合成气装置工艺气废热锅炉出口温度变化原因探讨

第41卷第1期广州化工Vol 41 No. 12013年1月Guangzhou Chemical IndustryJanuary 2013合成气装置工艺气废热锅炉出口温度变化原因探讨陈玉萍(中石化扬子石化有限公司芳烃厂,江苏南京210048)摘要:使用天然气为原料经蒸汽转化法联产一氧化碳及氢气时,国内外多套类似装置的工艺气废热锅炉在运行初期出现了出口工艺气温度不断上升的现象,分析其主要原因为高温引起的碱金属离子及硅的流失,提出了解决方法。关键词:废热锅炉;温度;碱金属离子流失;硅流失中图分类号:TE64文献标识码:B文章编号:1001-9677(2013)01-0150-03Causes of Temperature Change at the Outletof Waste Heat boiler in Synthesis plantCHEN Yu-pingAromatic Company, Yangzi Petrochemical Co., Ltd., Sinopec, Jiangsu Nanjing 210048, China)Abstract: With natural gas as the feedstock and steam reforming as the production method to produce carbon monox-ide and hydrogen, the temperature of process gas at the outlet of the waste heat boiler increased continuously during the in-itial operation period in many similar plants at home and abroad. It was mainly caused by the loss of alkali metal ion andilicon, and corresponding solutions were put forwardKey words: waste heat boiler; temperature; alkali metal ion loss; silicon loss某公司2009年新建了一套合成气装置,使用天然气为原锅炉给水、转化气;合成气装置废锅设计总进料量分别为料联产氢气、一氧化碳及羰基合成气。其中蒸汽转化技术由荷133092.7kg/h;操作压力为壳程4.%6MPa、管程3.23MPa兰 TECHNIP公司提供,蒸汽转化炉出口设计了一台工艺气废操作温度为壳程264,管程910/320℃:热负荷为49.866MW;热锅炉(以下简称废锅),用于回收高温转化气热量并产生高换热面积为493.3m2;传热系数为4365W/m2K;管子尺寸为压蒸汽。装置投产初期废锅运行稳定,各项工艺指标与设计值38×3.2×7300mm,582根,呈正三角形排列,其结构示意相吻合。然而随装置运行时间的推移废锅出口工艺气温度出现如图1。又恢复正常,其后随运行时间的推移再次缓慢上升,对装置的2运行状况安全长满优运行造成隐患。1合成气装置废锅简介11月8日-11日100%负荷性能测试内冷却后工艺气转化炉出口20日汽混合物去汽∞cn月3日-5日B1520联锁停车耐火村里汽包来炉水式5二图1转化气废锅结构示意图A18668d77合成气装置废锅是蒸汽转化炉的一部分,结构为管壳式换中国煤化工一化曲线热器,水平布置在蒸汽转化炉工艺气出口,通过上升管和下降CNMHG管与汽包相连,形成汽水自然循环。壳程和管程的流体分别为作者简介:陈玉萍(1977-),女,主要从事化工操作管理第41卷第1期陈玉萍:合成气装置工艺气废热锅炉出口温度变化原因探讨151合成气装置自2011年11月11日完成性能测试投入正常运行后,废锅出口工艺气温度持续上升,換热效果下降。出口温3原因分析度变化曲线如图2,停车后废锅管束结垢情况及清洗后表面图如图3。3.1耐火衬里损坏停车后换热管口出现的少量耐火衬里碎粒,原因在于转化炉出口冷壁集气管采用耐火衬里进行内保温,当耐火衬里受到损伤,其中所含的硅、铝粉尘将从耐火衬里逸出,最后沉积在工艺气废锅的换热管中,导致其管程侧出口温度增加。如耐火衬里破损严重时,大块脱落的耐火材料将堵塞管束,阻止气体通过管束,降低管束导热性能。3.2碱金属离子流失合成气装置耐火材料中的碱离子如钾、钠等含量控制在较低浓度,但钠、钾离子在高温下可转化为气态氢氧化物(钠约823℃、钾约976℃)。转化气通过废热锅炉时,这些气态氢氧化物将又被转换成碳酸盐沉积为固体,形成的Na2CO3和K2CO3成为纤维状绝热体。两种碱金属离子对氧化铝耐火材料都可以产生负面影响导致氧化铝耐火材料形成裂纹或破裂。碱金属离子与活性氧化铝反应生成:[Na2O·11A42O3]或[K2O·11A12O3]。钠可通过以下几种方式进入转化炉(1)工艺蒸汽,换热器泄漏炉水窜入蒸汽;(2)炉水加药系统(如磷酸三钠);图3废锅管束结垢情况及清洗后表面图(3)新催化剂,非碱性催化剂的载体材料中;(4)耐火材料浇注时使用的水中。经交流,发现国内外多套同类装置都存在类似问题。图4钾进入转化炉的原因与钠相似,但最大来源来自于转化催是某同类合成气装置废锅出口工艺气温度变化趋势DCS截图。化剂。转化炉管中装填有含钾催化剂,催化剂中所含钾是为了表1为该装置停车时所取废锅内去除积碳后结垢分析结果。阻止碳在炉管及催化剂中沉积,其在正常运行时根据设计流失速度逐渐减少直至寿命到期。如果转化炉温度大幅度变化将加快钾从催化剂中的流失,而转化炉温高于设计温度运行或由于烧嘴调整不均造成部分炉管超温运行也会加速钾的流失,流失的钾将在工艺气废锅管束中随温度下降与水蒸汽形成纤维状K2CO3,导致锅炉结垢33硅流失2转化工艺蒸汽中含有一定量的SiO2。转化炉出口冷壁管及废锅入口腔体普遍采用耐火衬里作内保温,转化催化剂也使用硅作为载体,在高温下(>900℃),硅将会发生以下反应:图4某合成气装置废锅出口工艺气温度变化SiO2+H2=Si0 +H20表1废锅内去除积碳后结垢组成分析在合成气装置该反应通常会出现在出口总管中,因为此处温度高且总耐火材料表面积大。此现象在制氢装置很少出现是目单位含量由于制氢装置出口温度低,出口总管内表面积小。SiO是一种22.9eKAG气体,当转化气通过废锅管束温度降低时又将变回SiO2,沉积为绝热纤维影响热传递。由于装置停车降压时该绝热纤维往往%()被吹至下游设备,很难在停车后的废锅中发现。3.4积碳{33143转化炉的操作没有达到做优化操作条件,或者催化剂中不含碳酸钾,将在炉管内形成积碳,也会转移至废热锅炉影响传热效果。3.5磷酸盐结垢mg/kg如果锅炉水的磷酸盐浓度太高,磷酸盐可能发生反应在锅炉管束表面产生侧)沉淀,这种中国煤化工面及其他地方(水二将改变炉水中pH247值、磷酸盐浓度CNMHG沉淀将造成炉水结垢,减少换热器壳程的热交换。当使用磷酸盐处理锅炉水时,磷酸盐浓度不得超过平衡浓度,磷酸盐最大浓度大约应该是平152广州化工2013年1月衡浓度的一半对用作转化炉主要燃料的冷箱吹扫气作燃料回路进行模拟参照以上原因分析对比制氢装置与合成气装置操作条件,计算,设计出冷箱吹扫气热值模型,利用模型根据冷箱中所有可看出合成气装置转化炉出口温度高是造成两者运行情况差异排放阀开度实时计算出吹扫气热值,同时对燃烧控制系统进行的主要原因。运行温度高造成所流失的碱金属离子及硅在低温改造,将吹扫气热值引入到燃烧控制系统中,使燃烧控制系统时形成垢层,降低了废锅的换热效果,从而造成废锅出口工艺可以根据吹扫气流量和热值的变化而自动调整补充燃料气的流气温度逐渐升高量,降低吹扫气波动对转化炉温的影响。通过优化投用了转化系统所有复杂控制回路,实现了转化系统自适应、全自动运4解决措施行。优化前后炉温对比如图5所示,从图5可以看出,炉温波4.1调整发汽系统操作,控制系统中的钠离子浓度动情况有明显改善。4.3在废锅工艺气入口及出口增加注水降温管线2010年11月16日开始停止在炉水中添加磷酸三钠,降低系统中的钠离子含量。由于磷酸三钠主要用于防止锅炉结垢,废锅换热效果下降原因复杂,通过优化操作能减缓结垢速为了降低汽包结垢风险,将废锅定排频率由每天1次改为度,但由于催化剂中钾的流失、蒸汽中S02的流失,催化剂及2次,每次排污时间15min,经过一周的观察,蒸汽、炉水、耐火材料破损、积碳等影响,换热效果随运行时间的推移始终工艺凝液中钠离子含量明显下降。2011年8月10日装置停车呈下降趋势,为保证其出口温度不超过下游锅炉给水预热器的消缺时打开废锅壳程观察孔,检查发现换热管束外壁无任何垢设计温度(370℃),在废锅工艺气入口及出口增加了注水降层,目前的操作方法能阻止废锅水侧垢层的产生。温管线,以保证装置的长周期运行。4.2投用转化炉燃烧控制系统,稳定转化炉炉温,5结论降低催化剂中钾的流失速度通过对造成转化炉工艺气废热锅炉出口温度变化原因进行分析,调整了发汽系统操作,降低了炉水中的钠离子含量,结合仪表和控制,有效解决了炉温波动的问题,降低了催化剂中钾的流失速度,同时在废锅工艺气侧入口及出口增加了注水降优化前温管线,增加了在线处理超温的措施,保证了装置的长周期运b-优化后參考文献1]罗玉长氧化铝水合物中的Na2O及煅烧过程的行为[J]无机盐工业,1995,27(1):7[2]张振伍火管式转化废锅出口温度缓升原因探讨[J]石油和化工设备,2006(3):33-34图5吹扫气优化前后炉温波动趋势[3]张晓晖布朗装置转化废锅出口温度缓升原因探讨[J].化肥设计,2003(3):37-3844444给M(上接第143页)[2]刘卫,刘洪福加工高硫低酸原油常减压蒸馏装置管道设计选材结语[冂].炼油技术与工程,2003(9):43-44.加工劣质原油的常减压装置,除选用合适的管道材料进行3]粟雪勇蒸馏装置炼制高硫含酸原油的腐蚀与防护[石油化工腐蚀与防护,2009,26(S1):69-72材料防腐之外,还应完善“一脱三注”等工艺防腐措施,并对[4]金兰.常减压装置的腐蚀与防护措施[刀.广州化工,200,37(7)易腐蚀部位的管道采用定点测厚、腐蚀探针等方法定时监测管162-165道材料的腐蚀情况,以确保装置的长期安全运行5]冯永超.常减压蒸馏装置减压系统管道设计[J].化工设计,200919(5):22-25参考文献[6]刘洪福加工含硫原油重点装置主要管道设计选材导则[S]北京:[1]朱希平常减压蒸馏腐蚀类别及防腐[J].辽宁化工,2011(12):中国石化出版社,2003l317-1321中国煤化工CNMHG