中变生产实践中的几点认识.doc

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中变生产实践中的几点认识
一、生产背景
我公司合成氨系统是联醇流程，生产能力为总氨24万吨/年。两套变换（中低低工艺）分别装填中变触媒90T，上一使用周期分别为3年和4年。因这几年来两套中变触媒使用周期较长，同时受造气工序掺烧高硫煤的影响，触媒层（特别是上段触媒层）粉化严重，触媒存在局部团聚现象，床层阻力大，气体偏流严重，并且局部含有较高硫分。从触媒使用效果来看，尽管触媒使用时间较长，活性依然仍能保持生产需要。但因中变炉床层阻力短期内上升较快，导致系统无法满量生产，并且压缩机二出超压，系统只能降低负荷和超压操作。另外，系统大修更换触媒时，若仍按传统的氧化降温方法，则时间过长（约需6天），变换检修任务成为制约全系统检修的控制点。
二、中变炉加副线、降低床层阻力保证系统满负荷生产
1、中变炉床层阻力上升的原因分析
导致中变炉床层阻力上升的原因有多种，由于我公司床层阻力是在正常生产过程中逐步上升的，可以排除是由于开停车处理不当造成的。结合实际生产过程中半水煤气中H2S的增加及频繁大幅度波动等情况分析，造成中变炉床层阻力上升的主要原因应当是受H2S波动的影响。催化剂硫中毒反应为：
Fe3O4+3H2S+H2=3FeS+4H2O
该反应为可逆反应。随着进口H2S的上升和波动，触媒反复发生中毒反应，部分中变触媒活性组分发生Fe3O4↔FeS之间的转化，由于Fe3O4、FeS二者晶体结构不同，H2S的频繁大幅度波动会造成二者在不同晶体结构之间反复相互转化，导致触媒颗粒严重破碎粉化、强度下降、床层阻力急剧上升，这一影响则为不可逆过程，每次H2S波动都会造成影响。
2、降低中变炉阻力的方法
由生产数据分析，因有低变触媒作为后盾，中变本身对变换率要求不高，且后工序为联醇生产，可承受较高的变换成分。经对中变各段压差进行测试，中变阻力主要集中在上段。我们认为可以利用中变炉上段触媒层装料孔和中段喷水室人孔，给中变炉上段触媒层增加一条副线，使部分煤气不经上段直接进入中段床层，进而降低中变炉床层阻力，而且副线开度可以自由调节。副线投运后，相当于降低了中变上段触媒层的负荷，系统阻力得以部分降低。同时，因为中段触媒层的负荷增加，我们对中变炉温度控制进行了适当调整，原上段触媒层温度控制保持不变，将中段触媒层热点温度适当提高，由原先的430±8℃提至450±8℃，同时适当增加外加蒸汽量，这样在保证上段触媒活性的情况下，提高了中变中段触媒的出力率，经过调整后，中变出口CO成分的控制基本上能与加副线以前保持一致，并且在系统处理气量增加的情况下能保证CO成分的正常调节。
表一：中变炉加副线前后CO成分分析结果（1#）
时间
系统
进口
中变上
段出口
中变
出口
低变
出口
中变上段变换率
中变
变换率
低变
变换率
加副线前
02.8.12
31.8
18.8
10.67
7.14
34.4 %
60.04%
72.4%
02.8.23
32.3
19.9
10.5
7.35
32.02 %
61.8%
72.0%
平均
32.05
19.35
10.59
7.25
33.20 %
60.55%
72.15
加副线后
03.1.08
32.5

11.2
7.65

58.94%
71.03%
03.1.24
32.3

10.89
7.82

59.78%
70.03%
平均
32.4

11.05
7.74

59.34%
70.64%
加副线前后因上段触媒层通过气量发生变化，变换率未作比较。
3、中变炉加副线的可行性分析
①变换炉常用的段间冷激方式有水冷激流程和煤气冷激流程两种。我厂变换炉段间就是使用的水冷激流程，利用水汽化吸收热量来调节进入中、下段触媒层的气体温度。而煤气冷激则和水冷激相似，只不过冷激介质由水改为半水煤气。我们利用中变炉上段触媒层装料孔和中段喷水室人孔，给中变炉上段触媒层增加一条副线，使部分煤气不经上段直接进入中段床层，实际上是相当于在上、中段触媒层之间增加了一条煤气冷激副线，这正和煤气冷激流程一致，因此这一方法是在工艺上是可行的，加副线后冷激流程相当于水冷激和煤气冷激相结合的新流程。
②中变触媒在中低低工艺中使用时，随着时间的延长，受低汽气比和高H2S影响，发生过度还原和H2S中毒粉化的主要集中在上段。在触媒使用后期，部分气体不走活性降低的上段触媒层，对触媒层温度进行适当调整后，中变变换率影响不大，并且能保证CO成分的正常调节。
③我公司中变催化剂装填量较大，且后工序为合成氨联产甲醇工艺，醇氨比控制较高，对变换出口CO成分要求较高（6－8％），部分气体直接进中变炉中段后，不影响成分控制，蒸汽消耗量增加不多就可很稳定的控制CO成分。中变炉加副线后，对后工序生产不会造成影响。
④因为我们所加副线是利用两段人孔，对变换炉设备本身没作任何改动，仅仅是破坏了人孔接口短管处的保温，但我们在副线与变换炉人孔对接时作了充分的考虑，设计了专门的结构，解决了人孔短管保温问题，因此从设备安全角度考虑，该方法也是可行的。

4、加副线示意图
5、副线投运后运行效益分析
2002年9月份中修开车投运中变炉副线投运后，在系统增加4台机气量的情况下，中变炉压差降低，仍能保证变换系统压差降低0.03-0.05MPa。避免了进一步提高变换进口压力造成系统超压带来的严重安全隐患。具体数据见表一。
表二：变换各项压力数据详细对比数据
时 间
负荷（台机）
进口压力MPa
系统压差Mpa
中变压差Mpa
9.10 9：00
13
0.834
0.133
0.101
16：00
16
0.892
0.184
0.134
9.11 10：20
18
0.91
0.223
0.164
投副线 18：30
19
0.924
0.215
0.128
9.15 9：50
19
0.923
0.203
0.123
9.16 8：00
19
0.926
0.214
0.128
9.17 12：20
19
0.926
0.222
0.119
12.13 15：00
19
0.939
0.18
0.113
12.15 12：00
19
0.928
0.176
0.11
12.19 9：00
19
0.939
0.179
0.114
2002年9月份中修前，变换超压力指标0.045MPa运行，成为系统瓶颈。8月份平均台时产量为1.63 t/台时。中变炉副线投运后，在系统压力降低的情况下，台时产量平均达到1.67t/台时，有效的保证了系统在较高负荷下运行。如果不加中变炉副线，唯一的办法只有更换中变触媒才能降低系统阻力，中变炉副线投运后亦相当于延长了中变触媒的使用周期。
三、中变触媒氧化降温、升温还原新操作法
1、传统氧化降温规程
我公司变换中变触媒传统氧化降温规程为：利用大流量的蒸汽将触媒层温度降至250℃以下后，再开罗茨风机向系统配入少量空气，逐步对中变触媒进行氧化，调节蒸汽与空气的比例来控制氧化过程中触媒层温度，若触媒层温度暴涨，则少加或停加空气，用大量蒸汽将温度降下来后再重新加大或恢复空气配比进行氧化。氧化结束后，停止向系统加蒸汽，用空气将触媒层温度降至60℃左右，开中变炉各人孔架排风扇进行强制通风降温，等候扒触媒。整个氧化降温过程从上到下，一段一段依次进行。
2、传统氧化降温规程存在问题
①在传统氧化降温过程中，触媒层阻力较大，降温时又有蒸汽作为调温介质，势必造成中变炉以前系统压力较高，用风机送空气，风机压力低（最高约33Kpa），低压空气难以顺利加入系统。唯一的办法是减小蒸汽加入量，降低中变炉以前压力，使空气顺利加入系统，待触媒层有剧烈的温升反应时再加大蒸汽量，将触媒层温度压下来后再减蒸汽量，而加大蒸汽量势必会导致空气加不进系统，氧化过程停止。这样就存在以下问题：

减蒸汽（便于空气进入氧化触媒） 触媒层氧化超温

温度恢复正常 加大蒸汽量压温（空气量减小或停止致使氧化进度变慢或停止）

整个氧化过程中必然会因为炉温波动幅度较大，频繁存在进行以上所示循环过程，导致氧化时间过长。
②传统氧化降温过程只能按中变炉上中下三段触媒的顺序逐步一段一段的进行，上段氧化结束后，才能氧化中段，依次进入下段。而本次氧化降温因为上段触媒情况较为复杂（阻力大、触媒局部粉化团聚、偏流严重、含硫量高），上段触媒的氧化将占据整个氧化过程的大部分时间，待上段触媒氧化结束后再依次进行中下段触媒的氧化，中下段触媒在较长时间内是在等待氧化降温，由此以来必然会大大延长整个氧化降温时间。
3、新氧化降温操作法
2003年5月，我公司组织年度计划中修，计划中修时间为7天。按照2000年5月份的经验，用传统方法对改造后的Φ4500中变炉触媒进行氧化降温，时间不少于6天，这样，在公司允许的检修时间内根本就无法保证按时完成变换工序的检修任务。
我们经过充分探讨决定：整个触媒层在氧化初期不用风机送空气而用压力较高的仪表空气，以解决系统阻力大空气难以加入的难题；同时利用系统各倒淋对中变炉三段同时通仪表空气，使三段触媒同时氧化，保证在上段触媒氧化结束时，中下段触媒同时氧化结束（或提前氧化结束），从而能大大缩短氧化时间；在三段触媒氧化结束后，再改用脱硫风机送空气进行空气降温。按以上思路操作必然会保证按时完成氧化降温。具体操作方法如下：
①用大流量蒸汽将触媒层温度降至250℃以下后开始向系统通空气氧化触媒；
②开中变炉以前设备倒淋、中变炉上段及中段出口倒淋，同时向中变炉三段通仪表空气氧化触媒（提前配管将仪表空气和中变炉以前设备倒淋、中变炉上段及中段出口倒淋连接），中变炉上段视温升情况用蒸汽加入量调节调节床层温度，中下段用喷水调节温度。
③待加仪表空气所用阀门全开，蒸汽加入量较小且床层温度比较稳定时，开脱硫风机向系统送空气，视温升情况控制风机压力和蒸汽加入量。
④逐步减小蒸汽加入量至全停，加满风机压力向系统大量送空气进行空气降温。
4、新氧化降温操作法的特点
①氧化过程中用仪表空气代替风机所送空气，因仪表空气压力较高，空气加入量基本不受蒸汽加入量的影响，氧化过程比较平稳，不存在上面所述循环过程，即使在床层温度上涨较快蒸汽压温的时候，平稳加入的空气仍能保证氧化过程始终进行。
②三段同时氧化，避免了在上段触媒氧化的同时，中下段触媒处于等待氧化的问题，将三段触媒依次氧化变为同时氧化，可以节约约1/2-2/3的氧化时间。
③尤其适用于内径较大，触媒层中死角较多的炉型。
④因在氧化过程中，中下段需用喷水调节触媒层温度，更换后的触媒不宜回收。
5、对传统升温还原程序加以改进
2003年中修中变触媒升温还原过程中，我们改变了过去一直使用压缩机二出所送半水煤气作为还原介质的方法，将触媒还原初期所用半水煤气改用脱硫风机送，中变炉内装全新触媒，阻力较小，风气送煤气能顺利加入系统。因风机压力较低，操作调节比较容易，煤气加入量调节简单，有效避免了因压缩机二出压力较高，触媒还原初期系统进口阀门较大，难以控制煤气加入量，而触媒还原反应比较灵敏，导致长期以来存在还原温度波动较大，炉温经常超标等问题。在还原后期再倒用压缩机二出半水煤气继续还原，因还原基本结束，温度容易控制。按以上方法操作，在整个还原期间，触媒层温度比较稳定，基本上没有大起大落等波动，还原时间也较过去有明显缩短。
6、新操作法取得的效果
结合我公司更换中变触媒的实际情况：触媒情况复杂、氧化难度大，氧化降温周期长、检修时间短进度紧等问题，我们在中修过程中大胆采用了全新的操作方法，取得了显著的效果。大大缩短了氧化降温和升温还原所用时间，为系统检修赢得了宝贵的时间。2003年11月份大修更换2#变换中变触媒，我们继续采用新操作法，以这次为例，在触媒氧化降温过程中， 2003.11.2日 5:00左右中变上段触媒开始通空气进行氧化，一直到11.8日5：00左右，上段触媒层氧化结束，历时约6天。在上段进行氧化的同时，相继于11.2日 5：00和16：00左右，开始向中变炉中下段同时通空气进行氧化，11.6日1:00 左右，中下段氧化结束，中下段触媒氧化历时约三天半，中下段氧化结束时，上段触媒还在继续氧化。也就是说，如果按以往老方法进行氧化，待上段氧化结束后，还得三天半的时间（共九天半时间）才能将整个触媒全部氧化完毕，而新方法氧化只需六天时间，缩短氧化时间约三天半，有效的保证了检修进度，变换检修任务按预定的时间完成，避免了发生因变换检修任务不能按时完成，导致全厂等候变换开车的局面。间接来说为系统赢得了三天半的生产时间，为企业多创造三天半的经济效益。两次检修相当于节约了约7天的检修时间。
另外使用新还原操作法还原触媒，由整个温度曲线可明显看出效果相当好，温度走势平稳，而且还原结束后，整个床层温度分布比较合理，平面温差较小，反映出触媒没有烧结现象。
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