某甲醇制烯烃装置气控返混式外取热器的应用现状

【摘要】某甲醇制烯烃装置所采用的气控返混式外取热器自投入使用以来，具有良好的操作性能和较宽的调节范围。由于甲醇制烯烃的反应是一个放热反应，低温低压更有利于反应的进行。因此，如何保证装置反再系统热平衡是装置正常运行的关键。本文从再生器外取热器型式的选取、设备结构及工艺操作方面进行介绍，并对其在生产运行过程存在的操作难点和设计缺陷提出个人见解。

【关键词】气控返混式 外取热器 取热管束 催化剂 热平衡 应用

1 前言

某甲醇制烯烃装置于2010年开工成功并正常运行至今。由于此装置的工艺技术是我国自主创新的成果，在工业应用方面还有待探索，在操作上还需要不断的优化。如何使得反再系统达到一个很好的热平衡状态，而保证催化剂优良的活性及选择性，过剩热量的取出与调节至关重要。再生器外取热器作为一个重要的取热、控温手段，一方面要保证反应―再生系统的热平衡，另一方面要对催化剂进行冷却，保证催化剂不产生水热失活[1]。

2 外取热器概述

2.1 外取热器的选取

外取热器主要有三部分组成：

（1）封头和筒体组成的自由壳体；

（2）取热管束；

（3）催化剂循环管道[2]。按催化剂流动状态和方式不同，外取热器可分为上流式、下流式、返混式等类型[3]。从流化状态控制方式定为：阀控式和气控式。

某甲醇制烯烃装置30*104t/aMTO采用气控返混式外取热器。气控式外取热器具有以下的技术特点：

（1）取消了全部滑阀及烟气闸阀，减小了投资和检修量，安装方便，系统简捷。

（2）催化剂循环和取热量均采用气动调节，灵活方便。

（3）放弃了以往下流式取热器上部留有TDH高度的设计思想，使取热器内催化剂与再生器内催化剂以密相状态连通，且明显降低了催化剂流速，缓解了对管束的磨损。

（4）利用流态化的微循环原理，使流化风进一步用来强化取热器与再生器间的热量传递，增加了气动调节性能。返混式外取热器是UOP公司80年代中期开发的设备[1]。原理是热催化剂从再生器底部或下部的较大直径的连同管进入下方的立式取热器的壳体内，用较少的流化介质保持床层内的流化态，并使气体夹带冷却的催化剂自下而上经同一连通管返回再生器的密相床。它取消了带衬里的高温催化剂管道及昂贵的滑阀，造价低廉，结构紧凑，运行可靠，催化剂移动速度低、破损小。缺点是冷、热催化剂同在上部一个口进出，导致外取热器底部催化剂温度较低；冷热催化剂置换不良。某甲醇制烯烃装置所采用的外取热器运用三段流化氮气，使得床层温度更加均匀，取热效率提高。

某甲醇制烯烃装置的气控返混式外取热器结合了气控内循环式外取热器和返混式外取热器[2]的结构特点和性能，依靠流态化原理形成微观交换，实现再生器向外取热器供热。

2.2 外取热器的主体设备基本情况

外取热器的壳体规格为￠1900*11600，材质为Q245R钢板。取热管束规格为￠219*12/￠194*12，材质为15CrMoG/20#锻锅炉管。再生器外部设置外取热器，与再生器之间只有一个接口，安装简单。甲醇制烯烃装置外取热器有如下特点：

（1）采用双气体分布器，实现多级调节，适应对取热负荷的调节要求；

（2）采用特种气体分布器，减少气流对催化剂的磨损；

（3）采用Ⅲ型翅片管，提高催化剂侧供热能力；

（4）蒸发管材质采用15CrMo高压锅炉管；

（5）开口接管、内件采用304不锈钢；

（6）设备衬里：催化剂入口关采用100mm厚双层衬里，取热器本体采用100mm厚衬里。

2.3 外取热器的工艺流程

该型式外取热器与再生器只有一个接口，再生器内热催化剂由此口进入取热器，与传热管换热，热催化剂被冷却，其流化介质为压缩氮气。取热器的冷却介质为汽包除氧水，除氧水自下而上进入与外套管间的环隙，汽化吸热。产生的水、汽混合物向上进入汽包。其汽相-蒸汽汽包并入蒸汽管网，液相-水循环使用。

2.4 外取热器的技术参数

外取热器壳程催化剂上流化氮气量 0-1500Nm3，中部流化氮气量0-2000 Nm3，下部流化氮气量0-3500 Nm3，最大取热量9000kw，操作弹性30-100%，设计温度600℃，设计壁温300℃，设计压力0.37 MPa（G），操作温度600-700℃，操作压力0.15MPa（G）。

外取热器管程产汽等级4.4MPa（绝压）的饱和蒸汽，设计温度300℃，设计压力4.5MPa（G），介质为104℃除氧水。操作压力0.1-0.2MPa（G）。

3 外取热器使用情况

3.1 投用与正常操作

再生器外取热器开工投用时，根据装置负荷和再生器温升情况，由外取热中、下部流化氮气调节取热负荷。若取热负荷小于设计值的30%，用中部流化氮气调节取热负荷，同时关闭上部与底部的流化氮气。若取热负荷大于30%，小于70%，用底部流化氮气调节取热负荷，同时关闭中部流化氮气。若取热负荷大于70%，用底部及中部流化氮气同时调节取热负荷。一般用上部流化氮气只开少量或不开，用于微调取热负荷。取热负荷调整应平缓，不可大幅度调节各部分氮气量。因为调节过于猛烈，会迅速提高壳体内催化剂温度，导致取热管蒸发量突然加大。供水供不应求时，就可能造成取热管管束损坏。正常增减负荷应控制在每分钟不大于设计负荷的3%。

3.2 事故状态下的操作

3.2.1取热管发生泄漏

如果漏水管束或漏水量较少时，应马上利用每组取热管出入口阀门的关闭，检查出漏水管。立即切除漏水水管后，可继续使用外取热器。若发生取热管爆破或漏水管束过多时，外取热器无法正常调节，则切断取热氮气，停用外取热器，按50-100℃/h的降温速度进行降温。当无法实现对反再系统正常取热，维持热平衡时，反再系统紧急停车处理。

3.2.2汽包干锅或满水

当汽包干锅时，应立即调节氮气量，降低取热负荷直至停止取热。反应部分降量处理，降低生焦及烧焦量。当外取热器温度降至150℃以下时，才能给汽包上水，以免爆管或产汽系统的恶性事故。当汽包发生满水时，应立即将装置自产蒸汽与蒸汽管网切除，并打开汽包紧急放水阀，当水位降至正常水位线以下40-50mm时，关闭紧急放水阀。外取热器正常调整温度。

4 结论与建议

某甲醇制烯烃装置采用的气控返混式外取热器，取热器内催化剂移动速度低，催化剂破损小，开停工方便，易于操作且调节范围较宽。但由于流化介质使用的是氮气，进入再生器后，影响氧分压，从而对再生器的烧焦能力有一定的影响。此外，外取热器与再生器连为一体，无法隔断。如果外取热器内发生爆管或者取热管严重泄漏时，无法将再生器与外取热器切断，严重时只能反再系统停工处理。为此，还需要对系统做一定的改造来完善操作。

参考文献

[1] 谭远鹏.催化裂化装置外取热器自然循环水动力特性计算与分析[D].硕士学位论文，2007

[2] 韩江连.浅论外取热器[J].催化裂化，1998，17（6）：25-30

[3] 张福台.催化裂化装置催化剂冷却器工艺设计问题的探讨[J].炼油设计，1993，23（1）：18-25