双一段转化系统事故分析及处理

罗来和

1   工艺流程 

     某合成氨装置转化系统采用天然气和蒸汽双一段转化流程。工艺天然气和蒸汽按水碳比3.25(±10%调节)混合后分别送入方箱式一段转化炉(由燃烧天然气提供热源)和换热式一段转化炉(由二段高温转化气提供热源)，2股一段转化气汇合后进入二段转化炉；燃烧天然气送至方箱式一段转化炉顶部烧嘴燃烧，经对流段各组换热器进行换热后，由引风机抽出排放。工艺天然气经对流段工艺天然气换热器加热至约380℃后进入脱硫系统，先经过铁锰脱硫催化剂(SHT-512C型)粗脱硫，然后经氧化锌精脱硫剂(Z929型)精脱硫。经精脱硫后的天然气与蒸汽按水碳比3.25(±10%调节)混合后分成2股：一股进入对流段天然气蒸汽换热器加热至450～530℃后，再进入方箱式一段转化炉炉管内进行甲烷转化反应；另一股进入混合气预热器中预热至520℃，再进入换热式一段转化炉的转化管内进行甲烷转化反应。这2台转化炉的转化气汇合后进入二段转化炉，使未转化的甲烷继续转化；同时，向二段转化炉内送入一定量的空气，使空气中的氧气与转化气中的氢气发生燃烧反应，放出大量的热，并且控制转化气中氢氮比以满足合成氨的工艺需要。出二段转化炉的工艺气进入换热式一段转化炉的管间，作为热源加热管内的原料气，使之发生甲烷转化反应。随后管间的二段转化气(约700℃)离开换热式一段转化炉进入混合气预热器，再经废热锅炉回收热量(产生3.1MPa的中压蒸汽供一段转化炉用)，温度降至360℃左右的转化气出废热锅炉进入变换系统，再经脱碳系统送入甲烷化系统，最终经加压后送至合成塔产氨。

2   正常操作要点

     ①严格控制调节工艺天然气和蒸汽混合气中水碳比在3.25(±10%调节)，防止工艺天然气发生析碳事故；②系统加负荷要缓慢，必须按蒸汽、天然气和空气的顺序调节，减负荷时则相反；③根据系统不同负荷，调整引风机转速，保证方箱式一段转化炉炉膛上下部温差在80～100K；④严格控制方箱式一段转化炉出口进对流段各组换热器的进口气体不超温、不过热；⑤严格控制脱硫系统进口气体温度在360～400℃，保证脱硫系统出口天然气中硫质量浓度≤0.5mg/m³(标态)；⑥严格控制方箱式一段转化炉出口气体温度≤800℃，换热式一段转化炉出口气体温度≤715℃,二段转化炉出口气体温度≤920℃，保证方箱式一段炉出口气体中CH₄体积分数≤8%、换热式一段转化炉出口气体中CH₄体积分数≤16%、二段转化炉出口气体中CH₄体积分数≤0.5%；⑦严格控制转化废热锅炉液位在45%～50%，防止出现“干锅”和超液位现象；⑧加强巡回检查，定时用红外测温枪监测换热式一段转化炉及二段转化炉炉壁温度并严格控制在≤80℃；⑨2h观察1次一段转化炉烧嘴的燃烧情况，防止发生偏烧、回火等现象，并及时调整烧嘴背压≤0.25MPa，确保燃烧天然气能完全燃烧。

3   故障原因及处理措施

3.1   天然气压缩机跳闸

     (1)故障及原因：天然气压缩机开、停显示报警；工艺天然气流量及压力突然大幅下降直至为零，工艺天然气和蒸汽的混合气中水碳比大幅上涨；工艺天然气换热器后对流段温度上升。

     (2)处理措施：全厂紧急停车，切断工艺空气并控压(1.0MPa)放空，向二段转化炉加保护蒸汽；切断进变换系统阀门，并打开进变换系统前放空阀，系统进入蒸汽降温状态。

3.2   引风机跳闸

     (1)故障及原因：方箱式一段转化炉炉膛由负压变正压；炉膛温度迅速下降；炉膛内有火焰从炉顶窜出。

     (2)处理措施：立即切除燃烧天然气系统；

双一段转化系统工艺流程见图1：                                                              图 1   双一段转化系统工艺流程

     开始大量减转化系统负荷，不要作紧急停车处理，同时再度启动引风机，视炉膛温度采用燃烧天然气自燃着火(炉膛温度≥650℃)或点火；若不能启动引风机，应按紧急停车处理。当二段转化炉进口气体温度降至680℃时，切断工艺空气，在工艺空气中加保护蒸汽。当方箱式一段转化炉出口气体温度降至620～650℃时，切断工艺天然气，中变炉前控压(≤1.0MPa)放空，同时停运中变炉、低变炉和甲烷化系统，并进行保压。

3.3  空压机跳闸

     (1)故障及原因：空气压缩机开、停显示报警；工艺空气流量迅速下降，工艺空气换热器后对流段温度上升；二段转化炉JZ204型催化剂床层上部温度迅速下降。

     (2)处理措施：立即切断工艺空气自动阀，现场关闭工空手动阀及加大保护蒸汽量；通知班长及调度降低转化系统负荷和换热式一段转化炉负荷，控制中变炉进口气体温度≥300℃；不要作紧急停车处理。

3.4  锅炉给水泵跳闸

     (1)故障及原因：给水泵或电器出现故障；转化废热锅炉液位下降。

     (2)处理措施：启动备用泵；备用泵无法启动时，按工艺天然气压缩机跳闸处理步骤作紧急停车处理。

3.5   汽包液位低

     (1)故障及原因：给水泵故障；自动加水阀打不开或开度不足。

     (2)处理措施：启用备用泵，关闭废热锅炉排污阀，并提高汽包蒸汽压力、降低废热锅炉蒸发量；增加换热式一段转化炉负荷，降低进废热锅炉转化气温度；检修阀门。

3.6  蒸汽带水

     (1)故障及原因：汽包液位过高、波动太大，控制液位不当；蒸汽分离器未排净冷凝水；蒸汽管网的蒸汽压力波动大；废热锅炉炉水中盐含量偏高，水的沸点上升产生汽液共沸现象；汽包或分离器除沫器损坏；方箱式一段转化炉进口及换热式一段转化炉进口气体温度迅速下降。

     (2)处理措施：控制好汽包液位；开大汽包连排阀开度；2h排净蒸汽分离器冷凝液1次；采用汽包出口阀控制并稳定汽包蒸汽压力；加大废热锅炉排污流量，调整好炉水质量；降低转化系统负荷。

3.7   氧化锌脱硫槽出口天然气硫含量高

     (1)故障及原因：铁锰脱硫槽进口天然气温度＜360℃，有机硫未脱除；管网天然气中总硫含量突然增高；脱硫系统加氢量不足，有机硫未转换成无机硫；铁锰脱硫剂活性降低；天然气中夹带油水。

     (2)处理措施：适当提高铁锰粗脱硫槽进口天然气温度至380～400℃；加大脱硫系统配氢量至工艺天然气流量的3%；降低转化系统负荷；加大天然气压缩机一段进口和一段出口油水分离器的油水排放量。

3.8   天然气析碳

     (1)故障及原因：方箱式一段炉转化管受热不均匀；天然气和蒸汽的混合气中水碳比＜2.5；方箱式一段炉转化管阻力增大；工艺天然气换热器出口天然气温度＞440℃；燃烧天然气流量过大，造成方箱式一段转化炉炉膛温度过高；原料气中高级烃含量增加；JZ216型转化催化剂活性降低；氧化锌(Z929型)脱硫槽出口天然气中总硫质量浓度＞1.0mg/m³(标态)，引起JZ216型转化催化剂中毒。

     (2)处理措施：调节天然气和蒸汽的混合气中水碳比至正常指标；降低燃料天然气流量，降低方箱式一段转化炉炉膛温度及炉膛负压，以降低铁锰粗脱硫槽进口天然气温度；调整烧嘴至其物料燃烧完全和炉膛温度分布均匀；降低转化系统天然气负荷，提高天然气和蒸汽的混合气中水碳比至5.0～6.0，然后提高方箱式一段转化炉出口气体温度至800℃进行烧碳；提高脱硫系统配氢量，以降低氧化锌脱硫槽出口天然气中硫质量浓度＜0.5mg/m³(标态)。

3.9   方箱式一段转化炉出口转化气中CH₄含量偏高

     (1)故障及原因：天然气和蒸汽的混合气中水碳比低；燃烧天然气燃烧不完全或流量偏低，致使炉膛温度偏低；JZ216型转化催化剂硫中毒或活性降低；工艺天然气流量偏大，导致一段转化炉出口气体温度偏低。

      (2)处理措施：适当提高天然气和蒸汽的混合气中水碳比；适当调整燃烧气流量；调整炉膛负压；降低工艺天然气流量，提高一段转化炉出口转化气温度；调整进脱硫系统温度，防止天然气析碳或硫含量超标。

3.10   二段转化炉出口气体中CH₄含量偏高

      (1)故障及原因：二段转化炉出口气体温度偏低；方箱式一段转化炉和换热式一段转化炉出口气体中CH₄含量偏高；来自混合预热器的天然气和蒸汽混合气在换热式一段转化炉内走近路，致使换热式一段转化炉转化气温度偏低；工艺空气流量偏小；二段转化炉JZ204型催化剂活性降低或中毒；换热式一段转化炉下部猪尾管破裂。

      (2)处理措施：提高方箱式一段转化炉燃烧天然气的流量和出口转化气温度，降低其中CH₄含量；降低进换热式一段转化炉流量，提高换热式一段转化炉出口转化气温度，降低其中CH₄含量；适当提高工艺空气流量；待停车检查换热式一段转化炉内天然气和蒸汽的混合气有无走近路现象并及时更换换热式一段转化炉内密封材料；更换换热式一段转化炉下部猪尾管；更换二段转化炉催化剂。

3.11   二段转化炉炉内温度超温

      (1)故障及原因：加入二段转化炉炉内空气流量过大，工艺空气与工艺天然气流量比＞1.6；方箱式一段转化炉出口气体中CH₄含量低、温度偏高；天然气与蒸汽混合气中水碳比偏高；换热式一段转化炉出口气体CH₄含量偏低、温度偏高；二段转化炉JZ204型催化剂活性差或中毒；空气分布器损坏，空气分布不均匀，喷嘴空气燃烧不完全，引起空气中氧与催化剂反应放出大量的热。

       (2)处理措施：控制工艺空气和工艺天然气流量比在1.3～1.5；适当加大工艺天然气流量并降低工艺空气流量；降低燃料气流量和一段转化炉出口气体温度；适当降低天然气和蒸汽的混合气中水碳比，提高一段转化炉出口气体中CH₄含量；增加换热式一段转化炉天然气蒸汽的流量，降低换热式一段炉出口气体温度，提高其中CH₄含量；检查工艺天然气压缩机一段和二段出口气体是否带油水并加大分离器排放油水量；关注二段转化炉压差(工艺指标＜30kPa)是否超标，从而判断二段转化炉炉拱是否损坏。

4   结语

      以天然气为原料的双一段转化系统近年来在中型合成氨装置上已得到广泛应用，特别是充分利用热源可减少燃料天然气耗量，吨氨能耗大幅降低。相比原间歇式转化工艺，吨氨天然气耗降低约200m³(标态)、电耗降低约600kW·h。为了降低合成氨生产成本、增强市场竞争力，还必须掌握系统的操作要点及提高事故的判断处理能力，才能确保系统安全、稳定、长周期运行。