雙一段轉(zhuǎn)化系統(tǒng)事故分析及處理

羅來和

1   工藝流程 

     某合成氨裝置轉(zhuǎn)化系統(tǒng)采用天然氣和蒸汽雙一段轉(zhuǎn)化流程。工藝天然氣和蒸汽按水碳比3.25(±10%調(diào)節(jié))混合后分別送入方箱式一段轉(zhuǎn)化爐(由燃燒天然氣提供熱源)和換熱式一段轉(zhuǎn)化爐(由二段高溫轉(zhuǎn)化氣提供熱源)，2股一段轉(zhuǎn)化氣匯合后進(jìn)入二段轉(zhuǎn)化爐；燃燒天然氣送至方箱式一段轉(zhuǎn)化爐頂部燒嘴燃燒，經(jīng)對(duì)流段各組換熱器進(jìn)行換熱后，由引風(fēng)機(jī)抽出排放。工藝天然氣經(jīng)對(duì)流段工藝天然氣換熱器加熱至約380℃后進(jìn)入脫硫系統(tǒng)，先經(jīng)過鐵錳脫硫催化劑(SHT-512C型)粗脫硫，然后經(jīng)氧化鋅精脫硫劑(Z929型)精脫硫。經(jīng)精脫硫后的天然氣與蒸汽按水碳比3.25(±10%調(diào)節(jié))混合后分成2股：一股進(jìn)入對(duì)流段天然氣蒸汽換熱器加熱至450～530℃后，再進(jìn)入方箱式一段轉(zhuǎn)化爐爐管內(nèi)進(jìn)行甲烷轉(zhuǎn)化反應(yīng)；另一股進(jìn)入混合氣預(yù)熱器中預(yù)熱至520℃，再進(jìn)入換熱式一段轉(zhuǎn)化爐的轉(zhuǎn)化管內(nèi)進(jìn)行甲烷轉(zhuǎn)化反應(yīng)。這2臺(tái)轉(zhuǎn)化爐的轉(zhuǎn)化氣匯合后進(jìn)入二段轉(zhuǎn)化爐，使未轉(zhuǎn)化的甲烷繼續(xù)轉(zhuǎn)化；同時(shí)，向二段轉(zhuǎn)化爐內(nèi)送入一定量的空氣，使空氣中的氧氣與轉(zhuǎn)化氣中的氫氣發(fā)生燃燒反應(yīng)，放出大量的熱，并且控制轉(zhuǎn)化氣中氫氮比以滿足合成氨的工藝需要。出二段轉(zhuǎn)化爐的工藝氣進(jìn)入換熱式一段轉(zhuǎn)化爐的管間，作為熱源加熱管內(nèi)的原料氣，使之發(fā)生甲烷轉(zhuǎn)化反應(yīng)。隨后管間的二段轉(zhuǎn)化氣(約700℃)離開換熱式一段轉(zhuǎn)化爐進(jìn)入混合氣預(yù)熱器，再經(jīng)廢熱鍋爐回收熱量(產(chǎn)生3.1MPa的中壓蒸汽供一段轉(zhuǎn)化爐用)，溫度降至360℃左右的轉(zhuǎn)化氣出廢熱鍋爐進(jìn)入變換系統(tǒng)，再經(jīng)脫碳系統(tǒng)送入甲烷化系統(tǒng)，最終經(jīng)加壓后送至合成塔產(chǎn)氨。

2   正常操作要點(diǎn)

     ①嚴(yán)格控制調(diào)節(jié)工藝天然氣和蒸汽混合氣中水碳比在3.25(±10%調(diào)節(jié))，防止工藝天然氣發(fā)生析碳事故；②系統(tǒng)加負(fù)荷要緩慢，必須按蒸汽、天然氣和空氣的順序調(diào)節(jié)，減負(fù)荷時(shí)則相反；③根據(jù)系統(tǒng)不同負(fù)荷，調(diào)整引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，保證方箱式一段轉(zhuǎn)化爐爐膛上下部溫差在80～100K；④嚴(yán)格控制方箱式一段轉(zhuǎn)化爐出口進(jìn)對(duì)流段各組換熱器的進(jìn)口氣體不超溫、不過熱；⑤嚴(yán)格控制脫硫系統(tǒng)進(jìn)口氣體溫度在360～400℃，保證脫硫系統(tǒng)出口天然氣中硫質(zhì)量濃度≤0.5mg/m³(標(biāo)態(tài))；⑥嚴(yán)格控制方箱式一段轉(zhuǎn)化爐出口氣體溫度≤800℃，換熱式一段轉(zhuǎn)化爐出口氣體溫度≤715℃,二段轉(zhuǎn)化爐出口氣體溫度≤920℃，保證方箱式一段爐出口氣體中CH₄體積分?jǐn)?shù)≤8%、換熱式一段轉(zhuǎn)化爐出口氣體中CH₄體積分?jǐn)?shù)≤16%、二段轉(zhuǎn)化爐出口氣體中CH₄體積分?jǐn)?shù)≤0.5%；⑦嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)化廢熱鍋爐液位在45%～50%，防止出現(xiàn)“干鍋”和超液位現(xiàn)象；⑧加強(qiáng)巡回檢查，定時(shí)用紅外測溫槍監(jiān)測換熱式一段轉(zhuǎn)化爐及二段轉(zhuǎn)化爐爐壁溫度并嚴(yán)格控制在≤80℃；⑨2h觀察1次一段轉(zhuǎn)化爐燒嘴的燃燒情況，防止發(fā)生偏燒、回火等現(xiàn)象，并及時(shí)調(diào)整燒嘴背壓≤0.25MPa，確保燃燒天然氣能完全燃燒。

3   故障原因及處理措施

3.1   天然氣壓縮機(jī)跳閘

     (1)故障及原因：天然氣壓縮機(jī)開、停顯示報(bào)警；工藝天然氣流量及壓力突然大幅下降直至為零，工藝天然氣和蒸汽的混合氣中水碳比大幅上漲；工藝天然氣換熱器后對(duì)流段溫度上升。

     (2)處理措施：全廠緊急停車，切斷工藝空氣并控壓(1.0MPa)放空，向二段轉(zhuǎn)化爐加保護(hù)蒸汽；切斷進(jìn)變換系統(tǒng)閥門，并打開進(jìn)變換系統(tǒng)前放空閥，系統(tǒng)進(jìn)入蒸汽降溫狀態(tài)。

3.2   引風(fēng)機(jī)跳閘

     (1)故障及原因：方箱式一段轉(zhuǎn)化爐爐膛由負(fù)壓變正壓；爐膛溫度迅速下降；爐膛內(nèi)有火焰從爐頂竄出。

     (2)處理措施：立即切除燃燒天然氣系統(tǒng)；

雙一段轉(zhuǎn)化系統(tǒng)工藝流程見圖1：                                                              圖 1   雙一段轉(zhuǎn)化系統(tǒng)工藝流程

     開始大量減轉(zhuǎn)化系統(tǒng)負(fù)荷，不要作緊急停車處理，同時(shí)再度啟動(dòng)引風(fēng)機(jī)，視爐膛溫度采用燃燒天然氣自燃著火(爐膛溫度≥650℃)或點(diǎn)火；若不能啟動(dòng)引風(fēng)機(jī)，應(yīng)按緊急停車處理。當(dāng)二段轉(zhuǎn)化爐進(jìn)口氣體溫度降至680℃時(shí)，切斷工藝空氣，在工藝空氣中加保護(hù)蒸汽。當(dāng)方箱式一段轉(zhuǎn)化爐出口氣體溫度降至620～650℃時(shí)，切斷工藝天然氣，中變爐前控壓(≤1.0MPa)放空，同時(shí)停運(yùn)中變爐、低變爐和甲烷化系統(tǒng)，并進(jìn)行保壓。

3.3  空壓機(jī)跳閘

     (1)故障及原因：空氣壓縮機(jī)開、停顯示報(bào)警；工藝空氣流量迅速下降，工藝空氣換熱器后對(duì)流段溫度上升；二段轉(zhuǎn)化爐JZ204型催化劑床層上部溫度迅速下降。

     (2)處理措施：立即切斷工藝空氣自動(dòng)閥，現(xiàn)場關(guān)閉工空手動(dòng)閥及加大保護(hù)蒸汽量；通知班長及調(diào)度降低轉(zhuǎn)化系統(tǒng)負(fù)荷和換熱式一段轉(zhuǎn)化爐負(fù)荷，控制中變爐進(jìn)口氣體溫度≥300℃；不要作緊急停車處理。

3.4  鍋爐給水泵跳閘

     (1)故障及原因：給水泵或電器出現(xiàn)故障；轉(zhuǎn)化廢熱鍋爐液位下降。

     (2)處理措施：啟動(dòng)備用泵；備用泵無法啟動(dòng)時(shí)，按工藝天然氣壓縮機(jī)跳閘處理步驟作緊急停車處理。

3.5   汽包液位低

     (1)故障及原因：給水泵故障；自動(dòng)加水閥打不開或開度不足。

     (2)處理措施：啟用備用泵，關(guān)閉廢熱鍋爐排污閥，并提高汽包蒸汽壓力、降低廢熱鍋爐蒸發(fā)量；增加換熱式一段轉(zhuǎn)化爐負(fù)荷，降低進(jìn)廢熱鍋爐轉(zhuǎn)化氣溫度；檢修閥門。

3.6  蒸汽帶水

     (1)故障及原因：汽包液位過高、波動(dòng)太大，控制液位不當(dāng)；蒸汽分離器未排凈冷凝水；蒸汽管網(wǎng)的蒸汽壓力波動(dòng)大；廢熱鍋爐爐水中鹽含量偏高，水的沸點(diǎn)上升產(chǎn)生汽液共沸現(xiàn)象；汽包或分離器除沫器損壞；方箱式一段轉(zhuǎn)化爐進(jìn)口及換熱式一段轉(zhuǎn)化爐進(jìn)口氣體溫度迅速下降。

     (2)處理措施：控制好汽包液位；開大汽包連排閥開度；2h排凈蒸汽分離器冷凝液1次；采用汽包出口閥控制并穩(wěn)定汽包蒸汽壓力；加大廢熱鍋爐排污流量，調(diào)整好爐水質(zhì)量；降低轉(zhuǎn)化系統(tǒng)負(fù)荷。

3.7   氧化鋅脫硫槽出口天然氣硫含量高

     (1)故障及原因：鐵錳脫硫槽進(jìn)口天然氣溫度＜360℃，有機(jī)硫未脫除；管網(wǎng)天然氣中總硫含量突然增高；脫硫系統(tǒng)加氫量不足，有機(jī)硫未轉(zhuǎn)換成無機(jī)硫；鐵錳脫硫劑活性降低；天然氣中夾帶油水。

     (2)處理措施：適當(dāng)提高鐵錳粗脫硫槽進(jìn)口天然氣溫度至380～400℃；加大脫硫系統(tǒng)配氫量至工藝天然氣流量的3%；降低轉(zhuǎn)化系統(tǒng)負(fù)荷；加大天然氣壓縮機(jī)一段進(jìn)口和一段出口油水分離器的油水排放量。

3.8   天然氣析碳

     (1)故障及原因：方箱式一段爐轉(zhuǎn)化管受熱不均勻；天然氣和蒸汽的混合氣中水碳比＜2.5；方箱式一段爐轉(zhuǎn)化管阻力增大；工藝天然氣換熱器出口天然氣溫度＞440℃；燃燒天然氣流量過大，造成方箱式一段轉(zhuǎn)化爐爐膛溫度過高；原料氣中高級(jí)烴含量增加；JZ216型轉(zhuǎn)化催化劑活性降低；氧化鋅(Z929型)脫硫槽出口天然氣中總硫質(zhì)量濃度＞1.0mg/m³(標(biāo)態(tài))，引起JZ216型轉(zhuǎn)化催化劑中毒。

     (2)處理措施：調(diào)節(jié)天然氣和蒸汽的混合氣中水碳比至正常指標(biāo)；降低燃料天然氣流量，降低方箱式一段轉(zhuǎn)化爐爐膛溫度及爐膛負(fù)壓，以降低鐵錳粗脫硫槽進(jìn)口天然氣溫度；調(diào)整燒嘴至其物料燃燒完全和爐膛溫度分布均勻；降低轉(zhuǎn)化系統(tǒng)天然氣負(fù)荷，提高天然氣和蒸汽的混合氣中水碳比至5.0～6.0，然后提高方箱式一段轉(zhuǎn)化爐出口氣體溫度至800℃進(jìn)行燒碳；提高脫硫系統(tǒng)配氫量，以降低氧化鋅脫硫槽出口天然氣中硫質(zhì)量濃度＜0.5mg/m³(標(biāo)態(tài))。

3.9   方箱式一段轉(zhuǎn)化爐出口轉(zhuǎn)化氣中CH₄含量偏高

     (1)故障及原因：天然氣和蒸汽的混合氣中水碳比低；燃燒天然氣燃燒不完全或流量偏低，致使?fàn)t膛溫度偏低；JZ216型轉(zhuǎn)化催化劑硫中毒或活性降低；工藝天然氣流量偏大，導(dǎo)致一段轉(zhuǎn)化爐出口氣體溫度偏低。

      (2)處理措施：適當(dāng)提高天然氣和蒸汽的混合氣中水碳比；適當(dāng)調(diào)整燃燒氣流量；調(diào)整爐膛負(fù)壓；降低工藝天然氣流量，提高一段轉(zhuǎn)化爐出口轉(zhuǎn)化氣溫度；調(diào)整進(jìn)脫硫系統(tǒng)溫度，防止天然氣析碳或硫含量超標(biāo)。

3.10   二段轉(zhuǎn)化爐出口氣體中CH₄含量偏高

      (1)故障及原因：二段轉(zhuǎn)化爐出口氣體溫度偏低；方箱式一段轉(zhuǎn)化爐和換熱式一段轉(zhuǎn)化爐出口氣體中CH₄含量偏高；來自混合預(yù)熱器的天然氣和蒸汽混合氣在換熱式一段轉(zhuǎn)化爐內(nèi)走近路，致使換熱式一段轉(zhuǎn)化爐轉(zhuǎn)化氣溫度偏低；工藝空氣流量偏??；二段轉(zhuǎn)化爐JZ204型催化劑活性降低或中毒；換熱式一段轉(zhuǎn)化爐下部豬尾管破裂。

      (2)處理措施：提高方箱式一段轉(zhuǎn)化爐燃燒天然氣的流量和出口轉(zhuǎn)化氣溫度，降低其中CH₄含量；降低進(jìn)換熱式一段轉(zhuǎn)化爐流量，提高換熱式一段轉(zhuǎn)化爐出口轉(zhuǎn)化氣溫度，降低其中CH₄含量；適當(dāng)提高工藝空氣流量；待停車檢查換熱式一段轉(zhuǎn)化爐內(nèi)天然氣和蒸汽的混合氣有無走近路現(xiàn)象并及時(shí)更換換熱式一段轉(zhuǎn)化爐內(nèi)密封材料；更換換熱式一段轉(zhuǎn)化爐下部豬尾管；更換二段轉(zhuǎn)化爐催化劑。

3.11   二段轉(zhuǎn)化爐爐內(nèi)溫度超溫

      (1)故障及原因：加入二段轉(zhuǎn)化爐爐內(nèi)空氣流量過大，工藝空氣與工藝天然氣流量比＞1.6；方箱式一段轉(zhuǎn)化爐出口氣體中CH₄含量低、溫度偏高；天然氣與蒸汽混合氣中水碳比偏高；換熱式一段轉(zhuǎn)化爐出口氣體CH₄含量偏低、溫度偏高；二段轉(zhuǎn)化爐JZ204型催化劑活性差或中毒；空氣分布器損壞，空氣分布不均勻，噴嘴空氣燃燒不完全，引起空氣中氧與催化劑反應(yīng)放出大量的熱。

       (2)處理措施：控制工藝空氣和工藝天然氣流量比在1.3～1.5；適當(dāng)加大工藝天然氣流量并降低工藝空氣流量；降低燃料氣流量和一段轉(zhuǎn)化爐出口氣體溫度；適當(dāng)降低天然氣和蒸汽的混合氣中水碳比，提高一段轉(zhuǎn)化爐出口氣體中CH₄含量；增加換熱式一段轉(zhuǎn)化爐天然氣蒸汽的流量，降低換熱式一段爐出口氣體溫度，提高其中CH₄含量；檢查工藝天然氣壓縮機(jī)一段和二段出口氣體是否帶油水并加大分離器排放油水量；關(guān)注二段轉(zhuǎn)化爐壓差(工藝指標(biāo)＜30kPa)是否超標(biāo)，從而判斷二段轉(zhuǎn)化爐爐拱是否損壞。

4   結(jié)語

      以天然氣為原料的雙一段轉(zhuǎn)化系統(tǒng)近年來在中型合成氨裝置上已得到廣泛應(yīng)用，特別是充分利用熱源可減少燃料天然氣耗量，噸氨能耗大幅降低。相比原間歇式轉(zhuǎn)化工藝，噸氨天然氣耗降低約200m³(標(biāo)態(tài))、電耗降低約600kW·h。為了降低合成氨生產(chǎn)成本、增強(qiáng)市場競爭力，還必須掌握系統(tǒng)的操作要點(diǎn)及提高事故的判斷處理能力，才能確保系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、長周期運(yùn)行。