第41卷第1期廣州化工Vol 41 No. 12013年1月Guangzhou Chemical IndustryJanuary 2013合成氣裝置工藝氣廢熱鍋爐出口溫度變化原因探討陳玉萍(中石化揚(yáng)子石化有限公司芳烴廠,江蘇南京210048)摘要:使用天然氣為原料經(jīng)蒸汽轉(zhuǎn)化法聯(lián)產(chǎn)一氧化碳及氫氣時(shí),國內(nèi)外多套類似裝置的工藝氣廢熱鍋爐在運(yùn)行初期出現(xiàn)了出口工藝氣溫度不斷上升的現(xiàn)象,分析其主要原因?yàn)楦邷匾鸬膲A金屬離子及硅的流失,提出了解決方法。關(guān)鍵詞:廢熱鍋爐;溫度;堿金屬離子流失;硅流失中圖分類號(hào):TE64文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B文章編號(hào):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年新建了一套合成氣裝置,使用天然氣為原鍋爐給水、轉(zhuǎn)化氣;合成氣裝置廢鍋設(shè)計(jì)總進(jìn)料量分別為料聯(lián)產(chǎn)氫氣、一氧化碳及羰基合成氣。其中蒸汽轉(zhuǎn)化技術(shù)由荷133092.7kg/h;操作壓力為殼程4.%6MPa、管程3.23MPa蘭 TECHNIP公司提供,蒸汽轉(zhuǎn)化爐出口設(shè)計(jì)了一臺(tái)工藝氣廢操作溫度為殼程264,管程910/320℃:熱負(fù)荷為49.866MW;熱鍋爐(以下簡稱廢鍋),用于回收高溫轉(zhuǎn)化氣熱量并產(chǎn)生高換熱面積為493.3m2;傳熱系數(shù)為4365W/m2K;管子尺寸為壓蒸汽。裝置投產(chǎn)初期廢鍋運(yùn)行穩(wěn)定,各項(xiàng)工藝指標(biāo)與設(shè)計(jì)值38×3.2×7300mm,582根,呈正三角形排列,其結(jié)構(gòu)示意相吻合。然而隨裝置運(yùn)行時(shí)間的推移廢鍋出口工藝氣溫度出現(xiàn)如圖1。又恢復(fù)正常,其后隨運(yùn)行時(shí)間的推移再次緩慢上升,對裝置的2運(yùn)行狀況安全長滿優(yōu)運(yùn)行造成隱患。1合成氣裝置廢鍋簡介11月8日-11日100%負(fù)荷性能測試內(nèi)冷卻后工藝氣轉(zhuǎn)化爐出口20日汽混合物去汽∞cn月3日-5日B1520聯(lián)鎖停車耐火村里汽包來爐水式5二圖1轉(zhuǎn)化氣廢鍋結(jié)構(gòu)示意圖A18668d77合成氣裝置廢鍋是蒸汽轉(zhuǎn)化爐的一部分,結(jié)構(gòu)為管殼式換中國煤化工一化曲線熱器,水平布置在蒸汽轉(zhuǎn)化爐工藝氣出口,通過上升管和下降CNMHG管與汽包相連,形成汽水自然循環(huán)。殼程和管程的流體分別為作者簡介:陳玉萍(1977-),女,主要從事化工操作管理第41卷第1期陳玉萍:合成氣裝置工藝氣廢熱鍋爐出口溫度變化原因探討151合成氣裝置自2011年11月11日完成性能測試投入正常運(yùn)行后,廢鍋出口工藝氣溫度持續(xù)上升,換熱效果下降。出口溫3原因分析度變化曲線如圖2,停車后廢鍋管束結(jié)垢情況及清洗后表面圖如圖3。3.1耐火襯里損壞停車后換熱管口出現(xiàn)的少量耐火襯里碎粒,原因在于轉(zhuǎn)化爐出口冷壁集氣管采用耐火襯里進(jìn)行內(nèi)保溫,當(dāng)耐火襯里受到損傷,其中所含的硅、鋁粉塵將從耐火襯里逸出,最后沉積在工藝氣廢鍋的換熱管中,導(dǎo)致其管程側(cè)出口溫度增加。如耐火襯里破損嚴(yán)重時(shí),大塊脫落的耐火材料將堵塞管束,阻止氣體通過管束,降低管束導(dǎo)熱性能。3.2堿金屬離子流失合成氣裝置耐火材料中的堿離子如鉀、鈉等含量控制在較低濃度,但鈉、鉀離子在高溫下可轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氫氧化物(鈉約823℃、鉀約976℃)。轉(zhuǎn)化氣通過廢熱鍋爐時(shí),這些氣態(tài)氫氧化物將又被轉(zhuǎn)換成碳酸鹽沉積為固體,形成的Na2CO3和K2CO3成為纖維狀絕熱體。兩種堿金屬離子對氧化鋁耐火材料都可以產(chǎn)生負(fù)面影響導(dǎo)致氧化鋁耐火材料形成裂紋或破裂。堿金屬離子與活性氧化鋁反應(yīng)生成:[Na2O·11A42O3]或[K2O·11A12O3]。鈉可通過以下幾種方式進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐(1)工藝蒸汽,換熱器泄漏爐水竄入蒸汽;(2)爐水加藥系統(tǒng)(如磷酸三鈉);圖3廢鍋管束結(jié)垢情況及清洗后表面圖(3)新催化劑,非堿性催化劑的載體材料中;(4)耐火材料澆注時(shí)使用的水中。經(jīng)交流,發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外多套同類裝置都存在類似問題。圖4鉀進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐的原因與鈉相似,但最大來源來自于轉(zhuǎn)化催是某同類合成氣裝置廢鍋出口工藝氣溫度變化趨勢DCS截圖?；瘎?。轉(zhuǎn)化爐管中裝填有含鉀催化劑,催化劑中所含鉀是為了表1為該裝置停車時(shí)所取廢鍋內(nèi)去除積碳后結(jié)垢分析結(jié)果。阻止碳在爐管及催化劑中沉積,其在正常運(yùn)行時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)流失速度逐漸減少直至壽命到期。如果轉(zhuǎn)化爐溫度大幅度變化將加快鉀從催化劑中的流失,而轉(zhuǎn)化爐溫高于設(shè)計(jì)溫度運(yùn)行或由于燒嘴調(diào)整不均造成部分爐管超溫運(yùn)行也會(huì)加速鉀的流失,流失的鉀將在工藝氣廢鍋管束中隨溫度下降與水蒸汽形成纖維狀K2CO3,導(dǎo)致鍋爐結(jié)垢33硅流失2轉(zhuǎn)化工藝蒸汽中含有一定量的SiO2。轉(zhuǎn)化爐出口冷壁管及廢鍋入口腔體普遍采用耐火襯里作內(nèi)保溫,轉(zhuǎn)化催化劑也使用硅作為載體,在高溫下(>900℃),硅將會(huì)發(fā)生以下反應(yīng):圖4某合成氣裝置廢鍋出口工藝氣溫度變化SiO2+H2=Si0 +H20表1廢鍋內(nèi)去除積碳后結(jié)垢組成分析在合成氣裝置該反應(yīng)通常會(huì)出現(xiàn)在出口總管中,因?yàn)榇颂帨囟雀咔铱偰突鸩牧媳砻娣e大。此現(xiàn)象在制氫裝置很少出現(xiàn)是目單位含量由于制氫裝置出口溫度低,出口總管內(nèi)表面積小。SiO是一種22.9eKAG氣體,當(dāng)轉(zhuǎn)化氣通過廢鍋管束溫度降低時(shí)又將變回SiO2,沉積為絕熱纖維影響熱傳遞。由于裝置停車降壓時(shí)該絕熱纖維往往%()被吹至下游設(shè)備,很難在停車后的廢鍋中發(fā)現(xiàn)。3.4積碳{33143轉(zhuǎn)化爐的操作沒有達(dá)到做優(yōu)化操作條件,或者催化劑中不含碳酸鉀,將在爐管內(nèi)形成積碳,也會(huì)轉(zhuǎn)移至廢熱鍋爐影響傳熱效果。3.5磷酸鹽結(jié)垢mg/kg如果鍋爐水的磷酸鹽濃度太高,磷酸鹽可能發(fā)生反應(yīng)在鍋爐管束表面產(chǎn)生側(cè))沉淀,這種中國煤化工面及其他地方(水二將改變爐水中pH247值、磷酸鹽濃度CNMHG沉淀將造成爐水結(jié)垢,減少換熱器殼程的熱交換。當(dāng)使用磷酸鹽處理鍋爐水時(shí),磷酸鹽濃度不得超過平衡濃度,磷酸鹽最大濃度大約應(yīng)該是平152廣州化工2013年1月衡濃度的一半對用作轉(zhuǎn)化爐主要燃料的冷箱吹掃氣作燃料回路進(jìn)行模擬參照以上原因分析對比制氫裝置與合成氣裝置操作條件,計(jì)算,設(shè)計(jì)出冷箱吹掃氣熱值模型,利用模型根據(jù)冷箱中所有可看出合成氣裝置轉(zhuǎn)化爐出口溫度高是造成兩者運(yùn)行情況差異排放閥開度實(shí)時(shí)計(jì)算出吹掃氣熱值,同時(shí)對燃燒控制系統(tǒng)進(jìn)行的主要原因。運(yùn)行溫度高造成所流失的堿金屬離子及硅在低溫改造,將吹掃氣熱值引入到燃燒控制系統(tǒng)中,使燃燒控制系統(tǒng)時(shí)形成垢層,降低了廢鍋的換熱效果,從而造成廢鍋出口工藝可以根據(jù)吹掃氣流量和熱值的變化而自動(dòng)調(diào)整補(bǔ)充燃料氣的流氣溫度逐漸升高量,降低吹掃氣波動(dòng)對轉(zhuǎn)化爐溫的影響。通過優(yōu)化投用了轉(zhuǎn)化系統(tǒng)所有復(fù)雜控制回路,實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)化系統(tǒng)自適應(yīng)、全自動(dòng)運(yùn)4解決措施行。優(yōu)化前后爐溫對比如圖5所示,從圖5可以看出,爐溫波4.1調(diào)整發(fā)汽系統(tǒng)操作,控制系統(tǒng)中的鈉離子濃度動(dòng)情況有明顯改善。4.3在廢鍋工藝氣入口及出口增加注水降溫管線2010年11月16日開始停止在爐水中添加磷酸三鈉,降低系統(tǒng)中的鈉離子含量。由于磷酸三鈉主要用于防止鍋爐結(jié)垢,廢鍋換熱效果下降原因復(fù)雜,通過優(yōu)化操作能減緩結(jié)垢速為了降低汽包結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn),將廢鍋定排頻率由每天1次改為度,但由于催化劑中鉀的流失、蒸汽中S02的流失,催化劑及2次,每次排污時(shí)間15min,經(jīng)過一周的觀察,蒸汽、爐水、耐火材料破損、積碳等影響,換熱效果隨運(yùn)行時(shí)間的推移始終工藝凝液中鈉離子含量明顯下降。2011年8月10日裝置停車呈下降趨勢,為保證其出口溫度不超過下游鍋爐給水預(yù)熱器的消缺時(shí)打開廢鍋殼程觀察孔,檢查發(fā)現(xiàn)換熱管束外壁無任何垢設(shè)計(jì)溫度(370℃),在廢鍋工藝氣入口及出口增加了注水降層,目前的操作方法能阻止廢鍋水側(cè)垢層的產(chǎn)生。溫管線,以保證裝置的長周期運(yùn)行。4.2投用轉(zhuǎn)化爐燃燒控制系統(tǒng),穩(wěn)定轉(zhuǎn)化爐爐溫,5結(jié)論降低催化劑中鉀的流失速度通過對造成轉(zhuǎn)化爐工藝氣廢熱鍋爐出口溫度變化原因進(jìn)行分析,調(diào)整了發(fā)汽系統(tǒng)操作,降低了爐水中的鈉離子含量,結(jié)合儀表和控制,有效解決了爐溫波動(dòng)的問題,降低了催化劑中鉀的流失速度,同時(shí)在廢鍋工藝氣側(cè)入口及出口增加了注水降優(yōu)化前溫管線,增加了在線處理超溫的措施,保證了裝置的長周期運(yùn)b-優(yōu)化后參考文獻(xiàn)1]羅玉長氧化鋁水合物中的Na2O及煅燒過程的行為[J]無機(jī)鹽工業(yè),1995,27(1):7[2]張振伍火管式轉(zhuǎn)化廢鍋出口溫度緩升原因探討[J]石油和化工設(shè)備,2006(3):33-34圖5吹掃氣優(yōu)化前后爐溫波動(dòng)趨勢[3]張曉暉布朗裝置轉(zhuǎn)化廢鍋出口溫度緩升原因探討[J].化肥設(shè)計(jì),2003(3):37-3844444給M(上接第143頁)[2]劉衛(wèi),劉洪福加工高硫低酸原油常減壓蒸餾裝置管道設(shè)計(jì)選材結(jié)語[冂].煉油技術(shù)與工程,2003(9):43-44.加工劣質(zhì)原油的常減壓裝置,除選用合適的管道材料進(jìn)行3]粟雪勇蒸餾裝置煉制高硫含酸原油的腐蝕與防護(hù)[石油化工腐蝕與防護(hù),2009,26(S1):69-72材料防腐之外,還應(yīng)完善“一脫三注”等工藝防腐措施,并對[4]金蘭.常減壓裝置的腐蝕與防護(hù)措施[刀.廣州化工,200,37(7)易腐蝕部位的管道采用定點(diǎn)測厚、腐蝕探針等方法定時(shí)監(jiān)測管162-165道材料的腐蝕情況,以確保裝置的長期安全運(yùn)行5]馮永超.常減壓蒸餾裝置減壓系統(tǒng)管道設(shè)計(jì)[J].化工設(shè)計(jì),200919(5):22-25參考文獻(xiàn)[6]劉洪福加工含硫原油重點(diǎn)裝置主要管道設(shè)計(jì)選材導(dǎo)則[S]北京:[1]朱希平常減壓蒸餾腐蝕類別及防腐[J].遼寧化工,2011(12):中國石化出版社,2003l317-1321中國煤化工CNMHG