縮短轉化系統(tǒng)氮氣循環(huán)升溫時間的探討

程 江

（海洋石油富島有限公司，海南 東方 572600）

0 引 言

海洋石油富島有限公司化肥一期合成氨裝置采用ICI-AMV工藝，以天然氣為原料氣，設計合成氨產(chǎn)能為1000t/d；其轉化系統(tǒng)主要包括預轉化爐、一段轉化爐（一段爐）、二段轉化爐（二段爐）等設備。一期合成氨裝置自1996年10月投產(chǎn)以來，總體運行穩(wěn)定、能耗低。

一期合成氨裝置自原始開車以來，在轉化系統(tǒng)冷態(tài)開車氮氣循環(huán)升溫的過程中，需將預轉化爐、一段爐、二段爐、高溫變換爐之催化劑床層從常溫預熱到一定的溫度，以便下一步導入蒸汽（預轉化爐除外）進行升溫時不會產(chǎn)生冷凝水。實際生產(chǎn)中，轉化系統(tǒng)冷態(tài)升溫時間長，延長了合成氨裝置停車后重啟恢復生產(chǎn)的時間，且存在冷態(tài)升溫過程天然氣和精制水消耗大等問題。

1 轉化系統(tǒng)氮氣循環(huán)升溫流程簡介

轉化系統(tǒng)氮氣循環(huán)升溫動力源為外置氮氣壓縮機，預轉化爐、一段爐、二段爐及變換系統(tǒng)高溫變換爐升溫，稱之為大氮循環(huán)升溫（此為氣頭合成氨企業(yè)的通俗稱謂）；而低溫變換爐升溫單獨進行，在一段爐蒸汽升溫和化工投料前完成，稱之為小氮循環(huán)升溫。由于在串低溫變換爐時轉化系統(tǒng)已經(jīng)升溫至開車串入溫度，不影響開車進度，故轉化系統(tǒng)的冷態(tài)升溫時間只考慮大氮循環(huán)升溫時間。大氮循環(huán)升溫所需熱量由一段爐燒嘴提供，小氮循環(huán)升溫所需熱量則由中壓蒸汽換熱器（04-E101）提供。

轉化系統(tǒng)氮氣循環(huán)升溫流程如圖1（圖中：MPSTEAM—中壓蒸汽；NGLINE—混合原料氣；WCS—循環(huán)冷卻水上水；WCR—循環(huán)冷卻水回水；START-UPH2——還原用氫氣）。離開氮氣壓縮機（04-K101）的氮氣，從工藝天然氣和蒸汽的混配站進入轉化系統(tǒng)，經(jīng)混合氣盤管（03-B002E01A）進入預轉化爐（03A-R001），然后進入混合氣盤管（03-B002E01B），再進入一段爐（03-B001）；一段爐為側燒爐，由燒嘴燃燒外熱法加熱轉化管，從而對流通的氮氣進行加熱，設置有進口溫度（TR03012）和出口溫度（TC03020）作為控制參數(shù)。離開一段爐的氮氣依次經(jīng)過二段爐 （03-R001）、第一廢鍋 （03-E001）、高壓蒸汽預熱器（03-E002）、高壓蒸汽第一預熱器 （03A-E003）、高溫變換爐 （04-R001）、第二廢鍋（04-E001）、鍋爐給水預熱器（04-E002）、低溫變換爐入口分離器（04-F001）后回到氮氣壓縮機（04-K101）入口。第一廢鍋（03-E001）和高壓蒸汽預熱器（03-E002）分別設置手操器旁路閥（HV03004）和工藝氣出口溫度控制閥 （TV03023），高壓蒸汽第一預熱器（03A-E003）設置的旁路由現(xiàn)場手動閥控制。氮氣壓縮機（04-K101）設置氮氣循環(huán)壓差旁路控制閥 （PDC04012），目的是保證氮氣壓縮機（04-K101）的自循環(huán)和控制氮氣循環(huán)壓力。轉化系統(tǒng)正常運行時，工藝天然氣也是從混合氣盤管 （03-B002E01A） 進入預轉化爐 （03AR001），與氮氣循環(huán)升溫流程一致，一直到低溫變換爐入口分離器（04-F001），然后進入低溫變換爐（04-R002），再進入脫碳系統(tǒng)。

圖1 轉化系統(tǒng)氮氣循環(huán)升溫流程簡圖

2 氮氣循環(huán)升溫工藝指標及設備性能參數(shù)

（1）氮氣循環(huán)升溫過程中的主要工藝指標：氮氣循環(huán)升溫從常溫開始，升溫速率＜30℃/h［以一段爐出口溫度（TC03020）為準］；結束時，一段爐出口溫度（TC03020）400～450℃，高溫變換爐催化劑床層溫度≥200℃。

（2）氮氣壓縮機（04-K101）性能參數(shù)：氮氣壓縮機為羅茨風機，由電機驅動，驅動電機轉速為735r/min，設計流量16500m3/h，進口溫度50℃、出口溫度70℃，進口壓力0.5MPa、出口壓力0.6MPa。

3 問題分析

本合成氨裝置開車過程中，氮氣循環(huán)升溫耗時較長，冷態(tài)升溫耗時約25～28h，占整個系統(tǒng)開車時長比例大，而每次升溫主要存在的問題是高溫變換催化劑床層升溫慢。經(jīng)觀察，一段爐出口溫度達工藝指標后，還需4～6h繼續(xù)進行高溫變換催化劑床層的升溫。因此，高溫變換催化劑升溫成為每次冷態(tài)開車氮氣循環(huán)升溫階段最關鍵的控制步驟。

氮氣循環(huán)升溫過程無任何化學反應，升溫的熱量由一段爐燒嘴燃料氣的燃燒提供。高溫變換催化劑裝填量為43m3，而目前氮氣壓縮機（04-K101）由于服役時間較長，設備性能下降，打氣量已不能達到設計值，而高溫變換催化劑遠離熱源，要提高升溫速率，在保持相對偏小的空速下，需考慮把更多的熱量通過氮氣帶至高溫變換催化劑床層才行。從工藝流程（如圖1）來看，高溫循環(huán)氮氣要分別經(jīng)過第一廢鍋（03-E001）、高壓蒸汽預熱器（03-E002）、高壓蒸汽第一預熱器（03A-E003）；其中，第一廢鍋（03-E001）中的爐水吸收熱量產(chǎn)生飽和蒸汽，高壓蒸汽預熱器（03-E002）、高壓蒸汽第一預熱器 （03AE003）中的飽和蒸汽吸收熱量變?yōu)檫^熱蒸汽，如何減少這3臺換熱器中的介質，以減少蒸汽側吸收循環(huán)氮氣的熱量，是調控高溫變換催化劑床層升溫速率的關鍵。

最近一次氮氣循環(huán)升溫操作過程中，2020年10月13日17：17氮氣循環(huán)升溫結束時，主控流程顯示第一廢鍋出口工藝氣溫度（TI03023）為247.8℃、高壓蒸汽第一預熱器出口工藝氣溫度（TI03310）為218.6℃、高溫變換爐入口工藝氣溫度（TI04001）為220.3℃?？梢钥闯?，欲讓高溫變換爐催化劑床層溫度＞200℃，即需要在氮氣循環(huán)升溫時保證高溫變換爐入口工藝氣溫度（TI04001）＞220℃、第一廢鍋出口工藝氣溫度（TI03023）＞250℃。

4 優(yōu)化改進措施

針對轉化系統(tǒng)冷態(tài)開車氮氣循環(huán)升溫耗時長的問題，在符合操作規(guī)程的前提下，探索最優(yōu)的操作方法，以期節(jié)約轉化系統(tǒng)氮氣循環(huán)升溫時間4h。梳理與總結過去多次大氮循環(huán)升溫不同的操作方法，可采取以下優(yōu)化改進措施。

4.1 氮氣循環(huán)量控制

氮氣循環(huán)升溫時，控制氮氣循環(huán)量＞16000 m3/h，即氮氣壓縮機（04-K101）設置的氮氣循環(huán)壓差旁路控制閥 （PDC04012）投自動時，PDC04012開度不可過大，開度過大時進入轉化系統(tǒng)的氮氣量減少，載熱量少，不利于系統(tǒng)升溫；但開度也不宜過小，因為氮氣壓縮機出口安全閥設定壓力為0.8MPa，PDC04012開度過小或全關容易觸發(fā)安全閥啟跳。同時，控制氮氣循環(huán)入口壓力在0.48～0.50MPa為宜，PDC04012投自動給定為0.10MPa。以往曾經(jīng)控制氮氣循環(huán)入口壓力在0.55～0.60MPa、PDC04012投自動給定在0.12～0.13MPa，氮氣壓縮機出口安全閥易啟跳，對氮氣循環(huán)升溫造成很大影響。

4.2 減少03-E001蒸汽側吸熱量

通過操作總結，氮氣循環(huán)升溫過程中全開手操器旁路閥（HV03004）和工藝氣出口溫度控制閥（TV03023），可減少第一廢鍋（03-E001）爐水吸熱量，這樣一來更多的熱量可以由氮氣載入高溫變換爐催化劑床層，當?shù)谝粡U鍋出口工藝氣溫度（TI03023）達到380℃、高溫變換爐催化劑床層溫度＞370℃時，工藝氣出口溫度控制閥（TV03023）視溫度情況逐漸小幅度多次回關，此時已經(jīng)轉為蒸汽升溫階段。氮氣循環(huán)升溫結束時一段爐煙氣溫度在515℃左右，一段爐煙氣溫度高，為保護一段爐對流段各組盤管，需要通過回關手操器旁路閥（HV03004）讓汽包產(chǎn)生蒸汽流通經(jīng)過8英寸放空管。以往一段爐氮氣循環(huán)升溫都是過早回關手操器旁路閥（HV03004）和工藝氣出口溫度控制閥（TV03023）為高壓汽包提溫提壓，此舉易導致轉化系統(tǒng)氮氣循環(huán)升溫耗時長且實際意義不大。工藝操作優(yōu)化后，手操器旁路閥（HV03004）的回關條件是：高壓汽包壓力＞0.2MPa，蒸汽已導至8英寸主放空管。

4.3 減少03-E002與03A-E003蒸汽側吸熱量

升溫過程中，當高壓汽包壓力達到0.2 MPa、蒸汽已導至8英寸主放空管放空時，才回關手操器旁路閥（HV03004）和工藝氣出口溫度控制閥（TV03023）為高壓汽包提溫提壓，不宜過早提高高壓汽包壓力，因為過早提壓，飽和蒸汽通過高壓蒸汽第一預熱器（03A-E003）、高壓蒸汽預熱器（03-E002）蒸汽側吸熱，會使進入高溫變換爐的氮氣載熱損失大。當高壓汽包壓力＞0.15MPa時，才開高壓汽包至一段爐高壓管線暖管導淋排液，這是因為提前暖管亦會帶來氮氣載熱損失。以往的操作中，蒸汽升溫中后期才將蒸汽導至8英寸主放空管放空。

4.4 蒸汽系統(tǒng)的調整

在建立中低壓蒸汽管網(wǎng)后，往脫氧槽盡可能多地加入低壓蒸汽，以提高鍋爐給水上水溫度，減少第一廢鍋（03-E001）爐水吸熱量。高壓汽包間斷使用小旁路閥上水，關閉高壓汽包導淋，這是因為導淋排放的是熱的爐水，用溫度較低的鍋爐給水上水補充會降低高壓汽包內爐水的溫度，導致第一廢鍋（03-E001）吸收的氮氣載熱量增多。以往在氮氣循環(huán)升溫初期就打開高壓汽包導淋，這樣做完全沒有必要。

4.5 一段爐的操作控制

一段爐燒嘴控制為保持低背壓、多投用燒嘴。進行氮氣循環(huán)升溫時，一段爐出口工藝氣溫度（TC03020）上升過緩時，主控人員可通過調整一段爐燃料氣壓力控制閥（PV03001）增加燃料氣量，以提升系統(tǒng)升溫速率。

氮氣循環(huán)升溫階段遇到操作人員交接班或吃飯時，應做好協(xié)調安排，或者提前多投用燒嘴，由此主控可通過增加燃料氣量來控制溫升速率，不會因操作人員交接班或吃飯而影響氮氣循環(huán)升溫進度。以往由于未能進行統(tǒng)籌協(xié)調，需現(xiàn)場操作人員頻繁進行調整及增加點燃燒嘴數(shù)量，導致系統(tǒng)升溫速率受到影響。

5 結束語

通過對轉化系統(tǒng)冷態(tài)開車耗時過長問題的分析與探討，找到了節(jié)省系統(tǒng)開車時長可能存在的優(yōu)化空間，在后續(xù)兩次轉化系統(tǒng)冷態(tài)開車中，氮氣循環(huán)升溫環(huán)節(jié)平均節(jié)約用時4h左右，即在操作規(guī)程許可范圍內及保證生產(chǎn)設備安全運行的前提下，驗證了上述氮氣循環(huán)升溫環(huán)節(jié)省時間的操作優(yōu)化措施的有效性，達到了縮短合成氨裝置開車時間的目的，預計每次開車過程可節(jié)約成本10萬元，為企業(yè)的節(jié)能減排與系統(tǒng)的經(jīng)濟運行做出了一點貢獻。今后，我們將進一步研究整套合成氨裝置冷態(tài)、熱態(tài)開車過程的操作優(yōu)化，助力系統(tǒng)的優(yōu)質運行。