情况，每次都能发现夹套内部有很多污泥聚集，还有大量硬垢粘在炉壁，由于受夹套结构限制，只能通过人工掏以及化学清洗的方式进行局部处理，但总体处理效果都较差，无法从根本上解决问题。可以说，随着生产的深入进行，转化炉夹套的使用状况也一直在恶化，必须考虑对其进行改造彻底解决以上存在问题，才能使转化炉夹套系统的安全等级得到根本提高。

三、技术改造方案

结合近几年转化炉夹套使用过程中存在问题，车间经多方考察研究，认真研究转化炉夹套结构，结合目前最先进的设计技术，以及各兄弟单位的技术经验，提出了对转化炉夹套冷却水改造的方案，从而彻底解决转化炉夹套存在的各类安全隐患。

（1）工艺设计说明：

在现有转化炉夹套水入口管上增加阀门，切断循环水上水。自脱盐水冷却器入口管路上，接出脱盐水，设置流量调节，控制进入转化炉夹套脱盐水量。转化炉夹套水出口管线上增加阀门，切断循环水回水，加热后的脱盐水进入新增的脱盐水调节罐暂存，由新增的脱盐水泵加压后，返回脱盐水冷却器入口。本改造将转化炉改用脱盐水换热后，回收的热量得到利用不浪费，非常符合当下节能减排要求。

（2）装置布置及配管

（一）应用的主要标准规范

《化工装置工艺系统工程设计规定》（HG20557-20559）

《化工装置设备布置设计规定》（HG20546）

《化工装置管道材料设计规定》（HG/T20646）

《石油化工企业设计防火规范》（GB50160）

《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》（GB50058）

《化工装置管道机械设计规定》（HG/T20645）

《工业金属管道设计规范》GB50316

《化工配管用无缝钢管及焊接钢管尺寸选用系列》（HG20553）

《输送流体用无缝钢管》（GB/T8163）

《石油裂化用无缝钢管》（GB9948）

《化工装置管道布置设计规定》（HG/T20549）

《建筑设计防火规范》（GB50016）

《泵站设计规范》（GB/T50265）

《化工建设项目环境保护设计规定》（HG/T20667）

《化工工艺设计施工图内容和深度统一规定》（HG20519）

《石油化工储运系统罐区设计规范》（SH3007）

《低压流体输送用焊接钢管》（GB/T3091）

《压力管道规范工业管道》（GB/T20801）

《化工企业安全卫生设计规定》（HG20571）

《工业企业设计卫生标准》（GBZ1-2010）

（二）装置布置要求

（1）裝置布置应满足防火、防爆等有关标准、规范的要求。

（2）装置布置满足工艺流程、安全生产和环保的要求，并满足工厂总体布置；操作、维修、施工的需要；结合实际现场实际情况，力求经济合理、节省用地。

（3）设备按工艺流程顺序和同类设备适当集中相结合的原则进行布置。

（4）脱油罐等考虑设备安装所需的空间，尽量靠近检修道路一侧布置。装置布置还应考虑设备检修和固体物料装卸所需的空间。

（6）大型装置内设贯通式的消防及检修通道。保证消防作业的可抵达性和可操作性。

（三）改造示意图

四、效果分析

改造以后，转化炉夹套水全部使用脱盐水进行换热，脱盐水水质好，温度低，彻底解决了循环水冷却存在的问题，转化炉夹套温度进一步降低，夹套结垢问题也得到彻底解决，转化炉夹套的使用安全等级得到大幅度提升，间接对转化炉的保护发挥更好的作用。另外，本改造只是利用脱盐水的冷量，没有增加脱盐水消耗，不会对后续装置造成影响，是一个明显提升安全和经济效益的改造项目，值得同行业的大力推广。