预转化催化剂失效对甲醇装置的影响及对策
熊华敏
（中海石油建滔化工有限公司，海南 东方572600）
［摘 要］ 介绍预转化催化剂失效对甲醇装置预转化炉、转化炉及换热盘管的影响，通过采取用旁路阀调节温度、减负荷、减少转化炉燃料气量、降低烟气中氧含量、增加原料气中的蒸汽量、增加减温水量、减少转化炉烟气量等一系列的调节措施，将更换预转化催化剂的时间延长至检修期，确保了装置的安全、稳定运行。
［关键词］ 甲醇装置；预转化催化剂；失效；预转化炉；转化炉；盘管；影响；应对措施
［中图分类号］ TQ 223.12+1 ［文献标志码］ B ［文章编号］ 1004-9932（2017）01-0042-03
由于预转化工艺原料适应性广，能够将进料中的重组分分解成轻组分，增加系统生产能力，减小转化炉规格，保护转化管和催化剂，同时可从烟气中回收大量废热，改善整个工艺系统的热效率，因此目前已广泛应用于合成氨、甲醇合成气制备等化工领域。
中海石油建滔化工有限公司二期甲醇装置采用英国DAVY工艺技术，以天然气为原料，设计日产2 500 t精甲醇。受工艺操作条件的影响，预转化催化剂使用寿命短，只有1 a多时间，更换频繁。为取得更好的经济效益，一般选择在停车检修时更换催化剂，如果预转化催化剂寿命到期时间与检修时间不一致，预转化催化剂失效后，预转化炉的热负荷逐渐减少，转化工段的热平衡发生改变，会导致部分工艺参数大幅度改变，而此时装置仍需继续运行，为确保装置的安全、稳定，必须采取有效的措施进行调节。
1 转化系统工艺流程简介
天然气通过换热器E101和E04预热至365 ℃后进入加氢反应器，其中的有机硫转化为无机硫，接着进入氧化锌脱硫槽，脱除气体中的H2S，最终进入精脱硫槽，将总硫降至10×10-9以下。脱硫合格的天然气进入饱和塔，获得部分蒸汽，出饱和塔后，再次补充部分蒸汽，调节水碳比至2.8，天然气与蒸汽的混合气进入换热盘管E03-2/1加热至575 ℃后进入预转化炉，天然气中的高碳烃和部分CH4与蒸汽发生反应，生成CO、CO2、H2。预转化炉出口混合气进入盘管E02-2/1，加热至630 ℃后进入转化炉，天然气中剩余的CH4与蒸汽发生反应，生成CO、CO2、H2。出转化炉的转化气进入废热锅炉，产生饱和高压蒸汽，饱和高压蒸汽进入盘管E01-2/1加热变成过热高压蒸汽。出废热锅炉的高温转化气余热被进一步利用，最终温度降至40 ℃，经压缩机增压至7.8 MPa后进入合成工段生产甲醇。转化系统工艺流程见图1。
转化炉为顶烧式，辐射段炉膛内共有448根转化管，分成8排，每排56根转化管，管长14 m，原料气自上而下流动；共有144个烧嘴，分成9排，每排16个烧嘴。对流段烟道入口处有8个辅助烧嘴，正常生产时辅助烧嘴处于停用状态，保持一定的漏风量用来冷却烧嘴，辅助烧嘴后共有8组盘管，分别用来加热高压蒸汽、原料气、燃烧空气，其中盘管E03-2、E02-2、E05有旁路阀，分别用于调节预转化炉入口温度、转化炉入口温度、转化炉燃烧空气温度；对流段出口设有引风机，通过调节引风机转速调节转化炉炉膛压力。
2 预转化催化剂失效对系统的影响
预转化炉入口操作温度570 ℃、操作压力2.2 MPa、水碳比3.0～3.1。在预转化炉中，原料天然气中约2%（摩尔分率）的高级烃全部转化为CO、CO2、H2，同时也将部分CH4转化成CO、CO2、H2，由于为吸热反应，预转化炉出口气体温度降至490 ℃，进、出口温差约80 ℃。原料气从预转化炉上部进、下部出，转化反应首先发生在上层催化剂层内，但随着上层催化剂逐渐失活，反应逐渐向下层催化剂层转移，当反应穿透催化剂床层时，预转化炉出口温度逐渐上涨，进、出口温差减小，热量后移；当预转化炉进、出口温差从80 ℃降至46 ℃时，部分设备已经接近或超过最大允许操作条件，此时主要工艺参数变化及影响如下。
（1）预转化炉出口温度从493 ℃升至522 ℃，出口气体热量增加约4.52 MW。
（2）转化炉入口温度从618 ℃增至最大允许操作温度630 ℃，为防止温度继续上升，打开转化炉进口盘管E02-2的旁路阀，通过降低E02-2的热负荷来消除多余的热量，但是打开旁路阀会导致通过E02-2的原料气量减少，在入口温度升高和流量减少双重因素的影响下，盘管E02-2出口气体温度升至618 ℃，而设备最大允许操作温度为630 ℃。
（3）盘管E02-2热负荷下降约2.8 MW，其出口烟气温度上升16 ℃，对流段下游的预转化炉进口盘管E03-2入口烟气温度上升11 ℃。为控制盘管E03-2的热负荷，打开其旁路阀，由于通过盘管的原料气减少，盘管E03-2出口气体温度升至498℃，而设备最大允许操作温度为495℃。
（4）由于原料气从对流段烟气中吸热量减少，盘管E01-2、E304、E305入口烟气温度上涨，3组盘管热负荷均有所增加，最终对流段出口烟气温度上升7 ℃，排烟热损失增加0.96 MW。
（5）由于转化炉入口温度升高12 ℃，转化催化剂的活性变好，更多原料气在转化管上部发生反应，上部吸收更多热量，转化管下部的反应减弱，下部吸收的热量减少，导致转化管下部管壁温度上涨约10 ℃，影响转化管的使用寿命。
（6）预转化系统对转化催化剂和转化管起保护作用［1］，在预转化催化剂失效后，其保护作用减弱，高碳烃和更多的CH4进入下游工段，使得转化炉负荷和热负荷增加，转化催化剂析碳的可能性增加，转化管管壁温度升高。
3 应对措施
预转化催化剂完全失效时，预转化炉进、出口温差只有约15 ℃，随着温差的持续减小，设备超温情况逐渐加重，须采取以下应对措施。
3.1 通过旁路阀调节温度
关小脱硫系统原料气预热器E101-1/2的旁路阀，降低盘管E03-2进口原料气温度；开大盘管E03-2旁路阀，降低预转化炉入口温度；开大盘管E02-2旁路阀，控制转化炉入口温度不超过630 ℃；同时，加强转化管管壁温度检测，精心调节转化炉烧嘴，防止转化管超温。
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