一、研究背景

河北峰煤焦化公司甲醇車間利用焦化裝置副產(chǎn)的焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)甲醇。設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模為10萬噸/年甲醇，實(shí)際生產(chǎn)能力9.6萬噸/年甲醇。

在整個(gè)甲醇裝置中，轉(zhuǎn)化爐屬于核心設(shè)備之一。轉(zhuǎn)化爐內(nèi)裝有轉(zhuǎn)化催化劑，在爐內(nèi)采用加壓催化部分氧化法，在轉(zhuǎn)化爐上部燃燒室內(nèi)，焦?fàn)t氣中氫氣甲烷與氧氣進(jìn)行燃燒反應(yīng)，產(chǎn)生大量熱量，為在轉(zhuǎn)化催化劑床層的甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)提供熱量，生成H2、CO、CO2，為后序甲醇合成提供有效的原料氣。轉(zhuǎn)化爐作為甲醇生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，其操作要求級別也是最高的。

在正常生產(chǎn)過程中車間發(fā)現(xiàn)該進(jìn)料方式存在諸多不確定因素及較大的安全隱患。因此，改變轉(zhuǎn)化爐的進(jìn)料方式將是解決問題的關(guān)鍵所在，本項(xiàng)目的實(shí)施也由此得來。

二、重點(diǎn)要解決的問題

1、環(huán)形分布器存在問題

（1）環(huán)形分布器使用剛玉磚砌筑，采用側(cè)向螺旋進(jìn)氣，在使用中后期，剛玉磚上開的氧氣孔沖刷嚴(yán)重，剛玉磚變薄，氣孔變大，剛玉磚磚縫澆注料脫落形成氣縫造成燃燒室內(nèi)氧氣分布不均勻，偏燒現(xiàn)象和局部回火現(xiàn)象嚴(yán)重，很容易燒壞爐壁，發(fā)生轉(zhuǎn)化爐燒穿等重大安全事故。

（2）環(huán)形分布器帶來的偏燒現(xiàn)象，造成工藝氣在進(jìn)入觸媒層時(shí)溫差大，反應(yīng)不均勻，導(dǎo)致觸媒結(jié)塊現(xiàn)象嚴(yán)重，影響觸媒的使用壽命、活性和甲醇產(chǎn)量。

（3）環(huán)形分布器使用壽命短，設(shè)計(jì)只有6個(gè)月，而且一旦生產(chǎn)負(fù)荷較大，或者開停車頻繁時(shí)，其損壞速度將更快。

2、轉(zhuǎn)化爐作為甲醇一車間核心設(shè)備之一，操作溫度最高，燃燒室最高達(dá)1600℃左右，其危險(xiǎn)性也最大，由于環(huán)形分布器存在以上缺陷，造成轉(zhuǎn)化爐在生產(chǎn)過程中始終存在諸多不安全因素，十分不利于正常生產(chǎn)。

3、由于轉(zhuǎn)化爐內(nèi)火焰不能監(jiān)控，只靠檢測轉(zhuǎn)化爐外部和下部溫度為依據(jù)，其發(fā)生燒穿事故時(shí)一般沒有預(yù)兆，屬于瞬間發(fā)生，一旦停車處理不及時(shí)，可能導(dǎo)致高溫火焰噴出，后果不堪設(shè)想。2011年5月8日凌晨3點(diǎn)23分，甲醇一車間轉(zhuǎn)化爐夾套回水溫度由49.5度突然驟升至145度，操作工判斷轉(zhuǎn)化爐內(nèi)襯可能出現(xiàn)問題，在1分鐘內(nèi)切氧停車，在后續(xù)開蓋檢查過程中，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化爐內(nèi)襯燒出1米見方大洞，轉(zhuǎn)化爐鋼板已經(jīng)燒穿，幸虧停車及時(shí)，未造成較大事故的發(fā)生，后經(jīng)分析確定為環(huán)形分布器局部偏燒，造成內(nèi)襯局部溫度過高，燒穿爐壁。

4、由于環(huán)形分布器使用壽命短，制約了甲醇裝置的連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)，甲醇一車間自投產(chǎn)以來，每年至少兩次檢修，以保證轉(zhuǎn)化爐的安全。如果由于轉(zhuǎn)化爐發(fā)生事故被動停車，其檢修時(shí)間至少一個(gè)月，甲醇一車間自投產(chǎn)以來，轉(zhuǎn)化爐分別在2011年5月和2013年1月發(fā)生過兩次燒穿事故，兩次事故雖都未造成人員傷亡，但影響生產(chǎn)時(shí)間都達(dá)1個(gè)月以上，給公司造成的經(jīng)濟(jì)損失十分嚴(yán)重。

因此，轉(zhuǎn)化爐已嚴(yán)重制約了甲醇裝置的正常生產(chǎn)，必須考慮對其進(jìn)行改造解決以上存在問題，使甲醇系統(tǒng)的安全等級和生產(chǎn)效率進(jìn)一步提高。

三、技術(shù)改造方案

根據(jù)近幾年轉(zhuǎn)化爐使用過程中存在問題，車間經(jīng)多方考察研究，認(rèn)真研究轉(zhuǎn)化爐爐型和其進(jìn)料方式，結(jié)合目前最先進(jìn)的爐型設(shè)計(jì)技術(shù)，以及各兄弟單位的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，提出了對原轉(zhuǎn)化爐進(jìn)料方式及爐型進(jìn)行技術(shù)改造的方案，以解決環(huán)形分布器型轉(zhuǎn)化爐存在的各種安全隱患。

總體思路：以現(xiàn)有的轉(zhuǎn)化爐為基礎(chǔ)，改原兩側(cè)進(jìn)氧的環(huán)形分布器（非金屬燒嘴）為中心進(jìn)氧的金屬燒嘴，將轉(zhuǎn)化爐水冷套提高至轉(zhuǎn)化爐上封頭法蘭下方，增加燒嘴的冷卻水保護(hù)系統(tǒng)，保證改造后的轉(zhuǎn)化爐安全高效的運(yùn)行。

基本原則：以現(xiàn)有設(shè)施為基礎(chǔ)，進(jìn)行低成本改造，同時(shí)應(yīng)確保改造后轉(zhuǎn)化爐的安全運(yùn)行。

現(xiàn)有轉(zhuǎn)化爐由觸媒層上部切割，轉(zhuǎn)化爐下半部分保留繼續(xù)使用，重新設(shè)計(jì)、制造轉(zhuǎn)化爐上半部分。改造后轉(zhuǎn)化爐采用中心燒嘴供氧方式，原焦?fàn)t氣進(jìn)口由兩側(cè)進(jìn)氣改為單側(cè)進(jìn)氣。設(shè)計(jì)相應(yīng)的燒嘴冷卻水系統(tǒng)和事故應(yīng)急系統(tǒng)。

四、項(xiàng)目的先進(jìn)性

本改造方案，一個(gè)中心思路是通過改造來改變轉(zhuǎn)化爐的燃燒方式：即將環(huán)形分布器（非金屬燒嘴）型改造為中心燒嘴型轉(zhuǎn)化爐。下面將對金屬燒嘴的先進(jìn)性進(jìn)行分析。

1、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

（1）、燒嘴為多套管單孔噴射式結(jié)構(gòu)，中心管道為氧氣蒸汽通道，夾套為保護(hù)蒸汽通道，外管為復(fù)層結(jié)構(gòu)，冷卻水從其中進(jìn)出，燒嘴外側(cè)保護(hù)結(jié)構(gòu)，具有應(yīng)力自動補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，徹底解決了燒嘴工況變化時(shí)對燒嘴的影響，大大延長了燒嘴的使用壽命。

（2）、燒嘴頭部外側(cè)設(shè)計(jì)有焦?fàn)t氣分布器，起到均布焦?fàn)t氣的流量和速度的作用，焦?fàn)t氣分布器可在檢修時(shí)隨燒嘴、封頭一同抽出。

2、技術(shù)要求

金屬燒嘴的設(shè)計(jì)要求焦?fàn)t氣與氧氣混合均勻，燃燒充分，爐頂空間溫度場與流場分布合理，具體表現(xiàn)為：

（1）、火焰長度合理，進(jìn)入催化劑床層前，氧氣燃盡，溫度與組成分布均勻；

（2）、燒嘴燃燒火焰在爐膛中心，避免火焰直接接觸到爐內(nèi)壁耐火材料；

（3）、正常操作下爐內(nèi)耐火材料任何一處的溫度不超過1400℃；

（4）、燒嘴能夠在較寬的負(fù)荷范圍內(nèi)良好運(yùn)行；

（5）、燒嘴采用蒸汽保護(hù)和水夾套強(qiáng)制冷卻設(shè)計(jì)，本質(zhì)安全系數(shù)高。

（6）、催化劑床層入口工藝氣體同平面溫差≤8℃，保證了反應(yīng)更充分，生產(chǎn)效率更高；

（7）、金屬燒嘴使用壽命保證大于24個(gè)月，大大降低了檢修頻次。

五、主要技術(shù)原則和設(shè)備特性

1、放棄當(dāng)前轉(zhuǎn)化爐采用的環(huán)形分布器配氧的形式，改變了燃燒方式，采用金屬燒嘴配氧，實(shí)現(xiàn)效益、安全雙豐收。

2、充分利用現(xiàn)有設(shè)備，減少初期投資。

3、就近配置保護(hù)蒸汽和鍋爐水，并設(shè)置穩(wěn)壓罐和換熱器，實(shí)現(xiàn)鍋爐水的循環(huán)利用，增加了EPS系統(tǒng)，保證突然停電狀態(tài)下系統(tǒng)的正常運(yùn)行，提高了本質(zhì)安全性。

4、系統(tǒng)工藝流程簡圖

由上圖可以看出，整個(gè)燒嘴系統(tǒng)設(shè)置了完整的保護(hù)水和保護(hù)蒸汽，保證了整個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

六、項(xiàng)目改造存在問題的解決及今后進(jìn)一步需完善的方面

由于該項(xiàng)目在原設(shè)備上進(jìn)行的改造，存在一定的局限性，包括流體力學(xué)方面的問題，火焰燃燒的溫度場分布問題，事故狀態(tài)下燒嘴保護(hù)問題等，不能像整體設(shè)計(jì)的那么完善。這就要求我們在改造和操作過程中充分考慮以下問題：

1、一定要計(jì)算好觸媒裝填高度，既不能太低也不能太高，調(diào)整好最合適的燃燒室高度，以保證火焰的燃燒空間；

2、在操作上控制好水碳比，配氧量，以及各介質(zhì)的壓差，保證燒嘴在使用過程中的安全穩(wěn)定性，發(fā)揮好金屬燒嘴的優(yōu)勢；

3、充分發(fā)揮好EPS應(yīng)急電源和緩沖罐系統(tǒng)的作用，并保證備用水泵的完好性，在突發(fā)事故時(shí)，能第一時(shí)間啟動備用水泵，保證燒嘴保護(hù)水的流量，確保燒嘴在事故狀態(tài)下的使用安全。

4、在金屬燒嘴的選擇上，一定要以實(shí)際生產(chǎn)工藝為導(dǎo)向，選擇最適合的金屬燒嘴作為備用。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳創(chuàng)明.焦?fàn)t煤氣制甲醇的工藝技術(shù)研究[J].2008，38（1）：36-42

[2]李東志.焦?fàn)t煤氣制甲醇的工藝與探索[J].河北化工，2010，33（4）：45-46

[3]陶鵬萬.焦?fàn)t煤氣制甲醇轉(zhuǎn)化工藝探討[J].天然氣化工，2007，32（5）：43-46

作者簡介：

張川川（1983—），男，河北，化工工程師，化工生產(chǎn)技術(shù)管理方向。