制氢装置转化炉炉管压降升高原因分析及对策

安金海，孟庆学，王象会，张新光

(正和集团股份有限公司，山东 东营 257300)

某公司制氢装置，建设规模为10000Nm3/h的工业氢，2006年11月投产，装置分为原料气压缩、原料气精制、轻烃水蒸气转化、中温变化、PSA以及余热回收等几部分组成，转化炉采用2排管，共48根，炉管材质为25Cr25N-iNb-MA，炉管有效长度12.8 m，设计温度950℃，加工原料为焦化干气，天然气作为备用原料，采用某公司的转化催化剂，单管催化剂装填高度为12.8 m，其中A剂装填高度6.4 m，B剂装填高度6.4 m，总装剂量4.8 m3，合计5.04t。该催化剂为2016年7月检修期间更换，已运行12个月。催化剂的物化性质如表1所示。

表1 转化催化剂物化性质表

全厂低压电出现晃电，制氢装置锅炉上水泵、转化炉鼓风机、引风机、酸性水泵、空冷等低压电机全部停运。晃电后，现场立即启动事故应急预案，操作工按预案要求赴现场紧急启动机泵。在启动机泵过程中，又间断性发生五次低压电晃电事故，两台锅炉上水泵都未能恢复正常运行，导致锅炉V4003液位持续下降，十五分钟后锅炉干锅，制氢装置按照紧急停工处理。系统N2置换合格后，装置重新开工，在升温升压过程中发现转化炉炉管压降过高，经处理未能恢复到理想状况，被迫停工更换催化剂。针对转化炉炉管压降升高问题，公司组织了专题分析，现将分析情况及制定的对策说明如下。

1 制氢转化炉管压降升高过程

制氢锅炉上水泵P4002A因频繁晃电停运，上水流量指示回零，操作人员到现场紧急抢开锅炉上水泵，锅炉上水泵经过连续三次开启，均未成功恢复正常运转，导致锅炉上水中断。在此期间中压汽水分离器V4003液位持续急剧下降，经现场叫水确认V4003玻璃板无液位，锅炉干锅。

制氢装置按紧急停工处理，操作人员开始停原料气压缩机C4001，制氢转化炉F4002、原料气加热炉F4001紧急停炉，操作人员关闭各燃料气手阀，打开F4001、F4002看火窗降温。制氢操作人员停止中变气进PSA，关闭中变气去PSA手阀，关闭PSA脱附气进F4002大阀，系统通过中变气放火炬控制压力，转化系统泄压置换。

系统置换合格后，装置开始开工恢复。开工过程中发现转化炉炉管压降异常，转化炉炉管进出口压降为1.0MPa，现场查看发现部分炉管出现红管现象，初步判断转化炉炉管积碳。

经咨询催化剂厂家，遂停工更换催化剂。在催化剂更换过程中，发现卸出的催化剂积碳严重。

2 转化炉管压降升高的原因分析

在晃电前，制氢装置运行正常，转化炉管出入口压差0.25MPa，转化炉出口甲烷含量3.5%，装置产氢量9000Nm3/h，转化催化剂性能状况正常，无显著损伤。连续晃电期间，转化炉炉管压降升高，具体原因分析如下：

2.1 水碳比失调

制氢锅炉上水泵P4002A频繁晃电停运，上水流量指示回零。锅炉上水泵出口DCS流量指示FT2601变化情况如(图1)所示，可以看出操作人员三次抢开锅炉上水泵，但由于连续晃电，机泵不能正常运行，导致锅炉干锅，并错过了最佳切料时间。

图1 锅炉上水流量趋势图

中压汽水分离器(V4003)液位持续降低(图2)。液位指示LIC2601变化如(图2)，汽包液位开始急剧下降，操作人员降低转化炉配汽量，汽包液位无，经叫水确认锅炉干锅；

图2为入炉蒸汽流量FIC2302，晃电前显示值为：10460kg/h左右；锅炉干锅后，流量急剧下降，配汽已经中断。

图2 转化炉配汽流量

2.2 转化炉炉膛温度波动过大

图3为转化炉炉膛温度变化情况，可以看出晃电后炉膛温度大幅波动，炉膛温度在三分钟内波动150℃，大量热量聚集到炉膛顶部，且由于水碳比减少，在炉膛高温下催化剂发生结碳、粉碎现象。

图3 转化炉炉膛温度TE2309和TE2313变化曲线

2.3 转化系统压力波动过大

图4为转化炉炉顶压力PT2304A变化曲线，从中可以看出转化系统压力下降过快，压力波动超过0.3MPa，从而引起催化剂挤压受损。

图4 转化炉炉顶压力PT2304A变化曲线

3 本次事件造成炉管压降增大原因总结

图5 转化炉炉管现场图

图6 卸剂后转化炉管内壁积碳及催化剂情况

图5为转化炉压降升高时炉管情况，可以看出部分炉管出现红管和花斑现象。

图6为转化炉卸剂后转化炉管内壁积碳及催化剂情况，可以看出转化炉炉管内壁积碳现象严重。

通过上述图表数据分析，我们可以做出如下推断：

1)装置连续出现多次晃电现象，操作人员虽然按照晃电应急预案，抢开锅炉上水泵，但连续晃停，导致锅炉干锅，造成转化水碳比偏低，直至蒸汽中断。

2)多次晃电事故使得操作人员频繁启动机泵，导致延误切料时机(按照操作规程，切料后催化剂床层继续通蒸汽至少15min)，切断原料，原料气流量指示回零，期间原料气从脱硫系统在配汽中断的情况下进入转化炉，此时转化炉炉膛温度较高造成催化剂积碳。

3)紧急停工时转化炉温度、压力大幅波动，造成催化剂粉碎。

4)3.5MPa过热蒸汽进入转化炉上尾管热量散失较大，导致蒸汽温度较低，进入高温炉管导致转化催化剂受损。

5)当班操作人员，应急处置经验少，部门对操作人员应急预案培训不到位，负有管理责任。

综上所述，本次催化剂积炭和破碎的主要原因是晃电次数多、时间长，锅炉上水泵P4002不能启动，造成锅炉干锅，转化炉无法正常配汽，发生催化剂积炭现象，由于压力的波动，和高温造成催化剂破碎；操作人员应急处置经验少，最终导致转化催化剂积碳。

4 装置停3.5MPa蒸汽，防止催化剂受损的对策

(1)装置改造引入外来3.5MPa过热蒸汽作为紧急备用，设计在自产配汽调节阀后增加一个外来蒸汽控制阀组，正常生产中外来蒸汽少量与自产蒸汽同时配汽，在装置出现连续晃电、大面积停电等事故状态下可立即投用，避免转化催化剂因配汽中断而受损。

(2)在今后生产过程中出现连续晃电及大面积停电事故时，要当机立断，把握最佳切料时机，及时切料避免原料气进入催化剂床层，造成催化剂受损。

(3)装置制定晃电应急预案，并不定期组织员工进行晃电应急预案的演练，提高操作人员的应急处置能力。