李清博，曹文欣，帅敏刚，木锋涛
（陕西延长中煤榆林能源化工股份有限公司，陕西 靖边718500）
［摘 要］ 陕西延长中煤榆林能源化工股份有限公司1 920 kt/a甲醇联合装置甲烷转化系统于2020年底一次投料成功，转化系统负荷在95%以下时，转化炉对流段高压蒸汽过热器模块运行正常，随着转化系统负荷的提高，高压蒸汽过热器模块顶部出现振动偏高问题（振动速度＞10 mm/s）。分析认为，其原因主要在于，转化炉烧嘴燃烧状态未达预期效果，为确保转化炉正常的出口转化气温度，增加了燃料气量，导致烟气量增加，烟气在较高的流速下发生湍流而引起模块振动。后通过优化调整，适当降低转化系统水碳比以减少转化反应辐射热需求，减少燃料气消耗，降低炉膛烟气温度，降低转化炉烟气量，高压蒸汽过热器模块顶部振动过大问题有所改善。下一步准备利用停车检修机会改造升级转化炉烧嘴，并加固高压蒸汽过热器模块，以彻底解决高压蒸汽过热器模块振动大的问题。
［关键词］转化炉；高压蒸汽过热器；振动偏高；异常现象；原因分析；优化调整；水碳比；改进措施
［中图分类号］TQ054 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2024）01-0045-05
0 引 言
陕西延长中煤榆林能源化工股份有限公司（简称榆林能化）一期启动项目填平补齐工程1 920 kt/a甲醇联合装置以煤和油田气为原料，通过煤气化和油田气蒸汽转化制备甲醇合成气，甲醇合成气经低压甲醇合成系统生产MTO级甲醇。其中，甲烷转化系统于2020年底一次投料成功并产出甲醇产品。转化炉是甲烷转化系统的核心设备，由庄信万丰设计、中国成达工程有限公司承建安装，其热负荷达392.3 MW，是一台吸热反应设备，所需热量通过转化炉顶部安装的烧嘴燃烧混合燃料（设计混合燃料气由天然气、DCC干气、MTO装置干气、甲醇合成弛放气膜分离非渗透气、稳定塔不凝气、甲醇合成闪蒸气组成）获得；转化炉为顶烧方箱炉，由辐射段、过渡段和对流段组成，对流段在转化炉端部水平布置，共有7组模块，2组蒸汽过热模块，2组转化炉进料预热模块，2组预转化炉进料预热模块，对流段尾部设置板式空气预热器以回收烟气中的余热，用来加热由鼓风机送来的助燃空气，预热后的空气送转化炉辐射段，出空气预热器的烟气则通过引风机抽至烟囱排放；转化气（即甲醇合成新鲜气）组分为H2 72.7%（摩尔分数，下同）、CO 14%、CO2 6.96%，流量约335.1 km3/h（标态，下同）。本转化系统负荷在95%以下时，转化炉对流段高压蒸汽过热器模块运行正常，但随着转化系统负荷的提高，转化炉对流段高压蒸汽过热器模块顶部出现振动偏高问题（振动速度＞10 mm/s），满负荷运行时这种情况愈发明显，此问题制约着转化系统的安全、稳定、满负荷、长周期运行。后经优化调整，转化炉对流段高压蒸汽过热器模块顶部振动过大问题有所改善。以下对有关情况作一介绍。
1 运行中的异常现象及分析
1.1 转化炉炉膛出口烟气温度高
转化系统满负荷运行时，转化炉炉膛出口烟气温度最高点达1 083 ℃，超过联锁值1 075 ℃，出口烟道剩余10个温度测点温度全部超过报警值，导致联锁无法投运，起不到保护作用。炉膛烟气温度高，最应关注的是转化炉炉管壁温、转化催化剂活性和对流段各支撑的极限耐温能力，经与转化炉专利商及设计院交流，共同分析转化炉炉膛烟气温度高的原因，并根据分析结果采取可行措施不断优化工况，保证转化炉炉管等的安全运行。期间对转化炉炉管进行了测温，具体情况如下。
（1）转化炉底部窥视孔测量到的炉管绝大部分温度都在860～920 ℃之间，最高点温度为926 ℃（设计值≤950 ℃），表明炉管运行是安全的。
（2）据工艺运行数据分析，转化催化剂的活性良好，平衡温距仅约1.3 ℃，转化炉出口气甲烷浓度为3.93%，可能的积炭温度余量为37 ℃，即当前操作条件下很难发生积炭。
（3）转化炉炉膛出口烟气温度高于预期值，而转化炉工艺侧出口气温度低于预期值，表明转化炉内烟气与炉管之间的传热低于预期——在转化炉顶部窥视孔观察到的炉管壁温较低也证实了这一点，转化炉顶部火焰/烟气温度低于预期值。
（4）通过对工艺流程进行模拟，对转化炉炉管、对流段支撑进行详细分析与计算，转化管峰值壁温不得超过950 ℃，对应的转化炉过渡段烟气温度不得超过1 085 ℃。
（5）顶烧式转化炉运行过程中，烧嘴火焰燃烧状态的好坏直接影响转化管和催化剂的使用寿命。火焰燃烧不良会出现偏烧、舔管、炉管局部过热的现象，而热量平衡良好的转化炉是优化生产和炉管使用寿命最大化的基础。炉管管壁温差＜75 ℃表明转化炉运行状况良好，操作中几乎可以不用作任何调整；炉管外壁温度不宜出现较大幅度的波动，炉管外壁温度低不仅可防止局部过热造成金属蠕变膨胀致炉管过早失效，而且可在相同平均温度下实现较低的出口气甲烷含量［1］。
1.2 高压蒸汽过热器出口减温水用量大增
由于烟气温度高，导致对流段高压蒸汽过热器模块热平衡与设计情形出现偏差，主要表现为高压蒸汽过热器出口减温水使用量在19 t/h左右（设计值为0）、高压蒸汽过热器出口集合管温度458 ℃（设计值433 ℃）。转化炉出口对流段高压蒸汽过热盘管，其进口集合管材质为304、出口集合管材质为304H，出口管线材质为P91，换热管材质为316H/304，支撑管板材质为ASTM A297Gr-HF。经对高压蒸汽过热器模块的换热管、弯管、出口集箱、集箱大小头、集箱封头管帽进行模拟计算，确认高压蒸汽过热器出口集合管最高允许温度为470 ℃，实际操作中其温度不宜超过465 ℃。
1.3 不同负荷和不同位置模块振动速度各异
满负荷工况下，转化炉对流段高压蒸汽过热器模块顶部振动偏大，随着系统负荷升高、烟气量增加而愈发明显，测得模块表面振动速度峰值为20 mm/s。系统运行6个月时，负荷不足100%，模块振动主要在回弯侧表现较为明显，测得的振动速度峰值为14 mm/s；系统运行10个月后，负荷加至100%时，模块中南部靠近支撑处振动明显，振动最大处测得模块表面振动速度为20 mm/s，弯头箱处振动速度则降至4 mm/s以内。通过对运行数据的初步分析，认为对流段高压蒸汽过热器模块管束内蒸汽高速流动引发模块管束振动大或烟气与模块间的共振是模块顶部振动大的可能原因，将蒸汽过热盘管模块回弯侧弯头箱面板拆除后观察，测得管束振动速度＜1 mm/s，未发现异常，排除了蒸汽过热盘管模块管束内蒸汽高速流动引起管束振动的可能。
1.4 一期与二期系统运行数据及设备参数对比
更多内容详见《中氮肥》2024年第1期