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第 6期 陈向平等 隧道墙开孔率及分布对天然气转化炉的影响 6 3 隧道墙开孔率及分布对天然气转化炉的影响 陈向平 ， 赵如政 ， 曾传 刚 格尔木炼油厂运行 四车间 ， 青海格尔木8 1 6 0 0 0 摘要 格尔木炼油厂 3 0万 t ， a甲醇装置的天然气转 化炉 为负压式顶部烧嘴供热转化炉 ， 运行 中存在 电耗高 ， 转 化炉燃烧状 况差 和辐射室温度场分布不均等 问题 。 通过改造 ， 增加辐射室隧道墙的开孔率 ， 优化孔分布 ， 以极低的投入 ， 成功解决了该 困扰 装置运行 的难题 。对隧道墙开孔率 和孔分布对转化炉运行所带来 的多方 面影响进行了技术分析 。 关键词 天然气转化炉 ； 隧道墙 ； 开孔率 ； 孔分布 ； 负压 ； 辐射 室； 温度场 中图分类号． T Q 2 2 3 ． 1 2 1 ； T Q 0 5 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 9 2 1 9 2 0 1 2 0 6 6 3 - 0 4 1 转化炉辐射室隧道墙的作用 甲烷一段蒸汽转化炉 I s ]系统 主要由辐射转化 段 、 对流段 混合原料加热器 E 1 、 高压蒸汽过热器 E 2 I、高压蒸汽过热器 E 2Ⅱ、天然气脱硫加热器 E 3 、 锅炉给水加热器 E 4 、 工艺水加热器 E 5 、 热管空 气预热器和 3 0 m高的独立钢烟 囱四部分组成。 辐射 室 长 宽 高 分别 为 2 0 1 5 0 m mx 1 8 9 6 0 mmx 2 5 3 2 0 mm， 其热量 由顶部 1 8 0只烧嘴提供 ， 辐射室内安装 了 4 0 0根装 有转 化 催化 剂 的转化 管 ，其 规格 为 1 2 4 mm x 1 2 mm 1 3 3 6 5 mm。 辐射室承担了格尔木炼 油厂 3 0万 甲醇装 置甲烷蒸汽转化反应所需的 所有热量 。室 内最高温度可达 1 1 5 0 C， 设计燃料总 量为 1 ． 9 7万 m 标态 ，下同 ，总燃烧空气量为 1 6 ． 7万 m3 ／ h ， 产生的总烟气量为 1 9 ． 1 万 r I l 。辐射 室内共分布了 1 6排共 9组隧道墙 ， 8排转化管平均 分布在 9组隧道墙之间。隧道墙开孔的作用是将辐 射室内的烟气均匀地排出 ， 使辐射室内负压分布均 匀 ，通过烟气流量均匀排放来实现均匀的温度场 ， 使各转化管外壁温度均匀 ， 辐射室内实现合理 的温 度场及压力场 ， 不发生局部超温 ， 燃烧状况差 ， 烟气 偏流等现象翻 。 2 转化炉隧道墙改造前的运行情况 3 0万 t ， a甲醇装置转化炉在未增加开孔率前 ， 转化炉辐射室存在对流室入 口温度超温运行和辐 射室底部有较明显的尾燃的现象。辐射室出口负压 值高于设计值 ， 但辐射室内却必须通过两台引风机 同时运行才能满足正常负压控制指标。辐射室内安 装 了 6 4个测温点 ， 平均温差高达 9 0 ℃， 造成转化管 外温差大 ， 管内甲烷转化反应差 ， 不仅对设备的正 常运行及寿命构成 了较大威胁 ， 而且造成转化气中 残余甲烷体积分数高达 5 ％以上， 工艺气质较差， 对 装置设备及工艺运行均带来了较大影响 ， 而且持续 时间长达 5年之久。部分主要运行数据统计如表 1 所示 。 表 1 主要运行数据统计 从表 1中的数据可 以发现 ， 转化炉运行存在着 以下 主要瓶 颈 收稿 日期 2 0 1 2 ． 0 7 ． 1 2 ； 作者简 介 陈向平 1 9 7 2 一 ， 男 ， 助理工 程师 ， 电话 0 9 3 7 8 9 1 6 4 5 4 ， 电邮 e x p - 1 1 y 1 6 3 ． c o rn。 1 设计只需要运行一 台引风机辐射室出 口负 压达到 3 0 0 P a就可以满足炉膛正常的生产要求 ， 而 在实际运行 中两台引风机同时运行 ， 辐射室出口负 压必须达到 4 0 7 ． 2 P a才能满足辐射室顶部对负压的 控制要求。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 天然气化工 C 化学与化工 2 0 1 2年第 3 7卷 2 转化炉设计正常燃烧空气量为 l 6 ． 7万 m。 ， h ， 在实际运行中必须提高到 l 9 ． 2万 m 3 ／ h才能满足 转化炉燃料燃烧及供热的要求 ， 否则转化炉出口温 度就无法达到正常范围。导致烟气中残氧体积分数 高出设计值 4 ％， 辐射室内温度分布差 ， 炉子热效率 差 。 3 由于燃烧效率差 ， 燃料在烧嘴处无法完全 燃烧 ， 导致部分燃料经负压引至辐射室底部进行 了 二次燃烧 ， 从而导致对流室入 E l 温度及对流段蒸汽 过热段设备超温。 4 由于燃烧效率差 ， 燃料没有完全燃烧形成 C O 气体，因此通过化验分析烟气的 C 0 2 只有 7 ． 2 ％～ 7 ．7 ％，进一步对二氧化碳工段的产量造成较 大影响。 5 3 0万 甲醇装置转化炉管 6 2 5于 2 0 1 0 年 9月发生断裂 ， 经权威机构的检测报告显示主要 原 因是由于超温所致 ， 而断裂处也是最靠近隧道墙 的部位， 因此隧道墙开孑 L 率不合理造成辐射室温度 场分布不均是转化炉长周期安全运行的重要隐患。 装置于 2 0 0 9年 6月更换 了 1 8 0只顶 部烧 嘴。 更换烧嘴后 ， 转化炉燃烧空气 量有所下降 ， 燃烧状 况好转 ， 但两台引风机必须同时运行才能保证炉膛 负压的现象依然存在。 3 隧道墙开孔率计算及孔分布的确 定 3 ． 1 3 0万 t ／ a和 1 0万 t ／ a两套 甲醇装置的对 比 合理设计 甲醇装置转化炉辐射室烟气 隧道墙 开孑 L 尺寸及开孔数量 ，是保证烟气不发生偏流 、 阻 力不均匀 ， 辐射室具有合理 的温度场及负压分布的 关键。车间通过观察发现转化炉辐射室 内温度变化 最敏感 的部位是负压变化最大的地方。而靠近西面 的部位负压对温度场变化不明显 ， 而且对流段入 V I 处负压实际值一直高于设计范围， 在数次调整转化 炉出 口温度时 ， 总会出现靠近引风机侧负压高处的 温度点温度难以调高 ， 而远端转化管的温度却一直 居高不下 ， 在燃料量不变 ， 适 当提高或降低炉膛负 压的情况下 ， 转化炉管各点温度就会出现 自行降低 或升高现象 ， 而格尔木炼油厂另一套以天然气为原 料 的 l 0万 t ／ a甲醇装置 ，自 1 9 9 9年投运以来从未 出现过此类现象。因此 ， 对两套装置的设计数据进 行 比较 ， 如表 2所示。 表 2两套甲醇装置转化炉设计数据对比 通过两套装置转化炉设计 图纸及计算结果可 以得知 ， 3 O万 t ／ a装置单排隧道墙 的开孔数量 明显 偏低 ， 其开孑 L 率仅为 4 ． 7 3 ％， 而 l 0 可t ／ a装置的开孑 L 率达 6 ． 1 8 ％。3 0万 t ， a装置烟气流量 比 1 O万 t ／ a装 置增加 了 9 2 ． 6 ％，但隧道墙的开孑 L 率却比 l 0万 a 装置降低了 2 3 ． 5 ％。 因此， 在理论上存在着烟气流速 偏高 ， 易形成烟气偏 流 ， 辐射室远端负压场不 足等 设计问题。 两套 甲醇装置 的隧道墙 图形设计分布示 意图 如 图 1 所示 。 图 1 两套 甲醇装置隧道墙图形设计分布 示意 图 1 0万 t ／ a 装置开孔图形呈现 出随负压递减开孑 L 逐步增加 ， 且以纵 向梯度进行分布 ， 这样可 以使最 远端压力最低处的烟气 以合适的流量均匀通过。而 3 O万 t ， a 装置开孔图形为横向增加 ，每排隧道墙没 有设计纵向增加开孔及分布 ， 该设计与纵 向梯度相 比呈现 出烟气流通阻力大 ， 易形成偏流等缺陷。而 且开孔率与 1 0万 t 甲醇相比明显不足 ， 从而进一步 造成在负压逐步递减的过程 中，近端烟气流量大 ， 流速快 ， 而远端烟气流速缓慢 ， 易形成偏流等现象 ， 因此隧道墙开孔随压力递减采用逐步增加开孑 L 数 量 ， 且 以纵向梯度进行分布的设计理念优于横向开 孔 。 3 ． 2重新确定的开孔方案 经过和 3 O万 t ／ a甲醇装置的设计院沟通 ， 提出 了隧道墙开孑 L 与分布存在的问题 ， 经核算重新确定 了隧道墙开孑 L 措施。 2 0 1 1 年利用装置大检修实施了 重新开孑 L ，具体措施为辐射室 内共计 l 6道开孑 L 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 陈向平等 隧道墙开孔率及分布对天然气转化炉的影响 6 5 墙 ， 将 中间 1 4道烟道墙从 1 轴端开始 ， 前 l 2个 烟 道孔上面各加一个尺寸为 1 3 4 m m 2 3 4 m m的孔 ， 与 原孔的间距为 2 8 6 m m，其中第 l 1 个孔在下部干砌 半块 T 3砖 ， 第 l 2个孔干砌一块 T 3砖 ， 砖 的材质与 原砖墙材质相同。另外两道墙从 1 轴端开始 ， 在原 1 2个烟道 孔上面各加一个 尺寸为 1 3 4 ramx 2 3 4 mm 的孑 L ， 其 中第 l 1个孔在下部干砌半块 T 3砖 ， 第 l 2 个孑 L 干砌一块 T 3 砖 ， 砖的材质与原砖墙材质相同。 4 增加开孔率后的运行效果 通过整改投入运行后 ， 有效改善了辐射室内烟 气流动阻力大 ， 炉膛负压小 ， 烟气存在严重的偏 流 现象 ，辐射室取得 了合理 的负压分布及温度场 ， 电 机引风机停运 ， 彻底解决 了两 台引风机 同时运行才 能满足炉膛负压及生产的难题 。不仅成功停运了一 台 6 0 o O V、 8 0 0 k W 的电机 ，而且转化管各排温差得 到了有效降低 ， 效果非常明显 。改造前后部分主要 运行数据对 比如表 3所示。 从表 2等数据可以看出 ，改造后转化炉在 以下 方面取得了非常明显的改善 ， 部分指标超 出了预期 效 果 表 3隧道墙重 新分布开孔后部分主要运行数据的统计对比 1 增加开孔率前 4 0 o根转化炉管的平 均温差 只能控制在 9 0 ℃以内， 实施开孔率改造后 ， 炉管 的 平均温差降到了 4 0 ℃以内， 不仅极大地保护了转化 管的使用寿命 ， 而且转化气中的残余甲烷体积分数 下降了 0 ． 5 ％， 转化气质明显改善， 对增产 甲醇 ， 降低 天然气单耗效果明显。 2 由于增加了隧道墙开孔率 ， 在保证转化炉 燃烧效果的情况下燃烧空气量得 到了大幅下降 ， 烟 气 中 C O 2 较改造前提高了 1 ． 2 ％， 因此 回收的 C O 产量较改造前增加了约 5 0 0 m 3 ／ h ，从而进一步提升 了装置的增产降耗能力。 3 开孔率增加后 ， 烟气出 口下降了 l 3 ℃， 不仅 提升 了转化炉 热效率 ， 节省 了燃料 ， 而且装置二氧 化碳工段洗涤塔冷却洗涤水用量 由 1 1 0 0 m 3 ／ 13降到 了 9 0 0 m 3 ／ h ，循环洗涤水量平均下降了 2 0 0 m3 ／ h ， 超 出预期效果。 4 X C 流室入 口温度在改造前 为 1 0 2 1 c C， 改造 后降到了 9 7 2 c I ，彻底扭转了对流室烟气温度超指 标运行的被动局面 ， 对 流段内 El ／ E 2等 7台冷换设 备均实现了最佳运行环境 ，为装 置工艺 参数的调 节 ， 设备的安全运行奠定了坚实的基础 。 5 转化炉双引风机同时运行是长期困扰 3 0 万 t ／ a甲醇装置的难题 ， 车间虽采取了更换烧嘴， 堵 塞转化炉缝隙等多项措施 ， 但一直没有实现单台引 风机运行的设计模式。通过实施增加开孔率措施 ， 辐射室 出口处负压 由 4 0 7 P a降到 了 3 3 7 P a ，基本 实现了设计水平运行 ，电机 引风机终于得以停运 ， 彻底解决 了该被动局面 ， 意义非同寻常。 5 取得 的效 益 3 0万 t ／ a甲醇装置通过增加隧道墙开孔率 ， 不 仅满足了转化炉温度及满负荷运行的设计条件 ， 提 高了 C O 产量 ， 转化炉管各点温差首次达到了 4 0 c lc 以内的历史最好水平 ，并成功停运了一 台 6 0 0 0 V、 8 o 0 k W 的电机 ， 而隧道墙增加开孔率没有新增额外 投入。现对取得 的经济效益分析如下 1 直接经济效益 节约的电费 8 0 0 k Wx 3 0 0 x 2 4 x 0 ． 9 h x 0 ． 3 5元／ k W． h 1 8 1 ．4 4万元， a 2 间接效益和社会效益 改造后有效提高 了转化炉热效率 ， 转化管长期 超温现象得到解决 ， 提高了设备使用寿命。此外 ， 过 剩空气 系数实现了设计指标运行， 转化炉辐射室温 度场分布均匀 ， 对 流段烟气出 口温度控制在设计指 标 内 ， 减少了燃烧空气的使用量 ， 排人大气的废气 得到减少 ， 对环境保护起到了积极的作用。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 天然气化 工 C 化学与化工 2 0 1 2年第 3 7卷 6 结语 隧道墙在辐射室 承担着平 衡分散所有燃烧烟 气 ， 排送烟气的任务。而隧道墙上的开孔数量及分 布决定着烟气流动的阻力 ， 承担着辐射室内所有区 域负压及温度场 的科学分布 ， 防止烟气偏流 ， 从而 保证每根转化管受热均匀， 作用不可低估。3 O万 t ／ a 甲醇装置 由于隧道墙开孔数量及分布存在的设计 缺陷 ，严重影响装置转化管寿命和高效安全运行 。 本次改造可为同内型加热炉的故障排除提供借鉴。 参考文献 【 1 】 钱家麟． 管式加热炉【 M] ． 第二版． 北京 中国石化出版社， 2 O 0 5 ． [ 2 ] 韩文光． 化工装置实用操作技术指南[ M 】 ． 北京 化学工业 出版社， 2 0 0 1 ． Effe c t s o fh o l e r a ti o a n d d i s t r i b u t i o n o n t u n n e l s i d e wa l l o n n a t u r al g a s r e f o r me r C HENXi a n g - pi n g , Z HAO Ru - z h e n g , Z ENG Ch u a n g a n g G o l mu d P e t r o l e u m R e fi n e r y ， G o l m u d 8 1 6 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Na t u r a l g a s r e f o r mi n g o f t h e 3 0 0 ， 0 0 0 t ／ a me t h a n o l u n i t i n Go l mu d P e t r o l e u m Re fi n e r y u s e d a n e g a ti v e p r e s s u r e t o p b u r n e r h e a ti n g r e f o r me r ,a n d i t e x i s t e d t h e p rob l e ms o f h Jis h p o w e r c o n s u mp t i o n ，p o o r c o mb u s ti o n a n d u n e q u al r a d i a ti o n c h a mb e r t e mp e r a t u re fi e l d d i s t ri b u ti o n ． T h e p r o b l e ms w e re s o l v e d b y r e t rofi t ti n g t h e ref o r mi n g f u r n a c e w i th l o w c o s t t o i n c rea s e t h e h o l e s o n the r a d i a ti n g c h a mb e r t u n n e l s i d e w all o f t h e f u r n a c e a n d o p t i mi z e the h o l e d i s t r i b u ti o n ． T h e mu l ti p l e e ff e c t s o f t h e h o l e r a ti o a n d d i s t r i b u ti o n o n the t u n n e l s i d e w a l l o n t h e n a t u r al g a s ref o r n l e r we re a n aly z e d ． Ke y wo r d s n a t u r a l g a s r e f o rm e r ；, t u n n e l s i d e w a l l ；h o l e r a ti o ； h o l e d i s t ri b u t i o n ； n e g a ti v e p res s u r e ； r a d i a ti n g c h a mb e r ；, t e mp e r a t u r e fi e l d ；； 上接第 5 2页的不同和惰性气体含量的差别 ， 通 过替换 、 混合等方式进行合成气质优化和减少惰性 气体含量 ， 以创造更好的甲醇合成反应条件 。其它 原料甲醇装置可借鉴实施。 3 天然气制 合成气替代 A T R转化气优 化乙 炔尾气甲醇装 置运行方案是可行的 ， 也是可工程实 施的， 其不仅有助于两种气体 的优势互补和两套 甲 醇系统的优化运行 ， 而且有利于增产甲醇 ， 具有较 好的经济效益。 [ 1 ]1 【 2 ] [ 4 ] 参考文献 陈仕萍． 乙炔尾气制 甲醇 和天然气制 甲醇的 比较【 J 】 ． 天 然气化T C 1 化学与化工 ， 2 0 0 6 ， 3 1 1 5 1 - 5 4 ． 何洋． 甲醇环路弛放气深度利用 天然气化工 C 1 化学 与化工 ，2 0 1 2 ， 3 7 2 6 9 - 7 3 ． 王磊， 邵立红， 赵绍明． 合成气成分， 时甲醇合成生产 的影 响【 J ] 冲 氮肥，2 0 0 2 ， 5 2 8 - 2 9 ． 蔡共先， 杜建强， 赵军艳． 乙炔尾气合成甲醇工艺氢碳比 调节方法在我 厂的应用研究【 J ] ． 企业技术 开发， 2 0 1 1 ， 3 0 1 8 1 8 0 1 8 1 ． Op e r a t i o n o p t i mi z a ti o n o f a c e t y l e n e o ff- g a s - b a s e d me t h a n o l u n i t v i a u s i n g n a t u r a l g a s b ase d s y n g a s i n s t e a d o fAT R r e f o r mi n g g as H E X i -f u S i n o p e c S i c h u a n V i n y l o n Wo r k s G r o u p ， C h o n g q i n g 4 0 1 2 5 4 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e r e w e r e a l O O k ff a n a t u r a l g a s ． b a s e d me t h a n o l u n i t a n d a 7 7 0 k t ／ a a c e t y l e n e o f f - g a s - b a s e d me tha n o l u n i t i n S i c h u a n Vi n y l o n Wo r k s ． Th e s y n g a s p r e p a r e d b y n a t u r a l g a s s t e a m r e f o rm i n g h a d l o w i n e r t g a s e s c o n t e n t a n d h i g h h y d r o g e n c o n t e n t ， a n d t h e i n e r t g a s e s e o n t e n t o f a c e t y l e n e o ff - g a s wa s h i s h ． Ba s e d o n t h e a n a l y s i s o f t h e c h a rac t e ri s t i c s o f b o t h s y n g a s e s ，a f e a s i b l e o p e r a t i o n o p ti mi z a t i o n p l a n f o r t h e a c e t y l e n e o ff - g a s b a s e d me t h a n o l u n i t w a s p ropos e d ，i n w h i c h t h e n a t u r al g a s - b a s e d s y n g a s W as u s e d t o s u b s ti t u t e for the AT R r e f o rm i n g g as o f t h e a c e t y l e n e o f f - g a s b a s e d me t h ano l u n i t t o d e c r e a s e i n e rt g a s e s c o n t e n t i n t h e s y n t h e s i s l o o p ， i mp r o v e t h e q u ali t y o f s y n g a s a n d me t h a n o l p rod u c t a n d i n c r e a s e t h e o u t p u t o f me t h a n o 1 ． Ke y wo r d s me t h a n o l s y n t h e s i s ； n a t u r al g a s ； a c e t y l e n e o ff - g a s ； s y n g a s ； A T R r e f o r mi n g g a s ； i n e rt g a s ；o p e r a t i o n o p ti mi z a ti o n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m