甲醇制烯烴工藝外取熱器取熱異常情況分析

馬占亮 程敏(神華新疆化工有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

近年來，隨著甲醇制烯烴技術(shù)(以MTO簡稱)工業(yè)化應用越來越廣泛，MTO技術(shù)不斷地成熟、革新，而外取熱器作為MTO技術(shù)重要的換熱設備，其運行的正常與否直接關(guān)系到MTO工藝的正常進行。由于MTO工藝具有反應速度快、強放熱，再生器溫度高等特點，及時有效地將反應過程中產(chǎn)生的熱量以及再生器催化劑還原過程中產(chǎn)生的熱量移走，對MTO工藝起到了至關(guān)重要的作用[1]。本文從生產(chǎn)實際出發(fā)，闡述MTO技術(shù)中所應用到的外取熱器及其取熱情況。

1 MTO工藝外取熱器情況介紹

1.1 對外取熱器類型的介紹

外取熱器有多種分類方法，按催化劑的流動方式分為：上流式、下流式、氣控式(內(nèi)循環(huán)、外循環(huán))、返混式等多種形式。甲醇制烯烴工藝外取熱器主要采用下流式[2]。

1.2 MTO工藝外取熱器工作原理

外取熱技術(shù)更早應用于石油催化裂化工藝，由于MTO工藝的特點與石油催化裂化工藝較為相似，所以將外取熱技術(shù)應用于MTO工藝，從而能更好地解決該工藝反應所產(chǎn)生熱量的轉(zhuǎn)移以及更好地控制再生器溫度。本文著重介紹下流式外取熱器。

基本工作原理：高溫位的催化劑自反應器或再生器密相床引出，經(jīng)熱催化劑斜管進入外取熱器。在外取熱器下部送入流化介質(zhì)，外取熱器催化劑床層以湍動床形式流化。催化劑與外取熱器內(nèi)部分布的取熱翅片管進行熱量交換，其中，翅片管內(nèi)的中壓除氧水吸熱后以自循環(huán)熱虹吸的方式產(chǎn)生中壓汽水混合物返回汽包，從而將高溫位催化劑中的熱量帶出，起到控制反應器或再生器溫度的目的。取完熱量的冷催化劑經(jīng)單動滑閥，在提升介質(zhì)的作用下返回反應器或再生器，如圖1所示。

圖1 外取熱器工作原理圖

2 MTO工藝外取熱器取熱情況分析

2.1 異常情況

在MTO工藝中涉及外取熱器異常運行情況通常有如下幾種：(1)外取熱器取熱效果差或者不取熱，汽包產(chǎn)汽量較少；(2)外取熱器單動滑閥開度對取熱量影響不大；(3)外取熱內(nèi)部存在“死區(qū)”，測溫點溫度周期性高低波動；(4)開工過程中外取熱器取熱效果差。

2.2 原因分析

2.2.1 介質(zhì)異常、取熱管取熱能力下降或泄漏

對于外取熱器取熱效果差或者不取熱，導致汽包產(chǎn)汽量較少的情況，首先，檢查外取熱器流化介質(zhì)、提升介質(zhì)是否正常，可以嘗試改變流化、提升介質(zhì)的量，觀察外取熱器各測溫點溫度是否變化，外取熱器藏量是否變化。如果經(jīng)過調(diào)整外取熱器流化、提升介質(zhì)的量，能夠引起各測溫點溫度、藏量的變化，則可以確定外取熱器床層流化正常。其次，要根據(jù)外取熱器運行時間的長短，判斷是否存在取熱管取熱能力下降或者是否存在取熱管泄漏的情況。再者，根據(jù)外取熱器長周期運行情況下，觀察所對應汽包的產(chǎn)汽能力是否存在異常，進而判斷外取熱器是否因為取熱管的原因?qū)е氯嵝Ч罨蛘卟蝗帷?/p>

2.2.2 外取熱器單動滑閥開度的影響

在MTO工藝運行過程中，通常會存在改變外取熱器單動滑閥開度對取熱量影響不大，或者小范圍的改變單動滑閥行程，不能夠有效地控制反應、再生溫度。對于這種情況，要密切注意單動滑閥前后差壓值變化。通常而言，在對單動滑閥開度進行調(diào)整時，滑閥前后差壓值都會發(fā)生變化，進而會引起外取熱器藏量的變化，從而起到控制溫度的效果。但是，當調(diào)整單動滑閥時，若發(fā)現(xiàn)前后差壓值基本變化不大時，要及時調(diào)整流化、提升介質(zhì)的量，避免單動滑閥處或者外取熱器內(nèi)部存在“死區(qū)”(不流化區(qū)域)，外取熱器床層流化異常。

2.2.3 外取熱器內(nèi)部床層存在“死區(qū)”

在MTO工藝操作中，單臺外取熱器的器壁從上到下有2個或3個熱電偶，分別檢測外取熱器頂部、中部及底部的溫度。外取熱器在實際運行的過程中會出現(xiàn)明顯驟冷、驟熱的現(xiàn)象，即測溫點處特別是底部測溫點處會出現(xiàn)周期性的溫度高低變化，就反應器外取熱器而言，其底部測溫點處溫度會從350℃左右逐漸降低降至180℃，甚至會降低到更低的溫度。此種情況即在外取熱器內(nèi)部，特別是底部出現(xiàn)了床層“死區(qū)”，在底部溫度到達最低溫度后，又會突然快速升至350℃左右。若經(jīng)常在此環(huán)境下運行，很有可能造成爐管破裂，不利于外取熱器的長周期運行[3]。

究其原因而言，造成外取熱器底部床位出現(xiàn)“死區(qū)”的主要原因是流化環(huán)安裝位置及流化環(huán)上的開孔方向不夠合理。首先，流化環(huán)安裝位置不夠合理，流化環(huán)位置安裝過高，導致外取熱器底部沉積的催化劑停留時間過久，進而會在底部形成“堆積”狀態(tài)，產(chǎn)生了“死區(qū)”。流化環(huán)位置安裝過低，會影響外取熱器流化狀態(tài)，影響其取熱能力。其次，流化環(huán)上的開孔方向?qū)Α八绤^(qū)”的產(chǎn)生起到了主要作用。在MTO工藝中，大部分外取熱器內(nèi)部流化環(huán)上的開工方向都為垂直向上的，這樣的設計可以使得流化環(huán)以上的催化劑湍動程度增加，產(chǎn)生較好的傳熱效果，但是也會導致流化環(huán)以下催化劑慢慢沉積下來，湍動程度減弱，形成“死區(qū)”。

從設備長周期運行角度考慮，由于外取熱器內(nèi)部溫度存在周期性高低波動，會使得取熱管處于“急冷急熱”的運行狀態(tài)，此種運行情況會對取熱管管束產(chǎn)生熱疲勞致裂穿孔、焊口拉裂或拉斷以及取熱器管束磨損等問題[4]。為此，必須解決外取熱器內(nèi)部床層存在的“死區(qū)”，以消除測溫點溫度周期性高低波動。

此外，在一些實際運行的外取熱器中還存在上部測溫點低于下部測溫點的現(xiàn)象，究其原因主要有以下兩點：

第一，外取熱器測溫點存在偏差。對于下流式外取熱器，理論上而言正常運行時，外取熱器各測溫點溫度應該是從上到下依次降低，但在實際生產(chǎn)中，會存在下部溫度高于上部溫度的現(xiàn)象。一方面，與測溫點安裝位置有關(guān)，對于較大的設備而言，測溫點安裝位置的不合理會導致測量結(jié)果的誤差。另一方面，測溫點熱偶安裝深度不夠，而對于大部分外取熱器而言，內(nèi)部空間大體可以分為三個部分，上部的氣相空間，中部的氣固相空間以及下部的固相空間。由于催化劑對熱電偶磨損較大，熱電偶在安裝過程中，進入外取熱器內(nèi)部的部分較少，使得在測量過程中，上部熱電偶測得的溫度更接近與上部氣相空間的溫度，而下部熱電偶測得的溫度為下部固相的溫度，而固相的導熱性高于氣相的導熱性，所以產(chǎn)生了外取熱器中上部測溫點低于下部測溫點的現(xiàn)象。

第二，流化介質(zhì)流化環(huán)安裝位置不當或者流化介質(zhì)流量偏大。流化環(huán)安裝位置安裝的過高或者過低都不利于熱電偶的測量，同時還會引起外取熱器流化異常。此外，由于流化環(huán)上部的流化孔開孔方向均為向上，在外取熱器投入運行的過程中，調(diào)整流化介質(zhì)的量，都會對上部測溫點測量的溫度值有一定的影響。而在MTO工藝中，外取熱器流化介質(zhì)一般為低壓蒸汽或者是0.8MPa(G)氮氣，而此流化介質(zhì)自身溫度較低，如果流化介質(zhì)流量偏大則對測溫點熱偶所測溫度影響較大。

2.2.4 開工過程中外取熱器取熱效果差

在MTO工藝開工過程中會存在外取熱器取熱效果差或者不取熱問題，原因有多方面：(1)在開工過程中由于開工初期反應器及再生器溫度相比較正常運行時候較低，因此外取熱器單動滑閥開度較小，流化介質(zhì)、提升介質(zhì)流量較低，無形之中導致外取熱器內(nèi)部床層流化不正常，內(nèi)部存在較大的“死區(qū)”，主要表現(xiàn)為單動滑閥前后差壓較大，外取熱器各測溫點之間溫度梯度較小，外取熱器內(nèi)催化劑藏量波動較大。(2)對MTO工藝而言，開工初期甲醇處理量較低，導致反應熱較少；由于進入再生器的催化劑含碳量較低，在催化劑還原過程中燒焦量較小，產(chǎn)生的熱量也隨之減少。因此，外取熱器取熱負荷低，使得單動滑閥開度較小，外取熱器流化處于不正常狀態(tài)。

基于以上兩點原因，為了更好地解決開工過程中外取熱器取熱效果不好的情況，可以通過以下方式進行處理。首先，在開工初期未引入甲醇量時，間歇性打開或者開大單動滑閥及流化、提升介質(zhì)流量使得外取熱器內(nèi)部床層處于半流化狀態(tài)，最大限度減少“死區(qū)”的范圍。其次，在引入甲醇量后，根據(jù)反應器溫度的變化，及時調(diào)整外取熱器滑閥開度，同時調(diào)整流化、提升介質(zhì)流量，在此調(diào)整階段，如果外取熱器存在持續(xù)取熱效果差或者不取熱的情況，那么單動滑閥開度、流化介質(zhì)流量、提升介質(zhì)流量根據(jù)實際情況可以大范圍進行調(diào)整，使得外取熱器內(nèi)部溫度較低的催化劑盡快帶出，而溫度較高的催化劑有利于流化，從而能夠減少開工初期外取熱器因流化異常而導致的取熱效果差的問題。

3 結(jié)語

通過進一步認識甲醇制烯烴工藝常見的下流式外取熱器，總結(jié)其在實際生產(chǎn)中較為典型的異常取熱情況有：外取熱器取熱效果差或者不取熱，導致汽包產(chǎn)汽量較少；外取熱器單動滑閥開度對取熱量影響不大；外取熱器內(nèi)部存在“死區(qū)”，測溫點溫度周期性高低波動；開工過程中外取熱器取熱效果差。結(jié)合實際情況逐一進行了原因分析，介紹了從根本上解決外取熱器異常取熱的辦法。以期起到指導生產(chǎn)，優(yōu)化甲醇制烯烴工藝外取熱器長周期運行的目的。