Cause Analysis and Countermeasures for the Temperature Drop of Process Gas at the Inlet of Methanation Furnace
Abstract：
In connection with the phenomenon that the temperature of the process gas at the inlet of the methanation furnace of the synthetic ammonia unit continues to decrease slowly, the factors affecting the temperature of the process gas at the inlet of the methanation furnace are analyzed. According to the formulated process plan, after the bypass shut-off valve of the heater steam trap of the methanation furnace is replaced online, the temperature of the process gas at the inlet of the methanation furnace returns to normal, and the long-term stable operation of the synthetic ammonia unit is realized.
海洋石油富岛有限公司化肥二部的年产450 kt合成氨、800 kt尿素装置于2003年建成投产。甲烷化炉是合成氨装置净化工序的主要设备，出变换工段的工艺气经冷却分离、CO2吸收塔脱除CO2后，送至甲烷化炉进行进一步的净化处理[1]。从2020年2月7日开始，甲烷化炉入口工艺气温度由282 ℃开始缓慢下降，截至2020年2月14日，最低降至274 ℃。为维持甲烷化炉入口工艺气温度的稳定，打开低温变换炉旁路阀(HV1021)，部分工艺气走低温变换炉旁路直接进入甲烷化炉，以增加反应放热量，通过提高甲烷化炉催化剂床层温度间接提高甲烷化炉入口工艺气温度。该措施虽然稳定了甲烷化炉入口工艺气温度，但导致合成氨装置产量下降、能耗增加。为此，通过分析影响甲烷化炉入口工艺气温度的因素，找出了温度下降的原因，并采取了应对措施。
1
甲烷化炉入口工艺气温度影响因素及下降的原因分析
脱除CO2的工艺气在进入甲烷化炉前，首先与甲烷化炉出口气体在甲烷化炉进出口换热器中换热并被加热，然后进入甲烷化炉加热器，被高压饱和蒸汽加热至282 ℃进入甲烷化炉，甲烷化炉入口工艺气温度由集散控制系统(DCS)上的TIC-1012控制。TIC-1012通过分程方式控制2只阀门，即打开甲烷化炉进出口换热器管程和甲烷化炉开工加热器旁路管线上的阀门(TV-1012A)来降低甲烷化炉入口工艺气温度，打开到甲烷化炉开工加热器的高压蒸汽管线上的阀门(TV-1012B)来提高甲烷化炉入口工艺气温度。TIC-1012开度为100%时，TV-1012A全开；TIC-1012开度为50%时，TV-1012A和TV-1012B全关；TIC-1012开度为0时，TV-1012B全开。正常生产时，TV-1012B的开度在50%以下，否则甲烷化炉加热器的封头容易泄漏，此时会及时调整甲烷化炉加热器疏水器旁路切断阀，使TV-1012B的开度恢复至50%以下。综上所述，影响甲烷化炉入口工艺气温度的因素有甲烷化炉入口工艺气温度指示失真、低温变换炉出口CO及脱碳出口CO2含量下降、TV-1012A、TV-1012B和甲烷化炉开工加热器疏水器旁路切断阀。
1.1
甲烷化炉入口工艺气温度指示失真
仪表方面：联系仪表人员对甲烷化炉入口工艺气温度变送器及热电偶进行全面检查，确认工作均正常。
工艺方面：通过在DCS上调阅历史温度趋势线发现，当甲烷化炉入口工艺气温度下降时，甲烷化炉各催化剂床层的温度均呈下降趋势，与甲烷化炉入口工艺气温度波动的方向一致。这从侧面也证实了甲烷化炉入口工艺气温度显示的是实际值，可以排除甲烷化炉入口工艺气温度指示失真的因素。
1.2
低温变换炉出口CO及脱碳吸收塔出口CO2含量下降
甲烷化炉装填26.2 m3镍催化剂，在甲烷化炉内主要发生以下两个反应：CO+3H2=CH4+H2O和CO2+4H2=CH4+2H2O。上述反应为高活性的放热反应，若低温变换炉出口CO及脱碳吸收塔出口CO2含量下降，则进入甲烷化炉的工艺气中CO和CO2含量也下降，通过反应放出的热量减少，甲烷化炉出口气体温度下降，间接造成甲烷化炉入口工艺气温度下降。检查甲烷化炉入口工艺气温度下降前后(2月7日开始下降) 低温变换炉出口CO及脱碳出口CO2含量数据(见表 1)，数据显示未出现明显的下降趋势，因此可以排除低温变换炉出口CO及脱碳出口CO2含量下降的因素。
表 1
低温变换炉出口CO及脱碳吸收塔出口CO2含量分析数据
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日期 |
低温变换炉出口XCO/% |
脱碳吸收塔出口XCO2/% |
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2020-02-01 |
0.35 |
0.01 |
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2020-02-02 |
0.35 |
0.01 |
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2020-02-03 |
0.36 |
0.01 |
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2020-02-04 |
0.37 |
0.01 |
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2020-02-05 |
0.37 |
0.01 |
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2020-02-06 |
0.37 |
0.01 |
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2020-02-07 |
0.37 |
0.01 |
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2020-02-08 |
0.37 |
0.01 |
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2020-02-09 |
0.37 |
0.01 |
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2020-02-10 |
0.36 |
0.01 |
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2020-02-11 |
0.35 |
0.02 |
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2020-02-12 |
0.35 |
0.01 |
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2020-02-13 |
0.35 |
0.01 |
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2020-02-14 |
0.35 |
0.01 |
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2020-02-15 |
0.35 |
0.01 |
1.3
TV-1012A
打开TV-1012A的作用是降低甲烷化炉入口工艺气温度，正常生产时TV-1012A一直处于关闭状态。为确定阀门的状态，在现场进行了全面检查，确认TV-1012A被关闭，因此可以排除TV-1012A的因素。
1.4
TV-1012B
TV-1012B主要用来控制进入甲烷化炉加热器管程的饱和高压蒸汽的量，进而控制甲烷化炉入口工艺气温度。仪表人员对TV-1012B进行全面检查后，确认TV-1012B的开度与主控显示一致，并且操作准确、可靠，因此可以排除TV-1012B的因素。
1.5
甲烷化炉开工加热器疏水器旁路切断阀
进入甲烷化炉开工加热器管程的高压饱和蒸汽与壳程的工艺气进行换热，热量来源主要是高压饱和蒸汽冷凝时释放出的冷凝潜热，产生的冷凝液经由2只疏水器排出并直接送往脱氧槽。2只疏水器与1根带有切断阀的旁路管线连接，正常生产时由现场操作人员根据TV-1012B的开度来调节该切断阀的开度，保证TV-1012B始终有调节裕度。2020年2月7日，主控发现TV-1012B开度由50%提高至105%，现场将甲烷化炉开工加热器疏水器旁路切断阀的开度从接近全关的位置调节至全开，甲烷化炉入口工艺气温度无明显变化，且脱氧槽的压力也没有任何变化，表明甲烷化炉开工加热器疏水器旁路切断阀出现故障。因此，确认该旁路切断阀故障是引起甲烷化炉入口工艺气温度下降的主要因素。
2
疏水器旁路切断阀故障对甲烷化炉入口工艺气温度影响的分析
现场对甲烷化炉开工加热器疏水器旁路切断阀的故障原因进行确认：现场调节甲烷化炉开工加热器疏水器旁路切断阀，发现切断阀从接近全关的位置到全开，甲烷化炉入口工艺气温度无明显变化，脱氧槽的压力也无任何变化；切断阀从全开的位置到接近全关，甲烷化炉入口工艺气温度和脱氧槽的压力均无任何变化；从接近全关的位置继续关小，甲烷化炉入口工艺气温度迅速降低，脱氧槽压力下降，脱氧槽出口脱盐水温度也出现下降。经反复确认3次，结果均相同，最终确认甲烷化炉开工加热器疏水器旁路切断阀的故障原因是阀芯和阀座受严重冲刷腐蚀所致。疏水器旁路切断阀阀芯和阀座出现严重冲刷腐蚀后，高压蒸汽在甲烷化炉开工加热器管程内的停留时间缩短，高压蒸汽在甲烷化炉开工加热器内冷凝放出的热量减少，甲烷化炉入口工艺气温度也随之降低。
3
应对措施
因合成氨装置处于正常生产状态，必须将甲烷化炉管程完全隔离并泄压后才能更换甲烷化炉开工加热器疏水器旁路切断阀。切除甲烷化炉蒸汽侧有全系统停车和在线处理2种方法，若采用合成氨装置全系统停车处理的方法，直接经济损失将达到200万元，故采用在线处理方式。采用在线更换甲烷化炉开工加热器疏水器旁路切断阀，会对甲烷化炉、脱氧槽、蒸汽系统、分子筛再生加热器和氨蒸塔再沸器等相关单元产生影响，为保证应对措施顺利实施，采用了以下工艺方案。
3.1
甲烷化炉开工加热器切除影响因素
(1) 甲烷化炉入口工艺气温度。由于甲烷化炉入口工艺气升温所需的一部分热量由甲烷化炉开工加热器提供，若切除甲烷化炉开工加热器，甲烷化炉入口工艺气温度会迅速下降。经研究论证，可通过提高甲烷化炉入口工艺气中CO、CO2含量，让更多的CO、CO2在甲烷化炉催化剂床层内发生反应并放出更多的热量，间接提高甲烷化炉入口工艺气温度。打开HV1021、减少脱碳溶液循环量，甲烷化炉入口工艺气中CO、CO2的体积分数可分别提高0.3%、0.02%，甲烷化炉催化剂床层温度相应上升约22.2 ℃。
(2) 脱氧槽。脱氧槽内除氧分为化学除氧和物理除氧，切除甲烷化炉开工加热器、分子筛再生加热器和氨蒸塔再沸器到脱氧槽的蒸汽冷凝液，将造成物理除氧效果变差。为保证脱氧槽除氧效果，可增加脱氧槽低压蒸汽量予以解决。
(3) 蒸汽系统。切除甲烷化炉开工加热器后，甲烷化炉会消耗更多的氢气，合成后系统负荷降低，相应副产的蒸汽量减少，中压蒸汽管网压力下降。为弥补这部分蒸汽损失，可通过提高快锅负荷来实现。
(4) 分子筛再生加热器和氨蒸塔再沸器。正常生产时，分子筛再生加热器和氨蒸塔再沸器的蒸汽冷凝液直接送往脱氧槽。经研究论证，更换甲烷化炉开工加热器疏水器旁路切断阀时，分子筛再生加热器和氨蒸塔再沸器的蒸汽冷凝液采取就地排放的措施。
3.2
甲烷化炉开工加热器切除步骤
(1) 稳定甲烷化炉入口工艺气温度。主控逐渐打开HV1021，阀位开度达到50%左右时，甲烷化炉催化剂床层开始出现明显升温，此时主控逐渐关小TV-1012B；HV1021开度达到90%时，甲烷化炉催化剂床层最高温度达到354 ℃；TV-1012B手动全关后，甲烷化炉入口工艺气温度为284 ℃，并呈现缓慢下降的趋势；主控将HV1021全开至105%，脱碳贫液量由436 t/h降至418 t/h，并适当降低低温变换炉的入口温度，以此提高甲烷化入口工艺气中CO、CO2含量。甲烷化炉入口工艺气温度最终稳定在276 ℃左右，催化剂床层最高温度为341 ℃。
(2) 甲烷化炉开工加热器隔离。现场关闭TV-1012B前的双截止阀、去中压疏水器截止阀，打开TV-1012B前导淋、甲烷化炉开工加热器出口导淋，打开甲烷化炉开工加热器疏水器前导淋泄压。
(3) 氨蒸塔再沸器蒸汽冷凝液就地排放。打开氨蒸塔再沸器疏水器后导淋，关闭后截止阀，氨蒸塔再沸器冷凝液实现就地排放。
(4) 分子筛再生加热器蒸汽冷凝液就地排放。打开分子筛再生加热器就地导淋，关闭疏水器后截止阀及旁路阀，分子筛再生加热器蒸汽冷凝液实现就地排放。
(5) 关闭冷凝液总管去脱氧槽截止阀。
(6) 甲烷化炉开工加热器蒸汽侧泄压、排液，交出检修，更换甲烷化炉开工加热器疏水器旁路切断阀。
4
效果分析
在更换甲烷化炉开工加热器疏水器旁路切断阀前，甲烷化炉入口工艺气温度极不稳定，且一直呈下降趋势。为了防止入口工艺气温度持续下降，采取了调整系统负荷、天然气组分、脱碳系统贫液循环量、脱碳系统半贫液循环量和低温变换炉旁路阀开度等措施，但均未能从根本上解决问题，且装置能耗增大，最终发现甲烷化炉开工加热器疏水器旁路切断阀故障是主要原因。
通过更换甲烷化炉开工加热器疏水器旁路切断阀，甲烷化炉入口工艺气温度稳定在285 ℃，保证了甲烷化炉的稳定运行，同时关闭了低温变换炉旁路阀，达到了节能降耗的目的，确保了生产装置的长周期稳定运行。
沪公网安备 31010702007066号