雙一段轉化系統事故分析及處理

羅來和

1   工藝流程 

     某合成氨裝置轉化系統採(cǎi)用天然氣(qì)和蒸汽雙一段轉化流程。工藝天然氣(qì)和蒸汽按水碳比3.25(±10%調(diào)節)混合後(hòu)分别送入方箱式一段轉化爐(由燃燒天然氣提供熱源)和換熱式一段轉化爐(由二段高溫轉化氣提供熱源)，2股一段轉化氣彙合後進入二段轉化爐；燃燒天然氣送至方箱式一段轉化爐頂(dǐng)部燒嘴燃燒，經對(duì)流段各組換熱器進行換熱後，由引風機抽出排放。工藝天然氣經對(duì)流段工藝天然氣換熱器加熱至約380℃後(hòu)進入脫硫系統，先經過(guò)鐵錳脫硫催化劑(SHT-512C型)粗脫硫，然後(hòu)經氧化鋅精脫硫劑(jì)(Z929型)精脫硫。經(jīng)精脫硫後(hòu)的天然氣與蒸汽按水碳比3.25(±10%調節)混合後分成2股：一股進入對(duì)流段天然氣蒸汽換(huàn)熱器加熱至450～530℃後(hòu)，再進(jìn)入方箱式一段轉化爐爐管内進(jìn)行甲烷轉化反應；另一股進(jìn)入混合氣預熱器中預熱至520℃，再進入換熱式一段轉化爐的轉化管内進行甲烷轉化反應。這2台轉化爐的轉化氣彙合後進入二段轉化爐，使未轉化的甲烷繼續轉化；同時，向二段轉化爐内送入一定量的空氣，使空氣中的氧氣與轉化氣中的氫氣發(fā)生燃燒反應，放出大量的熱，並(bìng)且控制轉化氣中氫氮比以滿足合成氨的工藝需要。出二段轉化爐的工藝氣進入換熱式一段轉化爐的管間，作爲熱源加熱管内的原料氣，使之發(fā)生甲烷轉化反應。随後管間的二段轉化氣(約700℃)離開換熱式一段轉化爐進入混合氣預熱器，再經廢(fèi)熱鍋爐回收熱量(産(chǎn)生3.1MPa的中壓蒸汽供一段轉化爐(lú)用)，溫(wēn)度降至360℃左右的轉化氣出廢熱鍋爐進入變(biàn)換系統，再經脫碳系統送入甲烷化系統，最終經加壓後送至合成塔産(chǎn)氨。

2   正常操作要點

     ①嚴格控制調(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)，防止工藝天然氣發(fā)生析碳事故；②系統加負荷要緩慢，必須按蒸汽、天然氣和空氣的順序調(diào)節，減負荷時則相反；③根據系統不同負荷，調(diào)整引風機轉速，保證方箱式一段轉化爐爐膛上下部溫差在80～100K；④嚴格控制方箱式一段轉化爐出口進對(duì)流段各組換熱器的進口氣體不超溫、不過(guò)熱；⑤嚴格控制脫硫系統進口氣體溫度在360～400℃，保證脫硫系統出口天然氣(qì)中硫質量濃(nóng)度≤0.5mg/m³(标态)；⑥嚴格控制方箱式一段轉化爐(lú)出口氣(qì)體溫度≤800℃，換(huàn)熱式一段轉化爐(lú)出口氣體溫度≤715℃,二段轉化爐出口氣體溫度≤920℃，保證方箱式一段爐(lú)出口氣(qì)體中CH₄體積分數≤8%、換(huàn)熱式一段轉化爐(lú)出口氣體中CH₄體積分數≤16%、二段轉化爐出口氣體中CH₄體積分數≤0.5%；⑦嚴格控制轉化廢(fèi)熱鍋(guō)爐液位在45%～50%，防止出現“幹鍋”和超液位現象；⑧加強巡回檢查，定時用紅外測(cè)溫槍監測(cè)換熱式一段轉化爐及二段轉化爐爐壁溫度並(bìng)嚴格控制在≤80℃；⑨2h觀察1次一段轉化爐燒嘴的燃燒情況，防止發生偏燒、回火等現象，並(bìng)及時調(diào)整燒嘴背壓≤0.25MPa，確(què)保燃燒天然氣(qì)能完全燃燒。

3   故障原因及處理措施

3.1   天然氣(qì)壓縮機(jī)跳閘

     (1)故障及原因：天然氣壓縮機開、停顯示報(bào)警；工藝天然氣流量及壓力突然大幅下降直至爲零，工藝天然氣和蒸汽的混合氣中水碳比大幅上漲；工藝天然氣換熱器後對(duì)流段溫度上升。

     (2)處理措施：全廠(chǎng)緊急停車，切斷工藝空氣並(bìng)控壓(1.0MPa)放空，向二段轉化爐加保護蒸汽；切斷進變(biàn)換系統閥門，並(bìng)打開進變(biàn)換系統前放空閥，系統進入蒸汽降溫狀态。

3.2   引風(fēng)機(jī)跳閘

     (1)故障及原因：方箱式一段轉化爐爐膛由負壓變(biàn)正壓；爐膛溫度迅速下降；爐膛内有火焰從(cóng)爐頂竄出。

     (2)處(chù)理措施：立即切除燃燒天然氣(qì)系統；

雙(shuāng)一段轉化系統工藝流程見(jiàn)圖1：                                                              圖 1   雙一段轉化系統工藝流程

     開始大量減轉化系統負荷，不要作緊急停車處理，同時再度啓動引風機，視爐膛溫度採(cǎi)用燃燒天然氣自燃著(zhe)火(爐膛溫度≥650℃)或點火；若不能啓動引風機，應按緊急停車(chē)處(chù)理。當二段轉化爐進口氣體溫度降至680℃時，切斷(duàn)工藝空氣，在工藝空氣中加保護蒸汽。當(dāng)方箱式一段轉化爐出口氣體溫度降至620～650℃時，切斷(duàn)工藝天然氣，中變(biàn)爐前控壓(≤1.0MPa)放空，同時停運中變(biàn)爐、低變(biàn)爐和甲烷化系統，並(bìng)進行保壓。

3.3  空壓(yā)機(jī)跳閘

     (1)故障及原因：空氣壓縮機開、停顯示報(bào)警；工藝空氣流量迅速下降，工藝空氣換熱器後對(duì)流段溫度上升；二段轉化爐JZ204型催化劑(jì)床層(céng)上部溫度迅速下降。

     (2)處理措施：立即切斷工藝空氣自動閥，現場關閉(bì)工空手動閥及加大保護蒸汽量；通知班長及調度降低轉化系統負荷和換熱式一段轉化爐負荷，控制中變(biàn)爐進口氣體溫度≥300℃；不要作緊急停車處理。

3.4  鍋(guō)爐給(gěi)水泵跳閘

     (1)故障及原因：給水泵或電(diàn)器出現故障；轉化廢(fèi)熱鍋爐液位下降。

     (2)處理措施：啓動備(bèi)用泵；備(bèi)用泵無法啓動時，按工藝天然氣壓縮機跳閘處理步驟作緊急停車(chē)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(fá)打不開或開度不足。

     (2)處理措施：啓用備(bèi)用泵，關閉廢熱鍋爐排污閥，並(bìng)提高汽包蒸汽壓力、降低廢熱鍋爐蒸發量；增加換熱式一段轉化爐負荷，降低進廢熱鍋爐轉化氣溫度；檢修閥門。

3.6  蒸汽帶(dài)水

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

     (2)處(chù)理措施：控制好汽包液位；開大汽包連排閥(fá)開度；2h排淨蒸汽分離器冷凝液1次；採(cǎi)用汽包出口閥控制並(bìng)穩定汽包蒸汽壓力；加大廢熱鍋爐排污流量，調整好爐水質量；降低轉化系統負荷。

3.7   氧化鋅脫(tuō)硫槽出口天然氣(qì)硫含量高

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

     (2)處(chù)理措施：适當(dāng)提高鐵錳粗脫硫槽進口天然氣溫度至380～400℃；加大脫硫系統配氫(qīng)量至工藝天然氣(qì)流量的3%；降低轉化系統負(fù)荷；加大天然氣壓縮機(jī)一段進口和一段出口油水分離器的油水排放量。

3.8   天然氣(qì)析碳

     (1)故障及原因：方箱式一段爐(lú)轉化管受熱不均勻；天然氣(qì)和蒸汽的混合氣(qì)中水碳比＜2.5；方箱式一段爐(lú)轉化管阻力增大；工藝天然氣換(huàn)熱器出口天然氣溫度＞440℃；燃燒天然氣流量過(guò)大，造成方箱式一段轉化爐爐膛溫度過(guò)高；原料氣中高級(jí)烴含量增加；JZ216型轉化催化劑(jì)活性降低；氧化鋅(xīn)(Z929型)脫硫槽出口天然氣(qì)中總硫質量濃(nóng)度＞1.0mg/m³(标态)，引起JZ216型轉化催化劑中毒。

     (2)處(chù)理措施：調(diào)節天然氣和蒸汽的混合氣中水碳比至正常指标；降低燃料天然氣流量，降低方箱式一段轉化爐爐膛溫度及爐膛負壓，以降低鐵錳粗脫硫槽進口天然氣溫度；調(diào)整燒嘴至其物料燃燒完全和爐膛溫度分布均勻；降低轉化系統天然氣負荷，提高天然氣和蒸汽的混合氣中水碳比至5.0～6.0，然後(hòu)提高方箱式一段轉化爐(lú)出口氣體溫度至800℃進(jìn)行燒碳；提高脫硫系統配氫量，以降低氧化鋅脫硫槽出口天然氣中硫質量濃(nóng)度＜0.5mg/m³(标态)。

3.9   方箱式一段轉化爐(lú)出口轉化氣(qì)中CH₄含量偏高

     (1)故障及原因：天然氣(qì)和蒸汽的混合氣(qì)中水碳比低；燃燒天然氣(qì)燃燒不完全或流量偏低，緻使爐(lú)膛溫度偏低；JZ216型轉化催化劑(jì)硫中毒或活性降低；工藝天然氣流量偏大，導(dǎo)緻一段轉化爐出口氣體溫度偏低。

      (2)處(chù)理措施：适當(dāng)提高天然氣和蒸汽的混合氣中水碳比；适當(dāng)調整燃燒氣流量；調整爐膛負壓；降低工藝天然氣流量，提高一段轉化爐出口轉化氣溫度；調整進脫硫系統溫度，防止天然氣析碳或硫含量超标。

3.10   二段轉化爐(lú)出口氣(qì)體中CH₄含量偏高

      (1)故障及原因：二段轉化爐(lú)出口氣體溫度偏低；方箱式一段轉化爐(lú)和換(huàn)熱式一段轉化爐(lú)出口氣體中CH₄含量偏高；來(lái)自混合預熱器的天然氣和蒸汽混合氣在換(huàn)熱式一段轉化爐内走近路，緻使換(huàn)熱式一段轉化爐轉化氣溫度偏低；工藝空氣流量偏小；二段轉化爐JZ204型催化劑(jì)活性降低或中毒；換(huàn)熱式一段轉化爐下部豬尾管破裂。

      (2)處(chù)理措施：提高方箱式一段轉化爐(lú)燃燒天然氣的流量和出口轉化氣溫度，降低其中CH₄含量；降低進(jìn)換(huàn)熱式一段轉化爐流量，提高換(huàn)熱式一段轉化爐出口轉化氣溫度，降低其中CH₄含量；适當提高工藝空氣流量；待停車(chē)檢查換熱式一段轉化爐内天然氣和蒸汽的混合氣有無走近路現象並(bìng)及時更換換熱式一段轉化爐内密封材料；更換換熱式一段轉化爐下部豬尾管；更換二段轉化爐催化劑。

3.11   二段轉化爐(lú)爐(lú)内溫(wēn)度超溫(wēn)

      (1)故障及原因：加入二段轉化爐(lú)爐(lú)内空氣流量過(guò)大，工藝空氣與工藝天然氣流量比＞1.6；方箱式一段轉化爐(lú)出口氣(qì)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(huàn)熱式一段轉化爐(lú)出口氣體CH₄含量偏低、溫(wēn)度偏高；二段轉化爐(lú)JZ204型催化劑(jì)活性差或中毒；空氣分布器損壞(huài)，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(jì)反應放出大量的熱。

       (2)處(chù)理措施：控制工藝空氣(qì)和工藝天然氣(qì)流量比在1.3～1.5；适當(dāng)加大工藝天然氣流量並(bìng)降低工藝空氣流量；降低燃料氣流量和一段轉化爐出口氣體溫度；适當(dāng)降低天然氣和蒸汽的混合氣中水碳比，提高一段轉化爐出口氣體中CH₄含量；增加換(huàn)熱式一段轉化爐(lú)天然氣蒸汽的流量，降低換(huàn)熱式一段爐(lú)出口氣體溫度，提高其中CH₄含量；檢查工藝天然氣壓縮機一段和二段出口氣體是否帶(dài)油水並(bìng)加大分離器排放油水量；關注二段轉化爐壓差(工藝指标＜30kPa)是否超标，從(cóng)而判斷(duàn)二段轉化爐爐拱是否損壞。

4   結語

      以天然氣爲原料的雙一段轉化系統近年來在中型合成氨裝置上已得到廣(guǎng)泛應用，特别是充分利用熱源可減少燃料天然氣耗量，噸(dūn)氨能耗大幅降低。相比原間歇式轉化工藝，噸(dūn)氨天然氣耗降低約200m³(标态)、電耗降低約600kW·h。爲瞭(le)降低合成氨生産成本、增強市場競争力，還必須掌握系統的操作要點及提高事故的判斷處理能力，才能確(què)保系統安全、穩定、長周期運行。