焦炉气制甲醇装置中A TR仪表设计浅谈

2011-01-12余博

石油化工自动化 2011年2期

余博

(东华工程科技股份有限公司,合肥 230024)

0 引言

自热式转化炉(ATR)主要用于甲醇装置和合成氨装置中合成气的制取。在焦炉气制甲醇装置中采取ATR技术,主要目的为提高工艺气转化率,制取更多的合成气,提高产能。采用纯氧自热式部分氧化转化制合成气,与蒸汽转化法工艺采用转化炉辐射段间接加热的结构形式不同,只需采用体积较小的加热炉和转化炉,而不需一段转化炉;反应速度快,利于强化生产,燃料气消耗低,焦炉气利用率高。反应所需热量由CH4和 H2的燃烧提供,出口温度高,副产蒸汽更多。

由于ATR流程中工艺气属于易燃易爆气体,参与反应的O2又属于助燃气体,反应的压力为2.0～4.0 MPa,转化炉出口工艺气温度在900～1 100℃左右,因此需要较高的安全仪表系统来保障设备的安全运行和人身安全。

1 工艺流程简述

氧气经换热器加热至100～200℃,再从ATR转化炉顶部烧嘴进入炉膛;焦炉气脱硫后经过饱和塔增湿,进入加热炉,将增湿焦炉气加热到400～500℃后,从纯氧转化炉侧面进入。在炉膛内焦炉气与氧气混合并燃烧,再经催化剂床层反应后生成转化气,再进入下游压缩单元后到甲醇合成塔制取粗甲醇。ATR流程如图1所示。

2 仪表选型

2.1 温度测量仪表

该工艺中主要有进/出转化炉工艺气温度、氧气管线温度需要测量。进转化炉工艺气温度达400～500℃,可采用 K型热电偶;出转化炉工艺气温度达900～1 100℃,应采用S型热电偶;氧气温度测量主要在进/出氧气换热器管线上,均采用热电阻Pt100。

图1 ATR工艺流程

温度仪表一般考虑采用带外套管的铠装热电阻或热电偶,套管材质不低于管道材质。其中与氧气介质接触的温度计套管需考虑耐氧化性的材质,需禁油脱脂处理。对于工艺气出口的高温介质,温度计套管需要考虑抗氧化性较好和耐高温的材料,可选用镍基合金等,常用的如Inconel 600等。

在测量纯氧转化炉出口温度时需注意温度计套管选材和插入深度,出口管道内工艺气温度很高,工业炉选用的管道结构较为复杂,内层采用刚玉砖,外层采用耐压高温钢,在耐压高温钢外面还有水夹套管,因此在设计及选型时需与工业炉专业沟通好,应在管道上预埋温度计安装接管,安装接管需穿过水夹套、耐压高温钢及刚玉砖,可采用密封套管,也可采用敞开套管,敞开套管需采用抗氧化性较好和耐高温的材料。温度计套管的插入深度需考虑伸出工业炉配套的敞开套管50～100 mm即可。

2.2 压力测量仪表

该工艺流程中主要有进/出转化炉工艺气压力、进/出氧气换热器氧气管线压力和差压、进转化炉工艺气和氧气差压、中压蒸汽压力需要测量。

一般情况下,集中压力检测的仪表采用智能型压力(差压)变送器。压力仪表比较常用,需要注意与氧气介质接触的变送器应做禁油脱脂处理。在选用介质为氧的变送器填充液时需采用惰性液,如卤代烃。

进转化炉氧气和焦炉气差压测量安装时需注意不能采用三阀组,防止氧气和焦炉气两介质串气引起爆炸。

2.3 流量测量仪表

该工艺流程中主要有进ATR氧气流量、进氧气换热器蒸汽流量及进ATR保护蒸汽流量,其均可采用标准孔板配流量差压变送器测量,进ATR夹套水流量可采用转子流量计。对于冷氧流量用孔板测量时,节流元件材质需注意,建议采用Monel 400或Inconel 600。

2.4 液位测量仪表

该工艺流程中主要为A TR夹套水位测量及液位开关。液面小于1 500 mm,液位测量可采用浮筒液位计。水夹套的液位开关可采用浮筒式液位开关。

2.5 阀门仪表

阀门仪表作为ATR的控制和联锁的最终执行元件,在工艺控制中很重要。主要有氧气管线上的冷氧调节阀、冷氧切断阀、冷氧放空切断阀、热氧上游放空调节阀、热氧上游切断阀、热氧下游放空切断阀、热氧下游切断阀、进氧气换热器蒸汽调节阀、进ATR蒸汽保护调节阀、ATR夹套液位调节阀。

对于冷氧调节阀,可采用普通的单座阀,在阀体和阀内件的选材上,需考虑氧气的温度、压力和流速,工艺管道材质为304不锈钢,但不能简单地考虑阀体采用304,需根据氧气管道系统规范,选用该温度、压力和流速下对应的材质,但是在实际选型中,由于采用的是globe阀,流经阀芯的氧气流速可能无法计算,这就需要咨询相关阀门厂家。此阀要求在开车工况下应可调,开车工况流量比正常工况流量低很多,因此阀门的可调比应尽可能大,能满足开车工况。

蒸汽选用套筒阀,阀内组件至少为不锈钢。氧气切断阀,按工艺要求选用快速切断阀,一般采用球阀,其泄漏量等级至少为ANSI ClassⅤ,采用硬密封。所配电磁阀要求采用可靠的、满足装置的安全等级,一般不低于SIL2,可采用ASCO直动式隔爆电磁阀。氧气切断阀根据工艺要求,开关时间有一定要求,氧气主管线上切断阀从全开到全关要求2～3 s,氧气管线放空阀从全关到全开要求2～3 s。采用弹簧返回气缸式执行机构,保证在故障情况下,阀门处于安全的故障位置。对于纯氧介质阀门,阀门材质可参照《OXYGEN PIPELINE SYSTEMS IGC Doc 13/02/E GLOBALL Y HARMONISED DOCUMENT》文件选型,该工艺系统的氧气切断阀阀体材质首选Monel合金或Inconel合金。

2.6 控制系统

系统主要包括DCS和SIS。针对ATR部分的DCS可以和整个装置一致,无特别要求,可满足生产、监控、优化与管理需要。

A TR的SIS要求也和整个装置一致。建议采用进口产品,所供产品应有在类似装置上的使用业绩。系统安全等级应得到 SIL3认证,所有 I/O卡、CPU单元和继电器等也必须得到SIL3认证。系统应具有毫秒级事件故障报警功能(SOE),系统扫描速度应小于200 ms,以便对系统本身和过程发生的每一个故障,或导致过程停车的因素都能及时地和按实际发生的时间记录下来。系统必须具有完备的冗余、容错技术,所有设备和部件必须为冗余容错结构。

3 复杂控制

在ATR中有一个复杂控制回路——氧/碳比与ATR出口温度控制回路,是一个前馈控制,需要考虑ATR出口温度的滞后对氧气流量调节的影响。

该控制回路不是简单的温度串级控制回路,氧气流量的变化与A TR进口的工艺气流量和ATR出口温度有关,是一个既有前馈控制又有反馈控制的复杂控制回路,需要氧气流量与工艺气流量的合理匹配才不会引起ATR出口温度的大幅度波动,确保A TR工艺在操作过程中负荷变化时的平稳操作,减少工艺气流量变化导致ATR转化炉出口温度过高而引起的ATR和整个装置的联锁跳车。具体的控制回路如图2所示。

图2 氧/碳比与ATR出口温度控制回路

该控制回路:a)A TR出口温度控制器输出0～100%作为因数;b)最大允许的氧气与工艺气比乘以ATR出口温度控制器的输出因数,即得到氧/碳比,因为氧/碳比高,会导致A TR联锁跳车,因此在设定最大氧/碳比时一定要注意,这样才能保证氧气流量的调节在合理的范围内;c)需要的氧气流量,根据氧/碳比乘以工艺气流量得到,作为氧气流量给定值送给氧气流量的控制器。