100萬t/a甲醇裝置蒸汽加熱爐介紹及開車運行總結(jié)

楊列省，王 輝，王明蘭

(聯(lián)泓(山東)化學(xué)有限公司，山東滕州 277500)

聯(lián)泓(山東)化學(xué)有限公司是以對置式四噴嘴水煤漿加壓氣化生產(chǎn)的水煤氣為原料，經(jīng)變換轉(zhuǎn)換、低溫甲醇洗洗滌、凈化后進(jìn)入合成系統(tǒng)，在合成系統(tǒng)生產(chǎn)出粗甲醇后送入精餾系統(tǒng)，在精餾系統(tǒng)可選擇性生產(chǎn)國標(biāo)級和MTO級精甲醇。

為提高產(chǎn)能、降低消耗，公司于2016年進(jìn)行擴(kuò)能改造項目，建設(shè)三期25 000 m3/h空分項目，并于2017年順利產(chǎn)出合格氧、氮產(chǎn)品。KDON-25000型空分裝置由中國杭汽股份有限公司設(shè)計制造，機(jī)組采用2.5 MPa中壓過熱蒸汽，在鍋爐蒸汽緊張的情況下，利用加熱爐將合成副產(chǎn)的2.5 MPa飽和蒸汽加熱為過熱蒸汽供三期空分使用。在實際運行中，加熱爐出現(xiàn)開車點火困難、真空度波動大、暖管效果差等問題。針對這些問題，對部分位置進(jìn)行優(yōu)化改造。

1 加熱爐流程

2015年，公司在原甲醇合成的基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)改造，以實現(xiàn)年產(chǎn)100萬t/a甲醇的目標(biāo)。2016年，對項目進(jìn)行了投資建設(shè)，合成Ⅱ系統(tǒng)新增加1臺蒸汽過熱爐，利用氫回收系統(tǒng)的尾氣對合成Ⅱ系統(tǒng)副產(chǎn)的部分蒸汽進(jìn)行過熱并送蒸汽管網(wǎng)。2017年擴(kuò)能改造完成，2018年1月加負(fù)荷運行，實現(xiàn)達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)。加熱爐工藝流程見圖1。

圖1 加熱爐工藝流程工藝流程

1.1 蒸汽流程

合成Ⅱ系統(tǒng)汽包(VII5101A/B)出口蒸汽經(jīng)蒸汽自調(diào)閥(PV5104BA)調(diào)整汽包壓力后分成兩路，一路經(jīng)蒸汽切斷閥(HV5111B)去變換工段進(jìn)行過熱，一路經(jīng)加熱爐蒸汽調(diào)節(jié)閥(FV5111B)去蒸汽過熱爐。為防止兩路蒸汽調(diào)整不好造成壓力波動，在HV5111B、FV5111B前設(shè)置了蒸汽放空閥(PV5130B)放空到消音器(XII5104)。飽和蒸汽經(jīng)FV5111B調(diào)整流量后，再經(jīng)過熱爐蒸汽入口切斷閥(XV5176B)進(jìn)入蒸汽過熱爐對流段，初步加熱后進(jìn)入輻射段，輻射段管壁溫度(TI5145A—D、E—H)控制在462 ℃以下，蒸汽經(jīng)加熱爐提溫蒸汽出口溫度(TI5143B)達(dá)到360 ℃以下后經(jīng)加熱爐過熱蒸汽出口閥(XV5174B)送往過熱蒸汽管網(wǎng)。過熱爐蒸汽進(jìn)口閥(XV5176B)后經(jīng)0.3 MPa蒸汽閥(XV5177B)引入0.3 MPa蒸汽，用以預(yù)熱蒸汽過熱爐；出口閥(XV5174B)閥前設(shè)有蒸汽放空閥(XV5173B)，放空到XII5104。

1.2 燃料氣流程

來自燃料氣管網(wǎng)的燃料氣通過自力式調(diào)節(jié)閥燃料氣總閥(PCV5110B)、燃料氣放空閥(PCV5142B)補(bǔ)充新鮮氣后，通過燃料氣放空閥(PV5142B)控制壓力在0.4 MPa以下,然后再分成兩路。一路經(jīng)過主燃料氣調(diào)節(jié)閥(PV5143B)減壓后控制主火管線壓力(PT5143B)為0.15 MPa以下，通過主燃料氣快切閥(XV5142B)、主燃料氣快切閥(XV5143B)后分四路進(jìn)入4個主燃燒器ABCD；另一路經(jīng)過長明燈燃料氣調(diào)節(jié)閥(PV5145B)減壓后控制長明燈管線壓力(PT5145B)達(dá)0.15 MPa，通過長明燈快切閥(XV5148B和XV5150B)后分4路進(jìn)入4個主燃燒器ABCD；兩路燃料氣管線上設(shè)有快速放空閥門(XV5144B和XV5149B)，以保證安全使用。

1.3 空氣流程

空氣經(jīng)鼓風(fēng)機(jī)(CII5106)提升壓力,通過鼓風(fēng)機(jī)出口閥(HV5142B)壓力達(dá)到1.2 kPa進(jìn)入過熱爐上部預(yù)熱段，進(jìn)行空氣預(yù)熱，空氣預(yù)熱器管壁溫度在250 ℃左右，空氣被預(yù)熱后進(jìn)入燃燒器配風(fēng)。燃料氣燃燒后出口氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，對流段底部壓力(PI5148B)經(jīng)煙道自調(diào)閥(PV5148B)控制在-50～-100 Pa。

為保證系統(tǒng)安全，界區(qū)引入0.3 MPa蒸汽，作為消防蒸汽通入加熱爐爐底，部分用于儀表伴熱。低壓氮氣通入燃料氣管線和精餾不凝氣管線，用于置換管線。界區(qū)內(nèi)所有燃料氣在放空和安全閥排放口處被收集后進(jìn)入火炬管網(wǎng)?？諝饬鞒讨饕O(shè)備參數(shù)見表1。

表1 不同工況下的設(shè)計運行參數(shù)

蒸汽加熱爐(FⅡ5101)的自控控制采用BMS系統(tǒng)與DCS操作系統(tǒng)、安全聯(lián)鎖儀表系統(tǒng)SIS相結(jié)合的方式。BMS系統(tǒng)主要作用是現(xiàn)場啟動點火和點長明燈；現(xiàn)場啟動主火分支閥門(XV5146BA～D)。DCS系統(tǒng)主要作用是顯示FⅡ5101系統(tǒng)壓力、溫度、流量等工藝參數(shù)，系統(tǒng)控制和報警；燃燒器的運行狀態(tài)顯示；風(fēng)機(jī)運行狀態(tài)及遠(yuǎn)程啟停。SIS系統(tǒng)主要作用是控制現(xiàn)場氣動開關(guān)閥，啟動停止加熱爐[1]。

FⅡ5101共有4臺燃燒器，每臺燃燒器上有兩套火檢。BMS放置在現(xiàn)場，同時面板上設(shè)有16個按鈕，控制4個點火器的啟停、4個主火的啟停、1個尾氣的啟停。

2 開車前的準(zhǔn)備工作

2.1 開車前的吹掃步驟

加熱爐開車前需吹掃2.5 MPa蒸汽進(jìn)出口管線及暖管蒸汽管線，保證加熱爐、蒸汽管道內(nèi)部的清潔，保證外送2.5 MPa過熱蒸汽的品質(zhì)[2]。

2.1.1 主要操作步驟

暖管前檢查加熱爐方向的各蒸汽閥門狀態(tài)。蒸汽加熱爐飽和蒸汽調(diào)節(jié)閥(FV5111B)前后截止閥打開旁路關(guān)閉，F(xiàn)V5111B閥門關(guān)閉，飽和蒸汽進(jìn)口切斷閥(XV5176)打開；加熱爐過熱蒸汽出口切斷閥(XV5174)關(guān)閉，切斷閥后的手閥關(guān)閉；加熱爐出口放空閥(XV5173B)全開。

蒸汽吹掃前必須充分暖管，防止發(fā)生水擊現(xiàn)象，注意做好疏水。過程中要做好管線檢查，多巡檢管線情況，并做好溫度檢測。前后溫差不可過大，溫度升至100 ℃前，尤其要控制好暖管速率。暖管期間，要有專人負(fù)責(zé)，保證暖管安全，尤其是第一次暖管時。

開始暖管時，應(yīng)及時通知調(diào)度，先把飽和蒸汽切斷閥(XV5176B)打開，再打開FV5111B的前后截止閥，根據(jù)暖管溫度壓力變化開FV5111B。升溫吹掃過程中，通過FV5111B開度來控制吹掃升溫速率及吹掃蒸汽用量。對比外送蒸汽量(FT5102B)和去加熱爐蒸汽量(FT5144B)，避免FT5144B波動較大，減少對變換的影響。去加熱爐的蒸汽量無論增減都需提前聯(lián)系調(diào)度后調(diào)節(jié)。

2.1.2 溫度控制原則

暖管升溫速率≤10 K/h，升壓速率為0.1～0.3 MPa/min。管道吹掃時，蒸汽壓力低于工作壓力(2.5 MPa)。暖管結(jié)束后，吹掃壓力緩慢升至0.5 MPa，壓力維持2 h后緩慢升壓至1.0 MPa，壓力維持2 h，再繼續(xù)緩慢升至1.5 MPa，壓力穩(wěn)定2 h。吹掃過程中吹掃蒸汽流速不應(yīng)低于30 m/s。自然降溫后，用鐵錘輕敲管道，讓管道內(nèi)壁上的鐵銹等雜質(zhì)脫落。

按照以上方法暖管、升溫升壓、吹掃，如此重復(fù)多次，直至靶板檢驗合格。在吹掃過程中，各部位觀測操作的人員要認(rèn)真巡視管道的工作狀況，記錄管道滑動支架熱位移的尺寸，重點檢查固定支架是否牢固，導(dǎo)向支架、滑動支架是否能自由位移滑動。發(fā)現(xiàn)問題時，應(yīng)立即向指揮人員報告。

2.1.3 吹掃合格標(biāo)準(zhǔn)

吹掃質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行GB 50235—2010《工業(yè)金屬管道工程施工及驗收規(guī)范》中的規(guī)定：“靶片上痕跡大小在0.6 mm以下，痕深小于0.5 mm，粒數(shù)為1個/cm2，吹掃時間為15 min(連續(xù)兩次皆合格)。”共同檢驗鋁板靶片，合格后在吹掃記錄表上簽字，吹掃工作結(jié)束。

2.1.4 安全注意事項

吹掃結(jié)束后緩慢關(guān)閉FV5111B，直至完全關(guān)閉，做好管道疏水工作，并關(guān)閉其前后截止閥。在拆除靶板時，應(yīng)將吹掃蒸汽臨時手動閥門關(guān)嚴(yán)，同時掛上禁止工作牌，以免誤操作傷人。吹管期間,有關(guān)部位要劃定禁區(qū)，無關(guān)人員不得進(jìn)入，尤其是不加保溫的管道及其排汽口，要注意防止?fàn)C傷。排汽口前方應(yīng)標(biāo)明足夠范圍的禁區(qū)，并樹立明顯標(biāo)記，排汽口不得正對建筑物，并派專人監(jiān)視，與控制室保持密切聯(lián)系。作業(yè)人員工作時,應(yīng)使用隔熱手套和適合的工具，防止?fàn)C傷。作業(yè)人員嚴(yán)格穿戴勞保用品，登高作業(yè)要系好安全帶。

3 開車過程中遇到的問題及優(yōu)化改造

3.1 蒸汽暖管優(yōu)化

在FⅡ5101點火之前需要對蒸汽進(jìn)出口管線進(jìn)行暖管。加熱爐進(jìn)口蒸汽閥門后原設(shè)計有一條0.3 MPa蒸汽管線對管線進(jìn)行升溫，蒸汽品質(zhì)約為139 ℃。但在實際使用過程中，由于管道較長,熱損失增加,同時加熱爐內(nèi)蒸汽盤管布局有低點，冬天爐內(nèi)盤管存有冷凝水積存,會產(chǎn)生管線液擊現(xiàn)象。為避免這一現(xiàn)象，將暖管熱源由0.3 MPa蒸汽改為1.27 MPa蒸汽，提高預(yù)熱蒸汽溫度。

3.2 開車點火優(yōu)化

由于FⅡ5101為首次點火開車，點火操作需要摸索進(jìn)行。為保證點火過程安全，可采用多次數(shù)、多吹掃小閥位的方式，控制室內(nèi)操和現(xiàn)場外操緊密配合，不能單純依靠控制室火檢信號顯示，同時也要進(jìn)行現(xiàn)場觀察，防止出現(xiàn)假信號。

首先，在長明燈點火操作前，一定要控制好加熱爐爐內(nèi)負(fù)壓，通過控制加熱爐頂部PV5148的蝶閥開度來調(diào)節(jié)爐內(nèi)負(fù)壓為-50 Pa左右。爐內(nèi)負(fù)壓過低，爐內(nèi)空氣從底部向上流速過快，在點火時容易吹滅長明燈。

其次，現(xiàn)場人員按下長明燈點火按鈕后，另外一人聽到爐內(nèi)有“啪啪啪”的電擊打火聲音后，將相應(yīng)的長明燈燃料氣球閥打開至總開度的1/3～1/2。開度過小，即使點著也容易被風(fēng)吹滅；開度過大，不容易點著。現(xiàn)場每點火成功1個長明燈，PV5145B閥后壓力會迅速降低，此時等待自調(diào)閥調(diào)節(jié)完畢，閥后壓力恢復(fù)并穩(wěn)定后，再對角開啟下一個長明燈，以此類推。防止自調(diào)閥跟蹤不及時，導(dǎo)致PV5145B閥后燃料氣供氣不足，已經(jīng)點火成功的長明燈熄滅[3]。

3.3 燃料氣管網(wǎng)優(yōu)化

加熱爐配燒燃料氣原設(shè)計采用合成新鮮氣或天然氣。采用天然氣需利用廠外天然氣公司配置管線，管道長、投資大、不經(jīng)濟(jì)。采用合成新鮮氣配燒,管線較短，但需通過減壓閥調(diào)整高壓管線至低壓。此方法仍然缺乏經(jīng)濟(jì)性，故未采用。根據(jù)合成裝置的特點，采用華東理工大學(xué)開發(fā)的“管殼外冷絕熱復(fù)合式固定床催化反應(yīng)器”，操作壓力為4.5～5.3 MPa，合成溫度為220～260 ℃。合成反應(yīng)需要釋放部分弛放氣，維持合成反應(yīng)壓力，弛放氣進(jìn)入氫回收后回收大部分CO、H2等有效氣體，以及大部分CO2、CH4、N2非滲透氣進(jìn)入火炬管網(wǎng)燃燒放空。根據(jù)氣體組分及熱量計算，將此部分氣體并入燃料氣管網(wǎng)配燒是完全可行的。為提高燃料氣整體熱值，將合成膨脹槽產(chǎn)生的部分膨脹氣通過控制閥送入燃料氣管網(wǎng)。通過燃料氣管網(wǎng)的優(yōu)化，回收利用有效氣體，提升了經(jīng)濟(jì)效益。燃料氣管網(wǎng)氣體組分見表2。

表2 燃料氣管網(wǎng)氣體摩爾分?jǐn)?shù) %

3.4 停車保護(hù)優(yōu)化

合成加熱爐停車后，蒸汽管線內(nèi)會在彎頭或低點處形成積水，開車時暖管易造成液擊現(xiàn)象，影響生產(chǎn)安全。長時間累積，以及空氣、死氣匯集，會加快設(shè)備腐蝕，影響設(shè)備使用壽命。采用膠皮管臨時管充氮氣，會發(fā)生漏氣或崩開現(xiàn)象，造成人員窒息。所以配一路氮氣引至加熱爐飽和蒸汽管線上吹掃管線內(nèi)積水，并進(jìn)行氮氣氣封保護(hù)。

改造后效果如下：

(1)管線內(nèi)積水吹掃徹底后，降低了開車時暖管難度，也避免了液擊現(xiàn)象的發(fā)生。

(2)采用氮氣氣封后，既防止積水，也防止空氣及死氣累積，減緩腐蝕，延長設(shè)備使用壽命。

(3)采用固定管，保障氮氣使用安全，避免人員傷害。

4 操作中的注意事項

4.1 火嘴燃燒的控制

加熱爐事故大多數(shù)是因燃燒控制不當(dāng)引起的，必須加強(qiáng)維護(hù)和管理。要求火焰形狀穩(wěn)定，火焰不應(yīng)觸及任何管壁，燃燒處的燃料壓力和溫度應(yīng)適當(dāng)，爐內(nèi)所有的火嘴應(yīng)燃燒均勻，應(yīng)通過風(fēng)門、擋板調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)目諝饬縼肀３肿罴训娜紵隣顟B(tài)。如果過剩空氣系數(shù)過大，熱效率就會降低，風(fēng)量過大，火焰容易熄滅。如果過?？諝庀禂?shù)太小，則燃燒不完全，CO未燃燒完就會存在加熱爐和煙氣總管發(fā)生二次燃燒的危險[4]。

4.2 火焰的辨別及調(diào)節(jié)

跳動且明亮的綠色火焰，代表燃燒良好；拉長的綠色火焰一般代表空氣過量；光亮發(fā)飄的火焰一般代表空氣不足?；鹧嫦缫话闶浅榱^大、負(fù)壓太大造成，可適當(dāng)調(diào)整負(fù)壓；火嘴堵塞也可造成熄滅，應(yīng)卸下進(jìn)行清理。如果發(fā)生回火，一般是抽力不足，應(yīng)增加負(fù)壓；空氣量不足，也會造成回火，應(yīng)適當(dāng)增加空氣量；燃料氣壓力大幅度波動，燃料氣帶液等也會引起回火。

4.3 爐膛壓力的控制

爐膛壓力應(yīng)始終保持負(fù)壓。造成爐膛壓力高的原因主要有過?？諝饬刻蟆煹罁醢彘_度不夠、對流室積垢嚴(yán)重等。

4.4 爐管表面溫度控制

爐管壁溫是衡量爐管表面受熱強(qiáng)度的重要參數(shù)。對于定型爐管來說，壁溫超高，意味著爐管使用壽命的縮短，也容易導(dǎo)致管內(nèi)油品結(jié)焦，使?fàn)t管壓降增加，甚至燒壞爐管。爐管表面溫度通過爐管表面熱電偶的測量進(jìn)行檢查。

5 結(jié)語

蒸汽加熱爐的投用，為汽輪機(jī)驅(qū)動源提供了有效保障，減少了鍋爐高壓蒸汽的浪費，同時回收利用有效氣體，對公司節(jié)能、降耗、減排均有明顯積極作用。