天然氣蒸汽轉化工藝的設計優化及問題的解決

曹文欣，李清博，帥敏剛

（陜西延長中煤榆林能源化工股份有限公司，陜西 榆林 718500）

陜西延長中煤榆林能源化工股份有限公司（以下簡稱榆能化）一期啟動項目填平補齊工程以煤和天然氣為原料，建設180萬t·a-1甲醇、60萬t·a-1甲醇制烯烴、40萬t·a-1聚丙烯和30萬t·a-1低密度聚乙烯/乙烯-醋酸乙烯聚酯（LDPE/EVA）一體化裝置。為填平補齊工程配套的86980Nm3·h-1天然氣蒸汽轉化裝置，以油田天然氣為原料，采用天然氣脫硫、天然氣飽和、使用預轉化爐和蒸汽轉化爐生產合成氣等先進技術，于2018年9月13日正式動工建設，2020年12月份基本建成并轉入試車，2020年12月27日一次投料成功，產出合格產品氣。

1 天然氣蒸汽轉化裝置的原料及產品指標

天然氣蒸汽轉化裝置主要采用一段蒸汽轉化，在高溫及催化劑的作用下，天然氣和水蒸氣在轉化爐內發生甲烷轉化反應，生產一氧化碳和氫氣[1]。設計負荷為86980Nm3·h-1的天然氣蒸汽轉化裝置，原料指標見表1，產品指標見表2。

表1 天然氣蒸汽轉化裝置的原料指標

表2 天然氣蒸汽轉化裝置產品氣指標

2 設計方案的優化及工藝流程的改進

一期啟動項目配套建設的90440 Nm3·h-1天然氣蒸汽轉化裝置于2014年7月投入運行。運行中存在以下問題：催化劑還原時無高純氫氣供應；異常工況時脫硫系統無法立即補充氫氣以去除原料天然氣中的飽和烯烴并轉化有機硫；鼓風機和引風機的能力不足限制了裝置負荷的提升；轉化爐煙氣出口的氮氧化物含量高，工藝凝液的回收率偏低，燃料DCC干氣過剩放空。在建設填平補齊工程的天然氣蒸汽轉化項目時，根據工藝系統需求，在充分總結一期啟動項目天然氣蒸汽轉化工藝運行經驗的基礎上，對天然氣蒸汽轉化的設計方案及工藝流程進行了針對性的改進和優化。

2.1 將PSA氫氣引入工藝流程

一期啟動項目天然氣蒸汽轉化裝置使用DCC富氫氣對催化劑進行還原。由于DCC富氫氣的純度不高，雜質較多，且氣體組分不穩定，導致催化劑的還原過程不穩定，影響了催化劑的活性及使用壽命。為此在進行填平補齊工程天然氣蒸汽轉化裝置設計時優化了設計流程，將PSA裝置產的低壓高純氫氣引入工藝流程，對催化劑進行還原，既提高了催化劑還原時的穩定性和可靠性，又提升了催化劑的使用壽命及活性。

2.2 增加了馳放氣的互聯互通

針對一期啟動項目甲醇合成裝置發生異常工況時，脫硫系統無氫氣脫硫、存在有機硫超標的風險，填平補齊工程天然氣蒸汽轉化裝置在繼續使用下游甲醇合成裝置馳放氣加氫的設計基礎上，增加了一期啟動項目甲醇合成裝置馳放氣與填平補齊工程甲醇合成裝置馳放氣互聯互通的設計，實現了兩期裝置馳放氣不斷供的目標，可確保脫硫系統持續安全運行，保證催化劑不會出現硫穿透，天然氣蒸汽轉化裝置催化劑的運行周期得以大大延長。

2.3 提升了鼓風機和引風機的能力

一期啟動項目天然氣蒸汽轉化裝置中，鼓風機和引風機的設計能力偏低，制約了裝置負荷的提升，為此填平補齊工程天然氣蒸汽轉化裝置的鼓風機和引風機的能力按正常工況的130%進行設計。正常工況下按照設計流量運行，當提升負荷需要增加鼓風機和引風機的流量時，可逐步提升至最大設計余量運行，以確保裝置可在設計負荷下安全平穩運行。

2.4 增加了脫硝單元

為了降低轉化爐煙氣中氮氧化物的排放值，確保環保達標，將填平補齊工程天然氣蒸汽轉化裝置中的轉化爐燃燒器，改進為氮氧化物排放值為120mg·Nm-3的燃燒器。同時，考慮到未來氮氧化物的排放指標會限定至更低值的發展趨勢，在轉化爐的對流段增設了脫硝單元，以確保轉化爐煙氣的氮氧化物含量可以降至更低的水平。

2.5 增加了換熱器

一期啟動項目天然氣蒸汽轉化裝置中，飽和塔中的工藝凝液與合成汽包的副產蒸汽換熱后用于飽和天然氣并參與反應。由于換熱器的設計值偏小，工藝凝液不能全部被蒸汽加熱并用于飽和天然氣，導致需要額外增加過熱蒸汽參與反應。填平補齊工程天然氣蒸汽轉化裝置中，增加了換熱器中合成汽包的蒸汽量，提高了換熱器的出口溫度，使得工藝凝液的回收量提高至90%，比一期凝液的回收量更高(67%)，由此降低了參與反應的過熱蒸汽的消耗量。

2.6 DCC燃料氣實現互聯互通

在裝置大檢修及開車前后，一期啟動項目天然氣蒸汽轉化裝置中使用的DCC燃料氣要經歷一個需求量不大的工況， DCC燃料氣需放空而導致了浪費。填平補齊工程天然氣蒸汽轉化裝置在設計時優化了流程，在兩期燃料氣管網上增加了DCC燃料氣互聯互通的設計。當兩期中的其中一個天然氣蒸汽轉化裝置出現燃料氣需求下降的情況時，DCC燃料氣會送往另一個裝置，以確保DCC燃料氣得到100%的穩定回收，降低運行成本。

2.7 增加了對流段換熱模塊的分布設計

一期啟動項目天然氣蒸汽轉化裝置中，轉化爐煙囪的煙氣出口溫度設計為161℃。由于轉化爐對流段的熱平衡不足，導致轉化爐煙囪煙氣的出口溫度偏高，并影響了裝置運行負荷的提升。在填平補齊工程天然氣蒸汽轉化裝置中，重新設計了轉化爐對流段模塊的分布，并將煙氣換熱器的出口溫度降低至130℃，最終煙囪煙氣溫度得以在較低的水平運行，裝置可以按照設計負荷平穩運行。

2.8 增加了半回路氮氣循環

天然氣蒸汽轉化裝置在開車升溫階段，要使用氮氣循環并將脫硫床層加熱到足夠溫度時，天然氣才被引入脫硫系統。脫硫床層只有充分脫硫后，天然氣才被引入預轉化爐，但充分脫硫需要多長時間，經常存在不確定性。此時氮氣循環停止，預轉化爐及轉化爐的床層溫度存在下降的情況，甚至會降低至投料溫度以下，需要重新建立氮氣循環，對催化劑進行升溫。另外在脫硫段，氮氣轉換到天然氣的過程中會有短暫的氮氣停滯，這種情況可能導致脫硫預熱器的爐管過熱。為了避免出現這種情況，在填平補齊工程天然氣蒸汽轉化裝置中增加了半回路氮氣循環的設計。在脫硫系統進行天然氣脫硫時，氮氣在預轉化爐及轉化爐中繼續循環，以確保轉化爐及預轉化爐的床層溫度不會降低，避免催化劑的床層溫度降低至投料溫度以下，同時可有效降低脫硫預熱器的爐管過熱的風險。

2.9 縮短了合成塔的開車時間

下游合成裝置的開車過程時間長，期間只有消耗沒有產出，為此盡可能縮短開車時間顯得尤為重要。在開車階段，對合成塔進行中壓蒸汽加熱時存在加熱速率緩慢的情況。在填平補齊工程天然氣蒸汽轉化裝置的設計中，增加了轉化汽包的飽和高壓蒸汽送下游合成裝置合成塔進行加熱的流程，可大大縮短合成塔的開車時間，為后續工藝系統早日產出產品打下良好的基礎。

3 試車中出現的問題及解決措施

3.1 高壓蒸汽管道發生液擊位移

裝置原始開車運行時正處于冬季，零下溫度使得天然氣蒸汽轉化裝置的高壓蒸汽管道放空閥出現了凍住無法動作的情況。在用蒸汽對調節閥閥體進行吹掃解凍，打開放空閥進行蒸汽壓力調節的過程中，高壓蒸汽管道發生了液擊，導致蒸汽管道出現位移，部分管道吊架脫落，為此被迫采用臨時支架進行了固定?，F場排查后發現，液擊原因是高壓蒸汽放空閥設置在低點靠近主蒸汽管道處，因放空閥后的管道低點導淋未打開以保持疏水狀態，導致放空閥后的管道低點存有積水，由此在蒸汽調節閥閥門打開時產生了液擊。為此在停車時，對高壓蒸汽放空調節閥的位置進行了調整，改為設置在靠近消音器的高點，且蒸汽管線低點的疏水導淋保持常開。改造后蒸汽管道運行正常。

3.2 轉化爐對流段高壓蒸汽過熱器模塊頂部的振動偏高

裝置原始開車提升負荷至滿負荷后，出現了對流段高壓蒸汽過熱器模塊頂部的振動偏高的情況，且隨著負荷升高，煙氣量也明顯增加，但95%負荷以下則未見明顯振動。打開模塊回彎側彎頭箱面板觀察，并測量模塊管束的振動（測量值＜1mm·s-1），未發現異常，由此排除了因模塊管束內蒸汽介質振動引起的模塊振動。經過數據計算分析，認為是煙氣與模塊共振引發的振動，考慮采取調整轉化爐的煙氣量，并在模塊頂部進行加固的措施。計劃利用停車的機會，在模塊頂部使用熱軋普通碳素H型鋼進行外殼鋼結構加固，根據實際情況進行切割下料焊接安裝，并設置排水孔。

3.3 轉化爐爐膛煙氣的溫度高

裝置原始開車運行后，出現了轉化爐爐膛出口煙氣的溫度最高點超過聯鎖值，且其余溫度測點全部在報警值以上，轉化爐爐膛的溫度高于設計的情況，對轉化爐爐管、煙道墻及對流段模塊的支撐造成了一定的影響。對轉化爐的爐管進行測溫檢查，發現爐管溫度低于正常值，爐管運行安全。分析工藝運行數據，催化劑運行活性良好，但爐膛溫度高，爐管溫度低，表明爐內煙氣和爐管之間的傳熱低于預期?？紤]采取改進轉化爐的燃燒器、調整轉化爐的水碳比等措施，以改善這一問題。

4 結語

填平補齊工程天然氣蒸汽轉化裝置，采用了與一期啟動項目天然氣蒸汽轉化同一專利商的改進型工藝流程，在設計階段進行查漏補缺，優化了設備及操作流程，天然氣蒸汽轉化裝置項目的建設和試車較為順利，但在裝置的運行方面仍存在一些問題，如轉化爐膛的溫度偏高、轉化爐對流段模塊的振動大等。要實現穩產高產、節能降耗和裝置的安全平穩長周期運行，還有大量的工作要做，在今后的工藝運行操作中，要不斷總結經驗，改進操作，以確保天然氣蒸汽轉化裝置安穩長滿優運行。