（化学工艺专业论文）布朗流程合成氨一段炉故障原因分析与对策.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 布朗流程合成氨以其较低的能耗在化肥工业被广泛采用，其特点是轻度的一段转 化、采用燃气透平、深冷净化和采用独特的布朗回路设计，以达到节能的目的。一段炉 是整个合成氨的关键设备，其作用主要是产生h 2 和驱动后续工段燃气轮机的高压蒸汽。 一段炉的平稳运行，对整个合成氨生产系统至关重要。 乌石化二化肥布朗流程合成氨一段转化炉能耗一直过高，掺烧瓦斯气以来出现了烧 嘴箱外壁超温、天然气烧嘴被烧坏以及过热蒸汽盘管严重变形的故障。 本研究对该装置一段炉能耗进行研究，找出一段炉能耗高的真正原因，并提出故障 解决方案，同时对实际运行的一段炉工况进行优化，以提高一段炉效率。研究拟分为以 下几个部分： 第一部分，对设计工况进行物料衡算和能量衡算，找出一段炉进出口产物和入口反 应物之间的组成关系，同时校核一段炉设计工况下的物料和能量是否平衡；找出符合设 计工况的计算方法，为后续实际工况的能量衡算和物料衡算计算建立统一的基准；同时 对比设备设计值，校核设计工况是否有设计缺陷的问题。 第二部分，对实际运行的工况进行计算，结合实际工况下出现的故障，对比设计工 况和实际工况的变化，找出一段炉能耗高的原因。为一段炉大修提供理论依据和具体方 案。 第三部分，根据一段炉故障诊断的原因，提出解决一段炉故障的对策，为一段炉大 修改造方案提供指导性意见。 第四部分，对一段炉大修后实际运行的工况进行校核，分析一段炉大修后的能耗情 况，检验大修效果。 最终计算发现：烧嘴超负荷、燃气透平乏气分配不合理、燃料废气的可燃组分低和 高压蒸汽产量过大、蒸汽转化反应能耗较高是造成一段炉故障的主要原因。 根据故障原因提出了一段炉大修改进方案。大修后，天然气的消耗量显著降低，燃 气的效率大幅度提高；烧嘴外壁超温的情况得到有效解决，炉膛烧嘴火焰长度正常，一 段炉排烟温度降到1 7 5 ( 2 , ，更换的过热过热蒸汽盘管已经平稳运行了三年。 关键词：合成氨；一段转化炉；故障诊断；对策 f a i l u r ed i a g n o s i so f p r i m a r yr e f o r m e ro fb r a n ut e c h n o l o g ya m m o n i a s y n t h e s i sp l a n ta n dc o u n t e r m e a s u r e s a b s t r a c t b r a n ua m m o n i u m s y n t h e s i si sw i d e l ya d o p t e di nc h e m i c a lf e r t i l i z e ri n d u s t r yb e c a u s eo fi t s r e l a t i v e l yl o w e re n e r g yc o n s u m p t i o n i ti sc h a r a c t e r i z e db ym i l d p r i m a r yr e f o r m i n g , a p p l i c a t i o no fg a st u r b i n ea n dc r y o g e n i cp u r i f i c a t i o n , a n da d o p t i o no fau n i q u eb r a u nc i r c u i t d e s i g na sa l le n e r g ys a v i n gm e t h o d t h ep r i m a r yr e f o r m e ri st h ek e ye q u i p m e n ti na m m o n i a p r o d u c t i o n , w h o s em a i nf u n c t i o ni st op r o d u c eh 2a n dt 0d r i v eh i g hp r e s s u r es t e a mo fg a s t u r b i n ei ns u b s e q u e n ts e c t i o n t h u s ，as t a b l eo p e r a t i o no ft h ep r i m a r yr e f o r n l e ri so f p a r a m o u n t i m p o r t a n c et ot h ew h o l ea m m o n i a p r o d u c t i o n t h ee n e r g yc o n s u m p t i o nh a sb e i n gh i g hi nt h e p r o d u c t i o no fu r u m q ip e t r o c h e m i c a l c o m p a n y2 r i df e r t i l i z e rp l a n tb yb r a n ua m m o n i u ms y n t h e s i s a f t e rt h ea p p l i c a t i o no fr e f i n i n g g a sm i x t r r ec o m b u s t i o n ，f a i l u r ea p p e a r si nm a n ya s p e c t s ：o v e r h e a t i n go fe x t e r i o r so fb u r n e r b o x , b u r n to u to fn a t u r a lg a sb u r n e ra n ds e r i o u sd e f o r m a t i o no f s u p e r h e a t e ds t e a mc o i l i nt h i ss t u d y , w ec o n d u c t e ds y s t e m a t i cr e s e a r c ht of i n do u tt h er e a lc a u s e so f h i g i le n e r g y c o n s u m p t i o no fp r i m a r yr e f o r m e ri no r d e rt op u tf o r w a r ds o l u t i o n so ft h ef a u l t sm e n t i o n e d a b o v e ，a n dt oo p t i m i z et h ea c t u a lr u n n i n gc o n d i t i o n so fp r i m a r yr e f o r m e rs oa st oe n h a n c et h e e n e r g ye f f i c i e n c yo fp r i m a r yr e f o r m e r 乃es t u d yi sd i v i d e di n t ot h ef o l l o w i n gp a r t s 。 p a r to n ei st of i n do u tt h er e l a t i o n s h i pa m o n gi m p o r t e dp r o d u c t s , e x p o r t e dp r o d u c t sa n d i m p o r tr e a c t a n t si np r i m a r yr e f o r m e rt h r o u g hc a l c u l a t i n gm a t e r i a lb a l a n c ea n de n e r g yb a l a n c e o nd e s i g nc o n d i t i o n , c h e c k i n gw h e t h e rt h e yh a v ea n , i v e dm a t e r i a lb a l a n c eu n d e r t h ed e s i g n c o n d i t i o n so fp r i m a r yr e f o r m e r b e s i d e s ，t of i n do u tc a l c u l a t i o nm e t h o d si na c c o r d a n c ew i t h t h ed e s i g nc o n d i t i o na n ds e tu pu n i f i e db e n c h m a r k sf o r e n e r g yb a l a n c ea n dm a t e r i a lb a l a n c e c a l c u l a t i o ni nt h ef o l l o w i n gp r a c t i c a lw o r k i n gc o n d i t i o n i n p a r to n e ，w ea l s oc h e c ki ft h e r ea l e d e s i g nd e f e c t si nt h ed e s i g n e dw o r k i n gc o n d i t i o n sb yc o n t r a s t i n gt ot h ev a l u eo fe q u i p m e n t d e s i g n , p a r tt w oi st od oc a l c u l a t i o n si na c t u a lo p e r a t i o nc o n d i t i o n s ，t oc o n t r a s td e s i g nc o n d i t i o n s a n dc h a n g e sb yc o m p a r i n go p e r a t i n gd a t aw i t hd e s i g ni n d e x ，a n dt o a n a l y s et h ec a u s eo f h i g h e re n e r g yc o n s u m p t i o no fp r i m a r yr e f o r m e ra n dp r o p o s es o l u t i o n s b e s i d e s t op r o v i d e t h e o r e t i c a ib a s i sa n dc o n c r e t es c h e m ef o rm a j o r r e p a i ro fp r i m a r yr e f o r m e r p a r tt h r e ei st o p r o v i d eg u i d a n c es u g g e s t i o nt om o d i f i c a t i o ns c h e m eo fm a j o rr e p a i ro f p r i m a r yr e f o r m e r ，a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ff a i l u r ed i a g n o s i s p a r tf o u ri st od ot h ec h e c kf o rm ea c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o n sa f t e rm a j o r r e p a i ro fp r i m a r y r e f o r m e r , a n dc h e c kt h ee f f e c t so fm a j o rr e p a i rb ya n a l y z i n gt h ep r i m a r yr e f o r m e r se n e r g y c o n s u m p t i o na f t e rm a j o rr e p a i r c a l c u l a t e dr e s u l t so ft h i sr e s e a r c h f i n a l l yr e v e a lt h a t ：b u r n e ro v e r l o a d i n g ，i r r a t i o n a l i i i 布朗流程合成氨一段炉故障原因分析与对策 d i s t r i b u t i o no fg a st u r b i n ee x h a u s t i o n , l o w e rc o m b u s t i b l ec o m p o n e n t si nf u e la n de m i s s i o n a n de x c e s s i v eh i g h - p r e s s u r es t e a mp r o d u c t i o na r em a j o rc a u s e so ff a u l t so fp r i m a r yr e f o r m e r w e p u tf o r w a r da ni m p r o v i n gp l a nf o rm a j o rr e p a i ro fp r i m a r y r e f o r m e ra c c o r d i n gt of a i l u r e c a u s e s a f t e rm a j o rr e p a i r , c o n s u m p t i o no fn a t u r a lg a sd e c r e a s e ds i g n i f i c a n t l ya n dt h e r ei sa s u b s t a n t i a li n c r e a s ei nt h ee f f i c i e n c yo fg a sc o m b u s t i o n o v e r h e a t i n ge x t e r i o rp r o b l e mo fa b u r n e rh a sa l s ob e e ns o l v e de f f e c t i v e l y b u r n e r s f l a m el e n g t ho ft h ef b r n a c ei sn o r m a l ，a n d t h ee x h a u s tt e m p e r a t u r eo fp r i m a r yr e f o r m e rh a sd r o p p e dt o17 5 r e p l a c e d s u p e r h e a t e d s t e a mc o i l sh a v er u ns m o o t h l yf o rt h r e ey e a r s k e yw o r d s ：a m m o n i as y n t h e s i s ；p r i m a r yr e f o r m e r ；f a i l u r ed i a g n o s i s ； c o u n t e r m e a s u r e s i v 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 作者签名： 布朗流程合成氨一段炉故障原因分析与对策 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 锄褂：一弋一 大连理工大学硕士学位论文 引言 我国于2 0 世纪9 0 年代开始相继建了5 座布朗工艺合成氨厂，分别为乌鲁木齐 石化总厂第二化肥装置，合江天华公司，建峰化肥厂，锦西天然气化工厂和海南富岛大 化，规模都是日产1 0 0 0 t 以上。一段炉是布朗流程合成氨装置的关键设备，投资约占到 整个装置投资的3 0 。 国内外有各种形式的转化炉的发展趋势是热效率更高、炉型更紧凑。国内外转化炉 容易出现故障的部位有转化管、盘管、燃烧室保温材料等，因各厂工艺条件不尽相同， 因此故障现象各有差异。 由于国内布朗流程合成氨装置都是从国外引进，由于技术消化能力以及制造、安装 和操作等原因，都多少存在实际工况达不到设计要求的情况。乌石化一段炉项目组在前 期调研也发现，国内几家布朗合成氨装置一段炉都多少存在满负荷运转时达不到设计要 求的问题。本项目调研发现，建峰化肥厂的梯台炉在满负荷运转时，炉子热负荷高、转 化管出口物流温度达不到设计值( 6 9 4 ) ，导致甲烷转化率偏低、对流段底部温度超高， 造成底部预热盘管局部烧坏，翅片烧化，支架变形的问题，这和乌石化一段炉对流段底 部过热蒸汽盘管变形的故障十分相像。合江天华公司的一段炉也存在外壁超温的问题。 乌石化二化肥合成氨至1 9 9 9 年开始，一段炉的天然气烧嘴中掺烧炼厂高压瓦斯。 由于炼厂高压瓦斯的热值低，为了达到原来的热负荷只有加大燃气量。加大燃气量的直 接后果是引风机能力不足；掺烧瓦斯的天然气烧嘴背压由设计值0 1 8 m p a 升到o 3 5 i l p a ； 瓦斯大量掺烧后燃烧火焰上移，造成拱顶超温，过热蒸汽盘管过热变形；同时由于天然 气烧嘴背压过高，迫使废气烧嘴无法正常燃烧，只能处于回火状态燃烧，使废气烧嘴、 烧嘴火盆损坏。乌石化一段炉出现了一系列的故障。 围绕一段炉的故障，本研究从热负荷计算的角度出发，建立计算方法，分析布朗流 程一段炉合成氨故障的原因，并提出了解决一段炉故障的对策。 布朗流程合成氨一段炉故障原因分析与对策 1研究概述 1 1天然气蒸汽转化工艺流程 1 】 天然气首先经脱硫工序除去h 2 s 及其它硫化合物后，与水蒸汽混合，在一段转化护 的反应管内进行转化反应，产生h 2 、c o 和c 0 2 ，同时还有未转化的c h 4 和水蒸气，构成 一段转化气。转化反应吸热，因此在一段炉需要燃料燃烧，供给蒸汽转化所需热量。 一段转化气进入二段转化炉，在此引人空气。空气在炉内燃烧掉一部分h 2 或c o 和 c h 4 ，放出热量以供c h 4 和水蒸汽进一步发生蒸汽转化，同时c h 4 也和氧气发生部分氧化 反应，使得气态烃转化为h 2 ，又把合成氨所用氮气引入系统。二段转化气残余的c n 4 已 经很少了。 接下去的高温变换和低温变换( 简称高变和低变) 各在不同的温度下使气体中的c o 与水蒸汽反应，生成等量的c 0 2 和h 2 ，从而提供了更多的作为合成氨原料的氢气。这个 反应叫作变换反应。 以上几个工序构成了合成氨的造气系统，制出了合成氨所用的粗原料气，主要成分 是h 2 ，n 2 和c 0 2 。 粗原料气进入脱碳工序，在这里用一种溶液把气体中的吸收掉，随后又使溶液加热 并减压，把c 0 2 释出作为副产品，溶液循环使用。 甲烷化工序把气体中残存的少量c 0 2 和c 0 经甲烷化反应变成水蒸汽和c h 4 。水蒸汽 经冷凝排出，而c h 4 对后续工序是无害的惰性气体。脱碳和甲烷化合称净化，即把粗原 料气净化为合成氨所需要的纯净的氢氮混合气。 氢氮混合气用合成气压缩机压缩到高压，送入合成塔进行合成氨反应。由于气体一 次通过合成塔后只能有1 0 - - 2 0 的氢氮气反应，因此需要将出塔气体冷却，使产品氮冷 凝分出，分离后用来反应的h 2 和n 2 重新送回合成塔。 为提供分离产品氨所需要的冷源，专门设有冷冻工序，以氨作为冷冻介质循环使用。 以上所述工艺流程大体上可分为制气，净化和合成三个部分。此外，在凡有生产余 热可资利用之处，都安排有热回收设备，构成了全厂的蒸汽动力系统，穿插于各个工艺 工序之内。 大连理工大学硕士学位论文 天萎气 l 空j c o2 _ 产 一一il 图1 1 合成氨工艺流程图 f i g 1 1t h ep r o c e s sf l o ws h e e to f a m m o n i as y n t h e s i sp l a n t 1 2 布朗流程合成氨流程工艺特点 2 】 ( 1 ) 轻度的一段转化。布朗净化工艺中一段转化的温度比传统的合成氨制气工艺 的温度低得多，使一段炉出口的残余c h 4 维持在2 5 - - 3 0 左右，把在一段转化炉中的c h 蒸汽转化反应部分移n - - 段炉中进行，从而降低一段转化炉投资与燃料消耗。 ( 2 ) 二段转化炉加入过量空气。二段转化炉加入过量空气，过剩量为5 0 ，从而增 加二段转化炉的反应热，降低了一段炉的热负荷，缩小一段转化炉辐射段。二段炉放出 的热量可以1 0 0 得到利用。另一方面残余甲烷含量允许比传统工艺高，因而二段转化炉 的出口温度亦可降低，这都促成转化部分总能耗下降，烧料消耗量减少。 ( 3 ) 工艺空气压缩机采用燃气透平驱动。燃气透平排放的热废气( 乏气) 用作一 段转化炉的燃烧空气。燃气透平与一段炉匹配使整个系统热量利用最佳。其综合热效率 可达8 5 左右。而采用蒸汽透平驱动空压机则循环总效率为2 5 - - - 3 0 。 ( 4 ) 深冷净化是布朗净化工艺的核心。在此工序几乎所有的甲烷和5 0 以上的氩与 多余的氮气作为废气被脱除。这些废气作为分子筛再生气，再送回一段转化炉作燃料。 净化后得到氢氮比为3 ：1 ，不含对合成催化剂有毒害的水和c 0 2 且惰性含量低( 仅为传 统流程的2 5 ) 的高纯度合成气，因此可使合成回路在较低的压力下操作，合成气压缩 机能耗降低，合成回路能耗降低。另外冷厢把整个装置分成前后两个部分，增加了装置 布朗流程合成氨一段炉故障原因分析与对策 的稳定运转率和操作弹性，使前后工序波动相互影响减小。 ( 5 ) 独特的布朗合成回路设计。由于补充的新鲜合成气经过深冷净化不含对氨 合成催化剂有害的碳氧化物与水分，故可直接与分出氨后的循环气汇合经预热后进入合 成塔。这样有两大优点：首先合成回路需要的冷冻量比传统设计的低。因为传统工艺补 充的新鲜合成气要送入冷冻系统进一步除去碳氧化物与水分后，才能进入合成塔，而该 工艺不需要；其次，由于不含氨的补充新鲜气加入到分氨后的循环气中，使得进合成塔 的气体中含氨量比传统工艺低，故相应提高了氨合成率。补充的新鲜合成气中惰性气 体含量低，使得合成回路能在较低压力下操作，节省了压缩机的功率，同时减少驰放气 量，降低了原料气的消耗。氨合成是在三个绝热式轴向合成塔内进行，每个塔后设一 废热锅炉，构成一个系列。合成塔结构简单，便于催化剂更换与节省投资。所设三台废 热锅炉产生高压蒸汽，除回收热量外并使合成回路操作稳定。产汽量的多少依赖氨产量 的变化。但不影响合成催化剂温度分布。 ( 6 ) 工艺冷凝液采用全量工艺中压蒸汽汽提。经处理后工艺冷凝液中含有机物小 于l p p m ，经回收热量后送到冷凝液精制系统处理，用以锅炉的补充水。汽提塔顶出口的 蒸汽含微量氨、甲醇与甲醛等有机烃类物，作为一段转化炉工艺蒸汽用，起到消除环境 污染与节约能量的作用。 1 3 乌石化二化合成氨工艺流程 ( 1 ) 天然气压缩及脱硫 合成氨原料气为从天然气公司送来的经过湿法脱硫的以甲烷为主的天然气，还含有 一定量的硫化氢和有机硫化物，这些都会使合成氨一系列催化剂中毒失去活性。为了减 小设备体积和便于输送，原料气需要经过压缩到一定压力后送出。经过三段压缩、冷却 和分离，一部分原料气从压缩机二段段间抽出，用作燃气透平的燃料，一部分进入脱硫 工序。 原料天然气流量经f c l o o f i 一2 0 0 计量后送到原料气预热器e - 1 8 加热至1 4 0 ( t i - 1 0 2 ) 。原料天然气中含h 2 s 及有机硫化物，有机硫化物9 0 为硫醇。 原料气脱硫分两步进行： 第一步：原料气加氢。经常温氧化铁脱硫后的天然气，再经c - 4 压缩后与从氨回收 系统来的由f c - 2 0 4 计量的一部分弛放气混合，送到e - 1 8 预热至1 4 0 ，再到一段炉h _ l 对流段原料气预热盘管加热至3 7 0 ，然后经c o - m o 加氢器v - 5 a 使有机硫转化成h 2 s 预热盘管设有一3 旁路，用来调整进入v - 5 a 的温度。 第二步：原料天然气再经两个可并可串的氧化锌脱硫槽v - 5 b c 将硫的含量降至 0 2 p p m ( w ) 以下。 ( 2 ) 一段转化 大连理工大学硕士学位论文 脱硫后的天然气与由f c - 1 0 1 计量的中压蒸汽混合组成混合气，使水碳比f f y 一1 0 1 为2 7 。混合气与高温变换炉r _ 2 出口气换热器e - i o 换热，被加热至4 1 5 ( t i 一1 3 8 ) 后，进入一段转化炉对流段的混合原料盘管中进一步加热至5 4 5 ( t i 一1 0 6 ) 后，压力p i 一6 为3 3 1 m p a ( g ) ，经上集气管和上猪尾管分配进入竖琴排列的一段转化炉装填催化剂的反 应管。在镍催化剂作用下原料天然气与水蒸汽反应生成氢气及碳氧化合物混合物。 一段转化气经下猪尾管和下集气管出来的温度t i - iii 为6 9 5 ，其床层压差p d i 一 4 9 2 为2 5 0 k p a ，残余甲烷a i - 1 0 5 为2 9 3 6 ( 干基) ，流量为9 2 8 5 0 k g h ( 湿基) 。一段 转化气经输气总管送入二段转化炉r _ l 顶部。 燃气透平排出的5 3 8 ( t i - 2 3 7 ) 气体( 乏气) 中氧含量为1 4 5 1 ( v ) ，作为一段 转化炉燃烧空气，经p c - 1 6 6 控制后，绝大部分通过四个主风道再由各分风道送入燃烧 器，产生的烟气进入辐射段；一部分在过渡段与辐射段来的1 1 1 9 ( t i - 2 4 1 2 4 2 ) 混合， 其温度为1 0 0 0 ( t i - 2 8 0 ) 进入对流段。其分配比例是由燃烧量与辐射段出口气体氧含 量a i c - 1 0 4 ( 4 9 9 ) 而定，烟气用作预热高压蒸汽、混合原料气、二段转化炉工艺空气、 原料天然气及锅炉给水。由一台蒸汽透平b t - 1 a 和一台变频电机船一i b ( 有5 0 和5 4 h z 两个频率) 驱动的两台引风机b - i a b 将温度已降到1 9 6 ( t i - 2 3 9 2 4 0 ) 的烟气抽出， 通过烟囱排入大气b - 1 a b 进口挡板p v 1 6 7 a b 的开度把拱项处的压力p c 1 6 7 ( p i 一2 1 6 ) 控制在- 5 0 p a ，以满足各燃烧器的燃烧需要。 当c g t - i 未启动而h - 1 要投入运行时，其燃烧空气由全开的p v - 1 6 5 a b 提供。同样 当c g t - i 运行时，i 卜1 有故障或不需要那么多空气，可通过p c - 1 6 5 控制p v _ 1 6 5 a b 的开 度大小来满足h 1 的燃烧需要。 从v _ 4 出口引出的一股天然气经p c - 1 9 2 调压，由f i - 1 7 5 计量，再由p c - 1 7 0 控制 到1 0 4 个上下两排均匀布置的燃烧器的燃烧天然气的背压。 h _ l 共有上下两排均匀对称布置的燃烧器1 0 4 个。每个燃烧器有两组烧嘴：一组是 烧天然气的共2 支，另一组烧废气和弛放气的共3 支。在每层燃烧器上部和端头设有窥 视孔，以便观察燃烧状况( 火焰正常颜色是黄糖色) 和转化管的颜色( 正常颜色是灰黑 色) 变化。 ( 3 ) 工艺空气压缩及燃气透平 工艺空气压缩机向二段转化炉提供工艺空气，并向合成氨装置提供仪表空气和公用 空气。工艺空气经过虑压缩并在一段转化炉对流段进一步加热后，进入二段转化炉。工 艺空气压缩机c - i 的进口空气通过入口过滤器f _ 1 把大气中的粉尘过滤掉，进入消音器， 然后进入压缩一段，经压缩后，经中冷器冷却和分离器分离后，其温度降到4 3 ( t i 1 1 7 ) ，压力p i - 2 2 1 为1 7 8 k p a ，然后进入工艺空气压缩二段，经压缩后温度t i 一2 5 2 升到 2 0 7 ，压力p i - 1 0 8 为7 8 2 k p a 。空气经二段中冷器冷却和分离器分离后。压缩后的工艺 空气分为两股，一股由f i - 2 2 1 计量气体作为仪表空气，其余的进入高压缸，压缩后压 布朗流程合成氨一段炉故障原因分析与对策 力p i - 2 2 3 为3 2 2 m p a ，温度t i - 1 2 1 为2 4 5 从高压缸出来的高压空气经f i - 1 0 3 ( 5 7 6 0 0 n m 3 h ) 计量后送入h _ l 对流段工艺空气预热盘管预热到5 1 0 ( t i - 1 0 3 ) ，压力p c - 1 0 9 为2 9 8 m p a 。 燃气透平的空气经过滤器f _ 2 和消音器s - 2 后，进入压气机把压力p i 一1 6 2 升到4 8 8 k p a ，作为燃气透平的燃烧空气。从c - 4 来的1 4 4 ( t i - 4 0 7 ) 的天然气经f i - 1 7 2 ( 5 1 2 1 n m 3 h ) 计量后，进入c g t l 的配气机构将燃料天然气均匀地分配到1 0 个环形布置的烧 嘴，与空气在燃烧室中混合燃烧，气体膨胀作功供给工艺空气压缩机需要的动力。 c g t - 1 设有一台用中压蒸汽为动力的大气式背压启动透平阱l ，在c g t 一1 启动时， 它用一离合器相联，当c g t - 1 的转速达到自持转速后，离合器自动脱扣。 ( 4 ) 二段转化 压缩后的工艺空气在一段转化炉对流段中预热，经流量计f c - 1 0 5 ( 5 7 6 0 0n m 3 h ) 计量后送到二段转化炉上部环形布置的1 2 ( 四长八短，流通面积为0 0 3 5 m 2 ) 支空气分 布器，高速喷入二段转化炉，空气中的氧与一段转化气反应，生成碳氧化物及水同时放 出热量( t i - 4 5 8 ：最高1 2 0 0 ) ，供一段转化气中的甲烷在镍催化剂床层上进一步转化 成氢气及碳氧化物，二段转化炉出口气体温度8 7 0 ( t i - 4 5 9 ) ，残余甲烷1 6 5 ( a i - 1 0 8 ) ， 流量为2 2 3 0 0 0n m 3 h 。 残余甲烷与过量的氮气一起在以后的深冷净化装中脱除。 ( 5 ) c 0 变换 二段转化气流冷却至3 8 8 ( t c - 2 5 9 ) ，进入高温变换催化剂床层的高变炉r _ 2 ，在此 c o 与水蒸气反应生成c 0 2 和h 2 。高变出口气体中c 0 的含量为3 4 9 ( a i - 1 0 0 b ) ，温度t i - 1 3 2 为4 4 3 。该气体相继与原料天然气蒸汽混合气在e - l o 换热及锅炉给水换热器e _ 1 l 换热后冷却至2 0 4 ( t i - 2 5 6 ) ，然后流经低温变换炉r - 3 催化剂床层，在此c 0 进一步 与水蒸气反应生成c 0 2 和h 2 。出口温度t i - 1 3 7 为2 3 0 ，低变出口气体中c 0 含量为0 3 7 ( a i 1 0 0 a ) 。低变出口气送去c 0 2 脱除系统。 ( 6 ) c 0 2 脱除 低温变换炉出来的气体，相继经过三个热变换冷凝液废热锅炉e - 1 2 、溶液再沸器e - 1 3 、脱盐水预热器e - 1 4 温度从2 3 0 ( t i - 1 3 7 ) 冷却至1 0 4 ( t c 一1 4 2 、t i - 2 7 2 ) 。冷 却后的工艺气体进入二氧化碳吸收塔。在此，用苯菲尔溶液洗涤以脱除其中绝大部分的 二氧化碳，使二氧化碳在合成气中的含量降到8 0 0 p p m 以下。 ( 7 ) 甲烷化及气体的干燥 、 从c 0 2 吸收塔来的气体压力p i c - 1 2 3 为2 7 8 m p a ，温度为7 0 ，进入甲烷化进出口 换热器e - 2 7 的管侧和用高压蒸汽作热源的甲烷化开工加热炉e - 2 8 ，加热到反应所需的 温度3 1 6 ( t i 一1 5 3 ) ，进入甲烷化炉r - 4 。二氧化碳和一氧化碳在这里重新转化为对合 成催化剂无毒的甲烷。从二氧化碳吸收塔顶部出来的气体，流经甲烷化炉，在这里剩余 大连理工大学硕士学位论文 的碳氧化合物和氢在镍催化剂上反应，生成甲烷和水。 甲烷化炉出口气，其中含有氢气( 6 4 8 2 ) 、氮气( 3 2 3 9 ) 、反应后的气体温度升到 3 5 3 1 3 ( t i - 1 5 4 ) 进入e _ 2 7 的壳侧，出口气被冷到1 0 6 ( t i - 4 7 ) ，进入水冷却器e - 3 0 壳侧被冷到3 7 c ，再进入氨冷却器e 3 l 管侧，被冷到4 4 c ( t i 一1 5 6 ) 。气体进入分离 罐v _ l ，分出的水通过p - 1 0 送往v - 8 。从顶部出来的气体送往气体干燥单元。 ( 8 ) 深冷净化 干燥器出口气在深冷净化装置中与合成气及净化装置废气换热，冷却至零下1 2 9 ， 使工艺气产生部分液化。然后该气液混合物流经一个膨胀机以除去能量，从而产生深冷 净化装置所需的冷冻量。膨胀机出口气经过换热进一步冷却并部分冷凝，使温度降至零 下1 7 5 1 3 ，然后进入净化器精馏塔。 ( 9 ) 合成气的压缩 净化后的合成气经三段压缩至大约1 4 m p a 。循环气在循环段前与新鲜气混合进入循 环段，该混合气体离开压缩机时的压力为1 5 1m p a 。混合气体经预热后直接进入合成塔 ( 1 0 ) 氨的合成及分离 从合成气压缩机出来了的合成气压力p i - 1 4 2 为1 4 6 8 m p a ，经进入合成塔第一换热器 e - 4 l 壳侧。被预热到4 2 0 c ( t i 一2 0 5 ) ，与冷旁路t v - 2 0 0 来的气体混合后，从下而上地 通过第一合成塔r - 5 在此进行氨的合成反应，并放出大量的热量，出来后，进入第一合 成回路蒸汽发生器e - 5 3 壳侧被冷却到3 8 0 c ( t i - 2 7 8 ) 进入第二塔r 一6 。然后进入第三 合成塔。氨是在三台串连固定径向合成塔内生成的，在合成塔之间要进行冷却。每台合 成塔内部都装有常规的氨合成铁催化剂。 ( 1 1 ) 冷冻 从v - 2 5 冷端来的液氨经l c - 1 4 4 控制后进入高位氨冷器e 一4 5 的壳侧，一部分氨受 热气化，进入高位氨冷分离器v - 2 3 分出液滴后，从顶部出来的气体温度为1 7 2 1 3 ( t i 一 2 7 4 ) 、压力为0 6 8 f f a ( p i - 1 4 3 ) ，进入冰机c 一3 的二段入口。 从e - 4 5 底出来的液氨分成两路，一路经与从氨增压机c - 3 0 l a b 来的气氨混合后进 入e 一4 6 的气相侧。一路经l c 1 4 7 控制后进入e - 4 6 的壳侧，部分氨受热气化，进入低 位氨冷分离器v _ 2 4 ，分出液滴，气体从顶部出来，其温度为1 6 1 2 ( t i 一2 7 5 ) 、压力为 3 5 0 k p a ( p c 一1 4 4 ) 流量为2 8 3 4 0 n m a h ( f i 一1 5 0 ) ，进入c 一3 一段入口。 ( 1 2 ) 产品氨 产品氨从氨收集槽v - 2 5 中抽出，经液氨泵p - 1 2 a b 送至尿素装置。氨贮槽的闪蒸 汽经压缩、冷凝后返回氨贮槽的维持贮存量。尿素装置减产时，可由第二氨冷器e 一4 6 抽出1 6 1 3 产品送入氨罐t k _ 3 0 0 a b 。冰机c - 3 系统设计能力为可产3 0 的一3 3 1 3 冷氨及 7 0 的热氨。氨罐的闪蒸汽经升压后返回到冰机吸入口。合成氨装置可按设计能力的7 0 操作。 布朗流程合成氨一段炉故障原因分析与对策 1 4国内布朗流程合成氨装置一段炉概况与相关研究综述 1 4 1国内布朗合成氨装置一段炉概设备况 我国于2 0 世纪9 0 年代开始相继建了5 座布朗工艺合成氨厂，分别为乌鲁木齐 石化总厂第二化肥装置，合江天华公司，建峰化肥厂，锦西天然气化工厂和海南富岛大 化，规模都是日产1 0 0 0 t 以上： 乌石化及合江川天华一段转化炉均为意大利k i r c h n e r 的直壁侧烧方箱炉，除均为 8 8 根转化管和1 0 4 个烧嘴外，合江比乌石化在辐射室出口过渡段拱项部位多设8 个辅助 烧咀( 辅烧只在试车时投用过一次，此后一直未投用) 。其转化管悬挂交错位置略有不 同，其余炉体结构、辐射段及对流段的尺寸设计与乌石化相同。建峰化肥厂一段炉为梯 台侧烧方箱炉，但工艺设计参数三家基本一致，均属于布朗工艺流程。 海南富岛大化装置一期一段转化炉系托普索工艺包日本宇部改进型侧烧炉，有两个 平行排列的辐射段，呈“ 字型共用一个对流段，单台1 7 0 k w ，9 3 0 r p m 引风机运行， 共有转化管1 0 8 根，其烧嘴垂直于炉壁，左右对应中间的转化管自下而上分5 层共4 组， 每层4 8 个烧嘴，共有2 4 0 个烧嘴，整个炉体尺寸较大。其烧嘴属自吸式无焰烧嘴，助 燃空气直接从大气中由烧嘴外部的吸入口靠炉内负压吸入炉膛。 富岛二期装置一段转化炉为凯洛格型直壁顶烧复式炉，辐射段共有转化管1 9 2 根， 分四排布置，内径达1 2 4 m m ，有效转化长度达1 0 7 4 0 m m 。顶部烧嘴分5 排与转化管交错 布置，共7 0 个。 国内外有各种形式的转化炉，转化炉的发展趋势是热效率更高、炉型更紧凑。国内 外转化炉容易出现故障的部位有转化管、盘管、燃烧室保温材料等，因各厂工艺条件不 尽相同，因此故障现象各有差异。由于国内布朗流程合成氨装置都是从国外引进，由于 技术消化能力以及制造、安装和操作等原因，都多少存在实际工况达不到设计要求的情 况。 1 4 2 布朗合成氨装置一段炉相关研究综述 合成氨一段炉各项技术比较成熟，国内相关研究主要集中在辐射传热、甲烷蒸汽转 化反应模拟和对流段能量综合上，关于一段炉故障的进行系统的归纳，以及故障诊断方 面的研究很少。现有的文献集中在理论模型的建立和能量优化设计方面。有代表性的国 内和国外也只有屈指可数的几篇。 在段炉三维辐射传热模拟和热力学模型结合方面，何东【2 ( 2 0 0 7 ) 对四川天华公 司一段转化炉进行建模和计算，建立炉膛燃烧传热模型和管内气固相催化反应模型。炉 膛燃烧传热过程采用h o t t l e 区域法建立三维辐射换热模型，与管内的气固相催化反应 动力学模型迭代求解，得出了炉膛三维温度分布以及管内温度、压力、组成随转化深度 的分布。由于炉膛燃烧传热模型采用三维模型，与传统的一维和二维模型比较，数学模 大连理工大学硕士学位论文 型能够与实际情况更好的吻合。 针对一段炉能量优化与综合的研究。h a i t h a mm s 等 3 】( 2 0 0 2 ) 分析了一段炉对 流段烟气的温度，采用夹点分析法对流段盘管的排列方式进行分析计算，并建议了新的 盘管排列方式，该排列方式有效的降低了燃料消耗量( 1 7 6 ) 。国内匡正扬等【4 】( 2 0 0 3 ) 利用夹点分析方法，对贵州赤天化集团公司合成氨装置的一段转化炉对流段( 包括天然 气增湿部分) 进行用能分析，并在此基础上进行调优，以实现生产装置的能量综合优化。 蒲秋生 5 】等( 1 9 8 8 ) 针对引进的大型合成氨装置( 1 0 0 0 吨日) 一段护热回收系统，应用 系统工程中的复杂系统最优化理论，建立了多目标、强约束的最优化数学模型，并采用 图解与最优化计算相结合的方法进行最优练合。所得结果与原设计的比较表明，优化设 计方案的热回收率有较大幅度的提高，其它技术经济指标( 投资及操作费、有效能回收 率) 彼此相近。 在一段炉热力学和动力学模拟方面，s v e r r eg 等i s ( 2 0 0 1 ) 用一连串偏微分方程 组成的质量、热量传递方程组，并附上适当的边界条件。建立一段炉蒸汽转反应和炉膛 传热的模型。该研究还研究了不同炉膛形状下蒸汽转化反应的情况。模型和实际值符合 很好。h m k v a m s d a 等 7 ( 1 9 9 9 ) 建立起动力学模型，对甲烷蒸汽转化模型进行研究， 发现甲烷的转化率对传热系数并不敏感。模型通过计算入口固定水蒸气的流量和调整不 同的天然气的流量，来找出最佳的蒸汽转化反应甲烷的转化率。s e p e h rs a n a y e 等 8 】( 2 0 0 7 ) 对建立模型对一段炉进行热力学和动力学模拟，采用稳态传热模型，进行热 量平衡计算，建立蒸汽转化反应的动力学模型。该文所建立的模型对一段炉有很好的模 拟，模型还研究了压力、水碳比、天然气组成等对甲烷蒸汽转化反应的影响。 针对一段炉故障进行研究，国内的文献很少，大多是工厂的内部技改资料，出现在 工厂内部刊物上。关于建峰化肥厂一段炉的研究有两篇论文：吴鸿欣 9 】( 2 0 0 2 ) 对建峰 化肥厂一段炉进行研究探讨，对布朗合成氨装置一段炉在满足生产时，常存在着热负荷 高、转化管出口物流温度达不到设计值( 6 9 4 ) 的问题，导致甲烷转化率偏低、对流段底 部温度超高，造成底部预热盘管局部烧坏，翅片烧化，支架变形，这类问题进行研究，通 过热负荷计算分析了以上问