甲烷转化用净煤气开车的实践

杨俊玲， 张 成

(山西潞安煤基合成油公司，山西 长治 046100)

1 研究背景

山西潞安煤基合成油公司甲烷转化装置是用合成油弛放气或低温甲醇洗净化气为原料气，进行换热式一段蒸汽转化和二段纯氧转化以及一氧化碳中温变换，为后续工段提供转化气，转化气经过脱碳后进入变压吸附装置制氢为合成氨提供原料。设计合成油弛放气运行时为工况一，设计负荷4.83万m3/h，产氢6.7万m3/h；低温甲醇洗净化气运行时为工况二，设计负荷6万m3/h，产氢6.1万m3/h。从2008年开车以来一直以工况一运行，2014年用工况二开车，负荷只加至1万m3/h，由于受温度等指标限制，又切至工况一运行，开车11年来没有工况二成功运行经验。随着2018年润金茂公司LNG装置投运，合成油弛放气中的甲烷不需要直接转化，而是通过深冷法提取LNG，甲烷转化装置随之停车搁置。2019年6月份开始LNG装置由于合成油弛放气中杂质及制冷压缩机冷量的影响频繁出现停车或不能加负荷的现象，严重制约系统高负荷运行。于是，公司开始探索甲烷转化用低温甲醇洗净化气开车。

2 开车前准备阶段

首先，对整个装置进行全覆盖检查及评估，并对所查问题全部进行整改，制定了甲烷转化工况二开车方案，成立试车组织机构，排出开车期间车间及业务科室跟班表，并进行全员培训学习。开车及运行过程中主要问题：1) 由于51#净煤气中甲烷含量较低，CO含量较高，一段炉中甲烷转化反应(吸热反应)较少，一段炉中CO中变反应(放热)较多，经一段炉反应及与二段转化气换热后一段炉、N2集气管及淬冷器处温度会较高。2) 中变炉由于转化CO转化量较工况一多，中变出口温度可能会偏高。3) 由于中变炉处催化剂存有原粉末，会导致一段炉入口处压力偏高，试车时负荷达不到设计值，会偏低。

针对目前系统存在的问题，进行开车须监控好系统压力及温度指标。1) 计划运行时适当降低二段出口温度，开车时严格控制一段入口压力不超2.24 MPa，一段入二段温度TI-113不超700 ℃，在二段炉配氧点火后，二段炉提温及系统提负荷过程中，严格控制好上述温度及压力，当温度及系统压力达到上述值时停止提温及提负荷操作。2) 中变炉出口温度控制不超413 ℃(设计运行温度)。3) 正常运行时降低加热炉B炉温度，将一段炉进口温度TI-112控制在400 ℃以下，必要时将加热炉B炉大火嘴及小火嘴熄灭，通过控制风门大小来控制一段炉进口温度。

3 开车过程及加负荷调整操作

3.1 开车过程

8月20日11：30加热炉点火开始氮气升温，经过氧气组进蒸汽，原料气组进蒸汽升温，原料气升温，二段炉配氧点火，转化气切入中变炉后系统，提温提压，转化气导入低温甲醇洗二系列系统。8月26日2:30低温甲醇洗二系列净煤气分析合格并入PSA制氢装置。甲烷转化工况二开车共计135 h，其中，系统氮气升温54 h，系统引蒸汽升温20.5 h，系统引原料气还原及升温21.5 h，点火及提温提压共39 h，52#系统进转化气至引入PSA系统2.5 h。

3.2 系统加负荷调整操作

转化气全部并入52#系统，负荷22 000 m3/h，二段炉出口温度TI-117为780 ℃，N2集气管温度TI-113为650 ℃，一段炉升温副线全开。调整加热炉温度，加热炉A、B炉调节阀关至5%，B炉大火嘴灭，一段炉入口温度降至400 ℃，氧气管线温度降至500 ℃，原料气组出加热炉温度比进加热炉温度高。加负荷过程中根据温度及甲烷转化率逐步调整升温副线至17扣，负荷加至43 500 m3/h，一段炉入口压力、压差及N2集气管温度均接近指标上限，于是开始调整HV101入中变炉副线进行加负荷。二段炉温度TI-114控制在800 ℃左右，二段炉出口温度TI-117控制在780 ℃左右，水汽比控制在1.1～1.2，中变炉进口温度控制在340 ℃～345 ℃。HV101开至52%时负荷达到60 000 m3/h，系统满负荷运行，转化气CO体积分数3.2%左右，CH4体积分数5%左右。增加变压吸附吸附时间至70 s，产品氢中CH4质量分数涨至9.79×10-6，停止增加时间，产氢41 000 m3/h，甲烷转化用低温甲醇洗净化气开车试验结束。运行过程中各项数据如表1。

表1 运行过程中各项数据

4 结论

1) 本次开车至试运行期间，一段炉中CO变换反应及甲烷化反应较多，导致一段炉N2集气管和猪尾管温度较高，二段炉温度控制通过加减负荷过程中发现，二段炉出口CO含量变化不大。由于工况二运行中，一段炉N2集气管和猪尾管温度较高，限制了二段炉出口温度最高只能提至780 ℃，50 000 m3/h以上负荷二段炉出口温度760 ℃，甲烷转化率40%左右，由于受N2集气管及猪尾管材质影响，甲烷转化率及氢气产量达不到设计要求。

2) 系统负荷可以通过中变副线加至60 000 m3/h，转化气量79 500 m3/h，相当于工况一为44 500 m3/h负荷，中变炉进口压力2.09 MPa已接近设计值，说明中变炉催化剂仍然残留之前二段炉拱形砖迁移的粉末，阻力问题仍然存在；9月2日18:00加负荷时由于一段压力为2.27 MPa，从中变炉中部副线开至过气进原料气，转化气中CO体积分数上涨至3.54%，19:30中变炉中部副线关1/4丫(1/20圈)，CO在线由3.15%下降至2.7%，转化气分析CO体积分数由3.65%下降至3.2%左右，中变炉上、下层催化剂量差不多，由此判断中变炉下部催化剂由于长期高温活性下降，上部催化剂活性较好。

3) 在二段炉配氧点火后提温提压过程中，由于本次开车原料气中甲烷含量较少，CO变换反应及甲烷化反应较多，放热反应较多，氧气量较少。