关于低变进口温度波动的分析及改进措施的研究
2020-03-20曾鑫郑刚余亮四川美丰集团有限责任公司四川射洪629200
曾鑫 郑刚 余亮(四川美丰(集团)有限责任公司,四川 射洪629200)
合成氨作为基础化工经过了几十年的运作,工艺成熟,但在实际生产中仍需要进行部分小改小革,我公司20万吨合成氨项目自2009 年开车投料以来发现日负荷高于56 万时,低温变换炉(以下简称低变)进口温度波动大,导致低变触媒热点温度一起波动,出口一氧化碳微量超标。
1 工艺介绍
我公司现有20 万吨合成氨装置以天然气为原料采用两段蒸汽转化法制氢,经高、低温变换工序、脱碳甲烷化制得合格氮氢气进入合成塔进行合成反应制成液氨。其中高变气经甲一换、高变废锅、高变锅炉给水预热器回收热量后进入低变炉,并通过高变锅炉给水预热器(以下简称高变给水预热器)及其副线调节温度控制低变进口温度TI-220≥190℃,确保195℃≤低变触媒热点温度≤220℃,低变出口一氧化碳微量≤0.35%。(见图1)
当负荷为天然气60 万m3/d 时低变进口气体流量为5766Kmol/h,其中含一氧化碳126Kmol/h,水蒸气1652Kmol/h,二氧化碳630Kmol/h,氢气2442Kmol/h,氮气891Kmol/h 和微量氩气、甲烷。
我公司甲烷化炉催化剂已到活性末期,甲烷化进口温度控制310℃,净化气经甲一换由高变气加热至310℃回收热量后为使低变进气温度达到控制指标,通过控制高变给水预热器副线TV-220 及高变给水预热器出口蝶阀调节,现制高变给水预热器副线TV-220已开至100%,高变给水预热器出口蝶阀只能开3~5%(该阀不允许全部关闭)
图1
2 低变进口温度波动情况介绍
当合成氨负荷在60 万m3/d 时,低变进口温度TI-220 在174~198℃之间波动,低变热点温度在185~215℃之间波动,出口一氧化碳微量最高达到0.45。现场管道震动增加,低变进口温度波动曲线:
低变床层温度波动曲线:
3 原因分析
3.1 低变进口气体成分
物料流量kmol/h CO2 630.8 84 CO 126.03 2 H2 2441.5 66 N2 891.71 6 H2O 1651.6 91 AR 10.95 3 CH4 13.16 9总量5766.0 1
3.2 低变气中水蒸汽分压计算
根据混合气总i 组份的分压计算公司Pi=XIP总(XI为混合气总i组份的摩尔分数)
根据饱和蒸汽温度压力对照表查询得知在该压力下水蒸气的饱和温度在173.466。
图2
3.3 分析结果
主要是高负荷时为提高低变进口温度TI-220≥190℃,高变锅炉给水预热器出口蝶阀开度过低,大量高变气经高变锅炉给水预热器副线进入低变炉,导致气体与锅炉给水换热后低于该压力下水蒸汽冷凝温度,凝结成水,随气体进入低变炉,从而低温变换炉温度波动大,出口微量超标。
3.4 低变进口带水的危害
①低变触媒温差变化大,易导致触媒粉化,触媒寿命缩短,设备压差增加,能耗上升。
②由于水蒸气凝结成水,与气体流速出现较大差异,导致出口管道震动增加,并对管道形成冲刷腐蚀。
③气体中二氧化碳与冷凝水形成腐蚀性介质,导致出口弯头壁厚减薄,存在爆炸的危险。
4 处理结果
由于我公司低变催化剂为新更换催化剂,处于其活性初期,活性较好,通过开大高变锅炉给水预热器出口蝶阀,使更多高变气经高变锅炉给水预热器主线换热后进入低变炉,降低低变进口温度TI-220 至185℃,低变床层热点温度降至193℃,提高高变锅炉给水预热器出口温度。
经调整后取得良好效果,低变进口温度及低变床层温度均表现平稳其温度曲线如下:
低变进口温度曲线:
低变床层温度曲线:
但是由于降低了低变床层温度,使低变出口微量CO 含量上升,导致甲烷化负荷增加,致甲烷化气中甲烷含量上升。如果低变催化剂到其活性末期将无法通过降低低变床层温度的办法进行调整。
低变出口CO含量曲线:
5 改造基本流程
基于以上问题,经过摸索增设一20#钢Φ159×9 给水副线,副线上安装调节阀HIC-736,主线增设一DN150闸阀。使用调节阀HIC-736及主线阀门控制进入高变给水预热器水量,保证低变进口温度。(见图2)
6 改造后情况
低变炉进口温度TI-220稳定在187℃,管道无震动,低变触媒热点温度≥202℃,出口CO 微量在0.22%~0.26%之间,完全满足安全低耗生产要求。