雙一段轉化系統(tǒng)事故分析及處理

羅來和

1   工藝流程 

     某合成氨裝置轉化系統(tǒng)采用天然氣和蒸汽雙一段轉化流程。工藝天然氣和蒸汽按水碳比3.25(±10%調節(jié))混合后分別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股一段轉化氣匯合后進入二段轉化爐；燃燒天然氣送至方箱式一段轉化爐頂部燒嘴燃燒，經對流段各組換熱器進行換熱后，由引風機抽出排放。工藝天然氣經對流段工藝天然氣換熱器加熱至約380℃后進入脫硫系統(tǒng)，先經過鐵錳脫硫催化劑(SHT-512C型)粗脫硫，然后經氧化鋅精脫硫劑(Z929型)精脫硫。經精脫硫后的天然氣與蒸汽按水碳比3.25(±10%調節(jié))混合后分成2股：一股進入對流段天然氣蒸汽換熱器加熱至450～530℃后，再進入方箱式一段轉化爐爐管內進行甲烷轉化反應；另一股進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內進行甲烷轉化反應。這2臺轉化爐的轉化氣匯合后進入二段轉化爐，使未轉化的甲烷繼續(xù)轉化；同時，向二段轉化爐內送入一定量的空氣，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，并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，作為熱源加熱管內的原料氣，使之發(fā)生甲烷轉化反應。隨后管間的二段轉化氣(約700℃)離開換熱式一段轉化爐進入混合氣預熱器，再經廢熱鍋爐回收熱量(產生3.1MPa的中壓蒸汽供一段轉化爐用)，溫度降至360℃左右的轉化氣出廢熱鍋爐進入變換系統(tǒng)，再經脫碳系統(tǒng)送入甲烷化系統(tǒng)，最終經加壓后送至合成塔產氨。

2   正常操作要點

     ①嚴格控制調節(jié)工藝天然氣和蒸汽混合氣中水碳比在3.25(±10%調節(jié))，防止工藝天然氣發(fā)生析碳事故；②系統(tǒng)加負荷要緩慢，必須按蒸汽、天然氣和空氣的順序調節(jié)，減負荷時則相反；③根據系統(tǒng)不同負荷，調整引風機轉速，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流段各組換熱器的進口氣體不超溫、不過熱；⑤嚴格控制脫硫系統(tǒng)進口氣體溫度在360～400℃，保證脫硫系統(tǒng)出口天然氣中硫質量濃度≤0.5mg/m³(標態(tài))；⑥嚴格控制方箱式一段轉化爐出口氣體溫度≤800℃，換熱式一段轉化爐出口氣體溫度≤715℃,二段轉化爐出口氣體溫度≤920℃，保證方箱式一段爐出口氣體中CH₄體積分數≤8%、換熱式一段轉化爐出口氣體中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加強巡回檢查，定時用紅外測溫槍監(jiān)測換熱式一段轉化爐及二段轉化爐爐壁溫度并嚴格控制在≤80℃；⑨2h觀察1次一段轉化爐燒嘴的燃燒情況，防止發(fā)生偏燒、回火等現(xiàn)象，并及時調整燒嘴背壓≤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   天然氣壓縮機跳閘

     (1)故障及原因：天然氣壓縮機開、停顯示報警；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，向二段轉化爐加保護蒸汽；切斷進變換系統(tǒng)閥門，并打開進變換系統(tǒng)前放空閥，系統(tǒng)進入蒸汽降溫狀態(tài)。

3.2   引風機跳閘

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

     (2)處理措施：立即切除燃燒天然氣系統(tǒng)；

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

     開始大量減轉化系統(tǒng)負荷，不要作緊急停車處理，同時再度啟動引風機，視爐膛溫度采用燃燒天然氣自燃著火(爐膛溫度≥650℃)或點火；若不能啟動引風機，應按緊急停車處理。當二段轉化爐進口氣體溫度降至680℃時，切斷工藝空氣，在工藝空氣中加保護蒸汽。當方箱式一段轉化爐出口氣體溫度降至620～650℃時，切斷工藝天然氣，中變爐前控壓(≤1.0MPa)放空，同時停運中變爐、低變爐和甲烷化系統(tǒng)，并進行保壓。

3.3  空壓機跳閘

     (1)故障及原因：空氣壓縮機開、停顯示報警；工藝空氣流量迅速下降，工藝空氣換熱器后對流段溫度上升；二段轉化爐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閥，現(xiàn)場關閉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(tǒng)負荷和換熱式一段轉化爐負荷，控制中變爐進口氣體溫度≥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；轉化廢熱鍋爐液位下降。

     (2)處理措施：啟動備用泵；備用泵無法啟動時，按工藝天然氣壓縮機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；自動加水閥打不開或開度不足。

     (2)處理措施：啟用備用泵，關閉廢熱鍋爐排污閥，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  蒸汽帶水

     (1)故障及原因：汽包液位過高、波動太大，控制液位不當；蒸汽分離器未排凈冷凝水；蒸汽管網的蒸汽壓力波動大；廢熱鍋爐爐水中鹽含量偏高，水的沸點上升產生汽液共沸現(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，調整好爐水質量；降低轉化系統(tǒng)負荷。

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(tǒng)加氫量不足，有機硫未轉換成無機硫；鐵錳脫硫劑活性降低；天然氣中夾帶油水。

     (2)處理措施：適當提高鐵錳粗脫硫槽進口天然氣溫度至380～400℃；加大脫硫系統(tǒng)配氫量至工藝天然氣流量的3%；降低轉化系統(tǒng)負荷；加大天然氣壓縮機一段進口和一段出口油水分離器的油水排放量。

3.8   天然氣析碳

     (1)故障及原因：方箱式一段爐轉化管受熱不均勻；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，造成方箱式一段轉化爐爐膛溫度過高；原料氣中高級烴含量增加；JZ216型轉化催化劑活性降低；氧化鋅(Z929型)脫硫槽出口天然氣中總硫質量濃度＞1.0mg/m³(標態(tài))，引起JZ216型轉化催化劑中毒。

     (2)處理措施：調節(jié)天然氣和蒸汽的混合氣中水碳比至正常指標；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(tǒng)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，然后提高方箱式一段轉化爐出口氣體溫度至800℃進行燒碳；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量濃度＜0.5mg/m³(標態(tài))。

3.9   方箱式一段轉化爐出口轉化氣中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，致使爐膛溫度偏低；JZ216型轉化催化劑硫中毒或活性降低；工藝天然氣流量偏大，導致一段轉化爐出口氣體溫度偏低。

      (2)處理措施：適當提高天然氣和蒸汽的混合氣中水碳比；適當調整燃燒氣流量；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(tǒng)溫度，防止天然氣析碳或硫含量超標。

3.10   二段轉化爐出口氣體中CH₄含量偏高

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

      (2)處理措施：提高方箱式一段轉化爐燃燒天然氣的流量和出口轉化氣溫度，降低其中CH₄含量；降低進換熱式一段轉化爐流量，提高換熱式一段轉化爐出口轉化氣溫度，降低其中CH₄含量；適當提高工藝空氣流量；待停車檢查換熱式一段轉化爐內天然氣和蒸汽的混合氣有無走近路現(xiàn)象并及時更換換熱式一段轉化爐內密封材料；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   二段轉化爐爐內溫度超溫

      (1)故障及原因：加入二段轉化爐爐內空氣流量過大，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；換熱式一段轉化爐出口氣體CH₄含量偏低、溫度偏高；二段轉化爐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化爐出口氣體溫度；適當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；增加換熱式一段轉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；關注二段轉化爐壓差(工藝指標＜30kPa)是否超標，從而判斷二段轉化爐爐拱是否損壞。

4   結語

      以天然氣為原料的雙一段轉化系統(tǒng)近年來在中型合成氨裝置上已得到廣泛應用，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。相比原間歇式轉化工藝，噸氨天然氣耗降低約200m³(標態(tài))、電耗降低約600kW·h。為了降低合成氨生產成本、增強市場競爭力，還必須掌握系統(tǒng)的操作要點及提高事故的判斷處理能力，才能確保系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、長周期運行。