纯氧二段炉在甲醇装置中的应用

摘 要： 榆林天然气化工有限责任公司甲醇生产装置经技术改造后，采用纯氧二段炉转化制备甲醇合成气，该技术的应用使得甲醇生产的能耗大幅降低，为公司带来丰厚利润，本文根据实际工艺情况， 分析了二段炉的结构与工艺流程，总结了二段炉的开车与使用及正常生产中的有关问题。

关键词： 纯氧二段炉； 甲醇装置； 技术改造

中图分类号： TQ205 文献标识码： A 文章编号：1009-8631（2010）06-0080-02

榆林天然气化工有限责任公司目前共有三套甲醇生产装置，总生产能力达40万吨/年。这三套装置全部采用纯氧二段转化制备甲醇合成气的节能新工艺，其中1#装置采用箱式炉后串纯氧二段炉，2#、3#装置采用换热式并联转化串纯氧二段炉。

纯氧二段炉是榆林天然气化工有限责任公司甲醇生产的节能核心技术，其主要作用有三点：一是消耗掉多余的氢气使合成气的氢碳比达到理想反应的化学剂量；二是燃烧释放出的热量满足换热炉天然气转化的需要的热量，使热量得到了充分利用；三是使一段炉的约15%的残余甲烷得到进一步转化。纯氧二段炉技术的应用使得甲醇生产的能耗大幅降低，为公司带来丰厚的利润，但另一方面纯氧二段炉高温存在很大风险，易烧坏氧气分布器（烧嘴）和燃烧室，国内使用二段炉的厂家基本都有这方面的教训，公司在短短的三年期间，已烧坏氧气分布器5个，这方面损失不下千万，因此有必要对二段炉使用经验予以总结探讨。

一、二段炉的结构与工艺流程

二段炉是在一段炉之后，进一步对一段炉出口转化气中的残余甲烷进行深度转化。烃类的蒸汽转化是以水蒸汽为氧化剂，在镍催化剂的作用下将烃类物质转化。

二段转化炉由炉体和烧嘴两部分组成，采用金属烧嘴，为成都通用技术工程公司专利技术。20万吨/年甲醇装置二段炉衬里内径2100mm，采用双层催化剂，上部装2.08m3Z205型催化剂，下部装13.5m3Z204型催化剂。其工艺流程为：箱式炉和换热炉出口转化气以及约3500Nm3/h的富碳气在输气总管混合后，一起进入二段炉顶部，同时由空分装置来的氧气（O299.6%，压力3.2Mpa），经箱式转化炉对流段第4组加热盘管加热至350℃左右，从二段炉顶部氧气分布器进入二段转化炉，在二段转化炉燃烧室与一段转化气中的部分过剩氢气完全燃烧，产生热量，供从一段炉来的残余天然气与水蒸汽在二段炉的催化剂床层中发生蒸汽转化反应，二段炉出口转化气中残余甲烷为0.8%左右。

二、二段炉的开车与使用

（一）二段炉开车与使用前的准备工作

1. 烘炉。二段炉投入使用前，必须完成耐火衬里的浇铸、烘炉、触媒装填工作。根据设计要求，一般都是按耐火衬里浇铸--二段炉烘炉--触媒装填地顺序进行，先对二段炉进行单独烘炉，烘炉完成后要求技术人员入炉检查烘炉的质量，对烘炉结果做出评价，如果衬里存在严重的裂纹，有影响正常运行的重大缺陷，将要求采取适当补救措施。确认烘炉合格才能进行触媒装填。这种方法按部就班，用时相对较长，我公司在这方面有独到的创新：在耐火衬里浇铸完成后，直接装好触媒，开车和烘炉一次进行，即利用开车过程中的工艺介质来烘炉，烘炉完成，装置开车正常。这样做大大节省了开车时间，但烘炉的质量无法检查，只能等装置停车检修时再进行检查。后来检查结果表明，这种方法烘炉的效果还是比较理想的，相比单独烘炉，介质流量稳定，温度控制精确，能够保证烘炉的质量。

2. 触媒的装填。二段炉的触媒装填工作在耐火衬里浇铸完成后进行，分上下两层，上层是耐高温的Z205触媒，下层是活性较好的Z204触媒，触媒装填力求均匀，防止正常生产中气体发生偏流，特别强调的是：二段炉触媒宁可少装填，不可多装，防止触媒装高，造成燃烧室空间减小，这样在正常生产中，烧坏氧气分布器和燃烧室可能加大。

3. 安装氧气分布器。氧气分布器是整个二段炉的核心部件，其安装高度和对中程度有相当严格的要求，否则会发生氧气混合不均匀、气体偏流等现象，最终会导致二段炉分布器烧坏或燃烧室烧坏。

（二）二段炉点火准备工作

所有测量仪表，控制仪表，调节阀及联锁功能调校合格，安全阀校验合格，具备操作条件；氧气管线及阀门脱脂完毕，引氮气置换氧气管线，气体由炉顶二段炉入口前放空；箱式炉和换热炉进行蒸汽升温的同时，箱式炉对流段O2 -CO2预热器通入保护蒸汽；调整氧气保护的蒸汽量在～2.0t/h，使用二段炉烧嘴温度稳定在～350℃；工天负荷控制在～6000m3/h，水碳比5～7；提前将氧气流量调节阀和遥控阀处冷凝水排干净；将氧气引入二段炉氧气流量调节阀前，置换分析o2 ≥99.6%，进入二段炉前氧气压力与二段炉压力之差控制0.05～0.2Mpa之间；控制二段炉触媒层层上层温度稳定且≥630℃，维持系统压力、负荷稳定。

（三）点火

现场操作人员接到开阀指令后，缓慢打开DN25氧气流量调节小副线阀门，控制流量300m3/h，主控观察二段炉床层温度的温升情况，观察上层温度点变化趋势，有明显上升，点火成功，若1.5min内没有明显温升，则视为点火失败。二段炉点火成功后，待温度停止上升，再次开大配氧小阀，直至配氧小阀全部开大，此阶段，二段炉升温曲线呈现阶梯状。投用氧气流量调节阀，逐渐关掉配氧小阀，严格控制二段炉出口升温速度在60-80℃/h。

点火时要特别注意以上要求，稍有不慎，可能造成严重后果。冷凝水排不彻底，带进二段炉，造成点火温度降低，点不着火，或者点火后熄火；氧气和二段炉压差太大，会造成点火后二段炉温度剧烈上升；压差过小，不易点火，点火成功后，二段炉压力稍有波动，会导致氧气退出熄火。

三、二段炉在正常生产中的注意事项

1. 应严格控制以下指标：二段炉出口温度控制在880～930℃；二段炉上层温度控制在990～1100℃；氧气压力稳定在3.1～ 3.2Mpa；氧气纯度≥99.6%。

2. 控制氧气分布器流速

二段炉氧气分布器在正常运行的流速，我们倾向于高流速，即要求火焰进行“脱火”燃烧，使火焰燃烧远离氧气分布器，达到保护氧气分布器的目的。

对于20万吨/年甲醇装置的二段炉，其氧气分布器流速控制在60-66m/s，流速大小是通过氧气保护蒸汽的大小来控制。最初根据鸿化总厂的经验，认为分布器的流速控制在50-55m/s比较好，1#甲醇装置基本控制在这个范围，但是使用情况不好，烧坏了两个分布器；2#装置控制在~66m/s左右，已经用了将近3年，氧气分布器使用情况良好，最初的分布器至今还在使用；3#甲醇装置第一个分布器流速控制在~55m/s，使用10个月后分布器喷孔大部分开裂变大，最大的一处将近1cm。3#装置第二个分布器的流速控制在45-50m/s之间，仅使用了5个月，喷孔开裂变形比第一个分布器严重得多。3#装置第三个分布器流速仍旧控制在45-50m/s之间，使用10天后，因故停车，顺便检查分布器，发现分布器有个别喷孔已经变形。装置恢复正常后，经公司研究将流速提到60-66m/s，目前已使用7个月未发现异常。

3. 控制系统压力稳定

系统压力突然降低，氧气会瞬间大量涌入二段炉，轻者造成超温，重者烧坏氧气分布器、二段炉，甚至造成恶性事故。二段炉的超温会导致换热炉超温，使换热炉膨胀节超过膨胀量而损坏导致停车事故。

4. 严密监视二段炉壳体水夹套上水量及出水温度

正常生产中，二段炉水夹套上水量控制在~18t/h，出水温度稳定在~75℃，若发现温度上升，上水量增加，则表明二段炉燃烧室衬里可能出现问题。在2006年2月底，当班操作人员发现二段炉水夹套出水温度上升了7℃，操作人员增大夹套水量，由原来的17t/h增加到19t/h，出水温度降至正常，经过分析认定燃烧室衬里已经出现问题。4月份检修，发现二段炉燃烧室耐火衬里被烧开约0.5m2的大洞，承压壳体被烧减薄2cm，已经非常危险了。

夹套水中断时间超过10分钟，出水温度超过100℃，二段炉要做紧急停车处理。

5. 加强二段炉的状态检测

二段炉封头温度、封头法兰温度、炉身温度、触媒层温度、出口高温段温度、出口气体成分、触媒层压差都是状态检测的对象，要安排专人定期检测做好记录，以便随时掌握二段炉的运行情况。

四、结论

纯氧二段炉在甲醇装置中的使用有以下优点：天然气单耗降低15%-20%；转化率由一段转化法的97%提高到99.5%；二段炉出口的高温气体所带的热量可以满足换热炉天然气蒸汽转化所需的热量，生产能力扩大，热量得到合理利用。

采用二段炉与换热炉的有机结合，还降低了进废热锅炉的温度，达到保护废锅的目的。

二段炉的缺点：对设备材质要求交苛刻；对操作人员的技术水平要求比较严格；安全隐患多，管理和操作难度大；氧气分布器的可靠性有待进一步改进。