合成氨一段爐投料優(yōu)化

朱致欣

（四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，四川成都 610065）

合成氨一段爐投料優(yōu)化

朱致欣

（四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，四川成都 610065）

對(duì)投料過(guò)程的影響因素和操作中存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，提出一段爐投料優(yōu)化的方法，以達(dá)到較好的經(jīng)濟(jì)效益。

一段爐；投料；優(yōu)化

天華公司合成氨裝置一段爐采用的是布朗工藝的側(cè)燒爐，是合成氨裝置的關(guān)鍵設(shè)備之一。一段爐的投料是開車過(guò)程中的一個(gè)重要操作，其操作因?yàn)榭勺儏?shù)多而變得復(fù)雜繁瑣，實(shí)際生產(chǎn)中其操作過(guò)程常常存在一些問(wèn)題，甚至出現(xiàn)過(guò)多次超溫事故?，F(xiàn)就一段爐投料過(guò)程進(jìn)行分析探討，尋找一個(gè)較為優(yōu)化的投料方法。

1 一段爐流程簡(jiǎn)介

經(jīng)過(guò)V5脫硫后的天然氣與由FC-101控制的中壓蒸汽混合，使水碳比FFY-101控制在2.7?；旌蠚庠诟邷刈兓癄tR-2出口氣換熱器E-10中換熱，被加熱到415℃后，在一段爐對(duì)流段的混合原料氣盤管中進(jìn)一步加熱至545℃后，壓力PI-6為3.31MPa，經(jīng)上集氣管和上豬尾管分配進(jìn)入豎琴排列的一段爐催化劑列管。一段轉(zhuǎn)化氣經(jīng)下集氣管出來(lái)的溫度TI-111為695℃，其床層壓差PDI-492為250kPa，殘余甲烷AI-105為29.36%（干基）。一段轉(zhuǎn)化氣經(jīng)輸氣總管送入二段爐R-1頂部。燃料氣由PC-170控制送到燃燒器燃燒。

2 一段爐轉(zhuǎn)化基本原理

工藝蒸汽和天然氣在鎳催化劑作用下發(fā)生反應(yīng)，生成氫氣和碳氧化合物。

主反應(yīng)如下：

甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)（1）是強(qiáng)吸熱體積增大過(guò)程，變換反應(yīng)（2）是中等放熱反應(yīng)，總過(guò)程變現(xiàn)為強(qiáng)吸熱體積增大過(guò)程，其熱量是由轉(zhuǎn)化管外天然氣和廢氣燃燒提供的。

對(duì)于新催化劑或者鈍化了的催化劑，投料過(guò)程存在以下還原反應(yīng)：

（3）是強(qiáng)吸熱反應(yīng)，（4）、（5）反應(yīng)熱效應(yīng)都很小，不會(huì)引起較大的溫度變化?？偟膩?lái)說(shuō)，不管是已經(jīng)還原的催化劑還是新催化劑，開車投料過(guò)程都是強(qiáng)吸熱過(guò)程，需要外面提供熱量來(lái)維持反應(yīng)進(jìn)行。

3 投料過(guò)程的影響因素和操作中存在的問(wèn)題

3.1 投料過(guò)程的影響因素

投料過(guò)程的變量因素較多，包括投料溫度、升溫速率、工藝蒸汽流量、投料量及投料速度、燃料量及加燃料速率、系統(tǒng)壓力、燒嘴數(shù)量及燃燒狀況等，這些因素的變化都對(duì)投料過(guò)程的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。若這些因素都處于動(dòng)態(tài)調(diào)整無(wú)序變化中，則整個(gè)投料過(guò)程必然混亂不受控。

3.2 投料過(guò)程存在的問(wèn)題

到目前為止，實(shí)際投料操作方法是原料氣先在V5出口有30%負(fù)荷放空，然后開V5出口閥，逐漸關(guān)閉放空閥進(jìn)行投料，并根據(jù)一段爐溫度變化情況調(diào)整燃料等相關(guān)參數(shù)。這種操作方法最大的問(wèn)題是操作人員不知道投料量是多少，由于一段爐溫度響應(yīng)滯后，相關(guān)操作存在盲目性，常常是越操作越亂，導(dǎo)致系統(tǒng)大幅波動(dòng)，甚至出現(xiàn)超溫事故。操作中主要存在以下問(wèn)題：

（1）催化劑升溫未穩(wěn)定就急著投料，使一段爐投料量、反應(yīng)情況、加燃料量不好分析把握，溫度自然難以穩(wěn)定控制。

（2）投料溫度過(guò)高，使溫度控制范圍較窄，易出現(xiàn)超溫事故。

（3）投料速度和加燃料速度把握不當(dāng)，常常投料過(guò)快，有時(shí)甚至開V5出口閥的同時(shí)主控又在關(guān)HV122放空閥，使得在幾分鐘內(nèi)必須大幅快速加燃料，因?yàn)橐欢螤t溫度響應(yīng)要滯后2min左右，操作只有憑經(jīng)驗(yàn)和感覺(jué)，具有盲目性，導(dǎo)致一段爐溫度難以控制穩(wěn)定，常常不高就低，大幅波動(dòng)。

（4）邊投料邊提后系統(tǒng)壓力，導(dǎo)致進(jìn)入一段爐反應(yīng)氣量減少，有的甚至還在加燃料、增點(diǎn)燒嘴，使一段爐溫度快速升高，造成超溫。

（5）用改變工藝蒸汽流量來(lái)調(diào)溫度，往往越調(diào)越亂。而且水碳比過(guò)低，催化劑有析碳的危險(xiǎn)，過(guò)高又會(huì)導(dǎo)致催化劑氧化。

外輸天然氣氣源為油田生產(chǎn)伴生氣，經(jīng)計(jì)轉(zhuǎn)站、集氣站脫硫脫水后，由輸氣首站增壓再經(jīng)外輸管線輸送至下游用戶。管線材質(zhì)為20#鋼，規(guī)格為Ф219 mm×6.4 mm，全長(zhǎng)60 km，設(shè)計(jì)壓力為4.0 MPa，設(shè)計(jì)天然氣輸送量為45×104 m3/d，高程差80 m，管道埋深≥1.3 m。管線自2003年投入使用，自投用后曾進(jìn)行過(guò)兩次清管作業(yè)，但均發(fā)生清管器卡堵現(xiàn)象。

4 一段爐投料優(yōu)化方法

4.1 操作優(yōu)化

4.1.1 嚴(yán)格控制投料條件

①打開HV101約50%開度，這種蒸汽置換將可防止工藝氣與空氣接觸發(fā)生燃燒或者爆炸等。

②天然氣在V5出口放空，TI456≧250℃，分析V5出口總硫≤0.2×10-6，防止投料后催化劑中毒。

③蒸汽升溫結(jié)束，一段爐出口溫度（TI-111）約650℃，F(xiàn)C101在30t/h左右，PC117在1～1.2MPa，TC259在280～300℃，并且各參數(shù)相對(duì)穩(wěn)定。

④爐膛負(fù)壓PC167控制在約-50Pa，燃料壓力PC170在50kPa，F(xiàn)I-175約1 500m3（標(biāo)）/h。

4.1.2 統(tǒng)一規(guī)范指揮

投料操作的好壞關(guān)鍵在各項(xiàng)工作的協(xié)調(diào)有序進(jìn)行，整個(gè)過(guò)程應(yīng)由當(dāng)班班長(zhǎng)按要求統(tǒng)一規(guī)范的指揮，車間領(lǐng)導(dǎo)和技術(shù)員嚴(yán)格把關(guān)。嚴(yán)禁多頭指揮和現(xiàn)場(chǎng)、主控想當(dāng)然操作，每步操作必須按規(guī)定進(jìn)行，并密切聯(lián)系。

4.1.3 嚴(yán)格控制投料步驟，把握好操作要領(lǐng)

第一步 緩慢開原料氣壓縮機(jī)防喘振調(diào)節(jié)閥，降低壓縮機(jī)出口壓力，逐漸關(guān)小V5出口放空閥HV122，控制V5出口壓力PI3大于一段爐進(jìn)口壓力PI6約0.1MPa，使初次投料量較少，控制FC100流量約10%的負(fù)荷量。

第二步 通知現(xiàn)場(chǎng)緩慢打開V5出口閥，現(xiàn)場(chǎng)注意閥后止逆閥聲響，主控注意H1壓差變化，若壓差增加說(shuō)明原料氣已經(jīng)投入一段爐。主控按照投1%負(fù)荷加100m3（標(biāo)）/h燃料量的比例來(lái)控制溫度，以保持H1溫度穩(wěn)定或者略有上升。

第三步 當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)V5出口閥開完后，主控用HV122來(lái)控制負(fù)荷，逐步均勻地關(guān)閉HV122，注意原料氣壓縮機(jī)防喘振閥及工況調(diào)整，等HV122關(guān)完后系統(tǒng)負(fù)荷約10%，需要逐步按相應(yīng)比例增加燃料約1 000m3（標(biāo)）/h，以便H1的溫度穩(wěn)定控制。

第四步 HV122關(guān)完后，投料負(fù)荷由FC100控制，投料就變成了一個(gè)正常加負(fù)荷的過(guò)程，逐漸增加FC100的量，并按比例增加燃料，現(xiàn)場(chǎng)均勻增點(diǎn)燒嘴，并調(diào)整好火焰，逐步將H1溫度提至680℃左右。

第五步 系統(tǒng)穩(wěn)定后，調(diào)整好原料氣壓縮機(jī)工況，及時(shí)從V8投返氫，分析V5出口氫氣含量，控制在1.4%～3%，保證V5對(duì)有機(jī)硫的充分脫出。當(dāng)H1投料后，及時(shí)通知分析儀表人員投用AI105、AI108、AI100B等分析儀表。

第六步 逐步將系統(tǒng)負(fù)荷加至40%～50%，逐步提高PC117壓力至1.8MPa，盡量提高高變爐入口溫度（<360℃），控制高壓蒸汽溫度在510～520℃，壓力≥10MPa，盡量將多余的高壓蒸汽減至中壓蒸汽管網(wǎng)，視情況增開一臺(tái)爐水循環(huán)泵。調(diào)整各參數(shù)穩(wěn)定后，投料結(jié)束。

4.2 投料工藝優(yōu)化

一段爐投料控制的難點(diǎn)主要是初期投料量沒(méi)有計(jì)量，加燃料量也只有憑經(jīng)驗(yàn)操作。若在V5出口增加一個(gè)原料氣流量計(jì)，將使投料控制變得容易得多，投料過(guò)程就成了一個(gè)按比例加負(fù)荷、加燃料過(guò)程，操作起來(lái)就會(huì)更穩(wěn)定。

總之，整個(gè)投料過(guò)程影響因素較多，操作比較復(fù)雜，若盲目操作就會(huì)引起系統(tǒng)大幅波動(dòng)，甚至出現(xiàn)超指標(biāo)事故。按照優(yōu)化投料方法投料，既可減少投料難度，避免大幅波動(dòng)和出現(xiàn)超溫等事故，還能節(jié)省開車時(shí)間，降低生產(chǎn)成本，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

Ammonia Reformer Feed Optimization

Zhu Zhi-xin

The feeding process factors and operation of the existing problems is analyzed，and reformer feed optimization methods to achieve better economic benefits.

reformer；feed；optimization

TQ052.6

B

1003–6490（2016）04–0003–02

2016–04–20

朱致欣（1975—），男，重慶人，化工工程師，主要研究方向?yàn)楹铣砂?、空分生產(chǎn)技術(shù)。