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    耐硫高温变换炉工艺系统安全设计讨论.pdf

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    耐硫高温变换炉工艺系统安全设计讨论.pdf

    许荣国等耐硫高温变换炉工艺系统安全设计讨论 47 耐硫高温变换炉工艺系统安全设计讨论 许荣国 丁琳邹红徐国峰 中海油山东化学工程有限责任公司 济南250101 摘要 本文从段间旁路煤气、补入蒸汽、补入氮气、连锁保护四个方面详细讨论HTL粉煤加压气化变 换系统高温变换炉的工艺系统安全设计,以保证高温变换炉设备及系统安全。对高一氧化碳含量煤气的高温变 换系统设计具有一定的借鉴意义。 关键词 HTL粉煤加压气化高温变换安全连锁系统设计水气比 航天炉HTL粉煤加压气化制得的原料气中 CO的体积分数高达65%~70%干基,水气比 为0.9~1.2,某项目气化煤气的原料组成见表1, 因此变换反应推动力大,反应剧烈。目前广泛 应用的变换反应器为绝热轴向固定床反应器,剧 烈的变换反应容易造成床层及设备超温,存在安 全隐患。为了保证变换反应器设备及系统安全, 对高温变换反应系统必须设置有效的温度控制和 安全保护措施。据文献报道,目前设计及操作中 常采用补人蒸汽提高水气比L2]、增加催化床层段 间煤气旁路 等方式控制床层热点温度,防止设 备超温。 表1 HTL煤气的主要组分 结合实际项目,详细讨论在某项目中对于HT L粉煤加压气化高温变换系统设计中采取的温度 控制和安全保护措施。 1 耐硫高温变换反应系统设计 来自HTL气化装置的约206c【饱和煤气经汽 水、粉尘分离后经过热交换器E一1预热至 260E后进脱毒槽R一2进一步脱除氧等杂质。 出脱毒槽的煤气可适量补人蒸汽调节水气比,进 入第一变换炉R一1。反应器出口变换气温度约 450C,经热交换器、中压废锅B一1移热去变 换后续系统。在此高温变换炉设计中,其入口温 度由热交换器旁路冷激副线Tv一1控制;中压废 锅出口变换气温度控制即移热量由旁路副线 TV一2控制;变换炉段间副线煤气量由HV一3控 制,能够降低变换反应负荷;高压氮气接人变换 炉人口及段间旁路,必要时补氮,降低反应转化 率。其中第一变换炉的设计温度为485oC,为保护 设备安全,设置了联锁保护及联锁停车系统。系 统设计流程见图1。 图1第一变换炉系统设计流程简图 2耐硫高温变换反应系统设计讨论 2.1煤气旁路设计 由于第一变换炉变换反应由动力学控制,反 应剧烈,需要根据变换反应转化率要求严格控制 催化剂的装填体积。开车时,变换负荷是根据航 天炉的负荷慢慢从30%升至100%,而在催化剂装 许荣国工程师。2008年毕业于中国科学院过程工程研究所化学工程专业获硕士学位。现从事煤化工及液化天然气工程设计。联系 电话053155697408,Emailxurongguo1430163.eom。 48 CHEMICAL ENGINEER玎 G DESIGN 填时往往考虑1 10%的设计负荷。因此开车时煤气 的催化床层停留时间增长,在实际操作中容易出 现超温,见图1。在变换设计时,将第一变换炉分 两段装填 j,在段问引人煤气旁路。变换炉内设 置旁路煤气分布器,见图2,保证煤气均匀向下流 动。当第一变换炉开车时,将旁路全部打开,使 低负荷下的煤气主要通过下层催化剂,随着负荷 的增加,慢慢关小旁路煤气流量阀HV一3。从而 可以控制煤气通过催化床层的停留时间,保证在 开车过程中不出现超温。 图2第一变换炉段间旁路煤气入口分布器 同样,当在100%负荷正常操作时,110%催 化剂设计装填量也容易造成设备超温,因此如果 发现变换炉的出口温度高报警,可以在DCS控制 室适当开启旁路煤气控制阀HV一3,降低变换转 化率,降低变换炉出口温度,防止变换炉在高温 负荷下长期操作。 2.2蒸汽补入线设计 HTL粉煤加压气化煤气水气比0.91.2, 按照目前主要几家耐硫高温变换催化剂的厂家报 道_4 ,第一变换炉可以不需补充蒸汽,从而降低 了变换系统的能耗指标。然而为了保证变换系统 的适应性,以及考虑后续变换催化剂的失活,在 设计中保留蒸汽补人线,根据实际操作需要确定 是否少量加入蒸汽保证变换转化率,见图1。FV一 1流量控制阀即可控制补入蒸汽的流量。 据文献报道,在低水气比下,第一变换炉出 口变换气温度随着水气比的增大而升高,当水气 比增大到某值后,出口变换气温度开始降低 J。 使用ASPEN PLUS软件对煤气260cc进第一变换炉 反应进行了模拟计算,见图3。 当水气比为0.9时,温度对变换转化率的增长 520 S0 6 。 理450 450 转化率 O 5S O6O O65 0 70 O 75 0 80 085 O 90 0 95oo l 05 , /’ 产 声 ▲1 l十水气tt为0.9时转化率一温度曲线 I转化率为0.5,16时水气比一温度曲线 l l l { I 52O 510 5OO 4g0 B0 d7O 460赠 J5O 440 J3O 420 U u 口a U/1.1 U w U 0 UW U W l U々 水气比 图3水气比、转化率对变换炉出口温度的影响 率约3.2℃/0.01;而转化率为0.546时,温度对 水气比的增长率约一1.0cC/0.01,即温度随转化率 的影响明显大于水气比的影响。补人蒸汽后,增 加了反应物,增加了反应速率,因此转化率增加。 所以采用蒸汽补人方式降低床层温度的作用是待 商榷的,还需催化剂动力学计算后确定。 2.3高压氮气补入线设计 引人惰性气体,降低煤气中一氧化碳分压是 降低反应速率和变换转化率、降低变换床层温度 的有效手段。因此在系统设计时,设置高压氮气 补人线,实际操作中发现变换炉的床层温度过高, 可以在DCS控制室适当开启控制阀HV一2向变换 炉人口补入氮气,以及开启HV一1向变换炉段间 煤气旁路线补入氮气。此外,当变换炉停车时, 上述高压氮气也可以起到封炉保压的作用,利于 减少后续的开车时间。 氮气补人虽为简便有效的降温手段,但会增 加出变换界区变换气中氮气的含量,进而增加出 界区变换气气量,因此在后续低温甲醇洗、低温 液氮洗工段会增加用冷量,能耗略有增加。 2.4高温反应器的连锁保护设置 上述讨论的煤气旁路阀、蒸汽补人阀、氮气 补入阀均为DCS控制,根据高温变换反应器床层 温度高报警进行人为控制。然而针对第一变换炉 的剧烈反应,还需设置连锁保护系统,防止温度 不可控时导致设备破裂引发次生灾害。以下按照 流程设计见图1,设置了两级连锁保护回路Is 一1、IS一2。 1变换炉温度高连锁IS一1 如图1所示,第一变换炉的设计温度是 485 qC,在变换炉两段床层设置了12支温度计及出 口1支,进行13选2计算。当温度大于475℃时, 许荣国等耐硫高温变换炉工艺系统安全设计讨论 49 将触发IS一1连锁回路,全部打开经过热交换器的 冷激煤气旁路阀TV一1,降低进人变换炉人口温 度,从而降低变换反应速率、降低变换反应器的 床层温度,保护设备。 2变换炉温度高高连锁IS一2 如2.31所述,当13选2温度超过480℃ 时,将触发IS一2连锁回路,进界区煤气紧急切断 阀将连锁关闭,同时为了保证上游航天炉的正常 操作,进界区煤气将紧急泄放、经限流孔板减压 后进入火炬燃烧,变换系统停车。 3中压废锅液位低低连锁IS一2 如图1所示,中压废锅是移除第一变换炉反应 热的主要手段,当锅炉液位低低时,不仅不能有 效移热,增加后续第二变换反应器负荷,还会导 致废锅炉管干烧、超温,引起设备安全隐患,因 此需保证中压锅炉的最小液位。为了保证系统安 全,液位测量设置3选2,低低时触发IS一2连锁 回路,变换系统停车。 3 结语 在高温变换工艺系统设计中,设置操作主动 控制与自动连锁保护可以有效保证高温变换炉设 备及系统安全。连锁保护是指,当变换炉的床层温 度高时连锁全开入口煤气冷激线,减低人炉温度; 或当变换炉温度高高、中压废锅液位低低时连锁 停车。 在实际中,应以主动控制为主,稳定操作工 况。其中补人氮气会增大变换气量,导致后续低 温甲醇洗、液氮洗的能耗增加;补人蒸汽会加快 反应速率,有可能反而引发升温,还需动力学计 算后确定。因此段间煤气旁路控制应是最主要的 控制手段。 参考文献 1马如芬,汪旭红,魏焕景.合成氨系统变换工艺的设计与 优化[J].煤化工,2012,15812425. 2周明灿,李繁荣,陈延林等.壳牌煤气化生产合成氨之变 换装置水气比及工艺流程设计探讨[J].化肥设计,2012, 5O116一l7. 3纵秋云.高浓度CO变换催化剂装填量的动力学计算及问 题探讨[J].化肥设计,2006,4451820. 4纵秋云,田兆明,李欣等.新型CO耐硫变换催化剂 QCS一04的工业应用[J].化肥设计,2000,385255. 5自晓东,张彦,孙得浩.QDB一03催化剂在耐硫变换装 置上的工业应用[J].大氮肥,2012,352143145. 6陈峻贤.K811HR型耐硫变换催化剂在年产180万t煤制 甲醇装置中的应用[J].化工生产与技术,2011,40 1O6568. 收稿Et期20130716 上接第43页 2振动会削弱磁性材料的磁场强度,因此 顺磁式氧分析仪应将检测部件的敏感部分安装在 防振装置中。仪表安装位置也应避开振源并采取 适当的防振措施。 3当介质中氧含量较低低于200mg/kg 时,建议采用微量氧分析仪。微量氧分析仪是原 电池的工作原理,所以测量气体中不能含有硫化 物、磷化物等酸性气体,以免引起测量误差。 4如果不考虑价格因素,对于常量氧的分 析测量,激光式氧分析仪比顺磁式氧分析仪要优 越得多。激光式氧分析仪是一种新型的分析仪表, 它用的是光谱吸收技术,通过分析激光被气体的 选择性吸收来获得气体的浓度。它与传统红外光 谱吸收技术的不同之处在于,激光光谱宽度远小 于气体吸收谱线的展宽,是一种高分辨率的光谱 吸收技术。在许多场合激光气体分析仪可以替代 传统的气体分析仪,但是价格比较昂贵,由于激 光的诸多优势,相信未来它会在分析领域占有越 来越多比例。 4 结语 近年来,随着我国对石油化工项目安全生产 的重视,对废气排放及污水处理的严格要求,分 析仪表得到了广泛应用。依据分析仪表的原理及 特点合理选用分析仪表至关重要。另外,提高分 析仪表的样品处理系统的设计水平和制造精度是 将来分析仪发展的主要方向。 参考文献 1王森在线分析仪器手册[M].北京化学工业出版 社.2008 2陆德民,张振基,黄步余.石油化工自动化设计手册3 版[M].北京化学工业出版社,2000. 3 于 洋.在线分析仪器[M].北京电子工业出版 社,2006. 收稿日期20130731

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