李敬珂

(河南能源化工集團(tuán)中原大化公司　河南濮陽　457004)

河南能源化工集團(tuán)中原大化公司(以下簡稱中原大化公司)1 000 t/d合成氨裝置以天然氣為原料，采用ICI- AMV工藝。該套合成氨裝置生產(chǎn)運(yùn)行20多年來，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，但近年來該裝置的一段轉(zhuǎn)化爐下集氣管經(jīng)常出現(xiàn)局部超溫現(xiàn)象，盡管在年度大修時(shí)進(jìn)行了更換，但效果不理想，局部超溫現(xiàn)象依然存在。因此，對(duì)一段轉(zhuǎn)化爐下集氣管局部超溫原因進(jìn)行分析，探討其監(jiān)控及預(yù)防措施。

1　天然氣轉(zhuǎn)化工藝流程

來自界區(qū)的天然氣(壓力225 kPa，溫度30 ℃，含總硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)50×10-6)經(jīng)分離器分離所攜帶的油、水后進(jìn)入原料氣壓縮機(jī)，經(jīng)四段壓縮至壓力5 250 kPa、溫度114 ℃后與來自合成氣壓縮機(jī)的少量合成氣匯合，并控制混合氣中φ(H2)在2%～5%，作為預(yù)脫硫鈷-鉬加氫轉(zhuǎn)化之用，將有機(jī)硫轉(zhuǎn)化為無機(jī)硫，然后在氧化鋅脫硫槽中脫硫，控制原料氣含硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.1×10-6。脫硫后的原料氣與來自中壓蒸汽管網(wǎng)的蒸汽按比例混合并控制水碳比為2.75、溫度為372 ℃，然后進(jìn)入一段轉(zhuǎn)化爐對(duì)流段盤管加熱至580 ℃后從頂部進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐管，在鎳催化劑作用下進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)。出一段轉(zhuǎn)化爐的轉(zhuǎn)化氣(壓力4 350 kPa，溫度804 ℃，含CH4體積分?jǐn)?shù)16.3%)從底部進(jìn)入二段轉(zhuǎn)化爐繼續(xù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)。

2　一段轉(zhuǎn)化爐的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

一段轉(zhuǎn)化爐由輻射段、過渡段和對(duì)流段組成。輻射段采用頂燒爐，方箱形，配置4排共180根轉(zhuǎn)化管，管間距300 mm，排間距1 900 mm，管內(nèi)轉(zhuǎn)化反應(yīng)所需熱量由管外加熱室供給。煙氣帶走的熱量由對(duì)流段回收，并用于預(yù)熱原料氣、燃料氣、進(jìn)入二段轉(zhuǎn)化爐的空氣、鍋爐給水、蒸汽等工藝介質(zhì)。出一段轉(zhuǎn)化爐的轉(zhuǎn)化氣先分別匯集于4根下集氣管，再匯集于轉(zhuǎn)化氣總管后去二段轉(zhuǎn)化爐。在爐頂部的4排轉(zhuǎn)化爐管的管排間均布5排燒嘴，每排18只，共計(jì)90只頂部燒嘴。此布置方式可使燃料氣經(jīng)燒嘴燃燒后產(chǎn)生的煙氣自上而下流動(dòng)，與工藝氣流向完全一致，燃料氣燃燒放出的熱量正好滿足轉(zhuǎn)化反應(yīng)所需。

爐底砌有4條煙道，每條煙道出口處設(shè)有1只燒嘴(平衡燒嘴)，作為入對(duì)流段煙氣溫度的調(diào)節(jié)手段。爐體由爐墻、爐頂及爐表組成，爐墻外壁設(shè)計(jì)溫度為爐頂和爐底低于100 ℃、側(cè)爐墻低于85 ℃。爐體下方設(shè)置的集氣管、集氣總管均由承壓殼體、耐熱襯里、耐熱合金內(nèi)襯等組成。

3　一段轉(zhuǎn)化爐下集氣管局部超溫原因分析

一段轉(zhuǎn)化爐4根下集氣管和集氣總管均出現(xiàn)過局部不同程度的超溫現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)后及時(shí)采取接工廠風(fēng)、用軸流風(fēng)機(jī)加強(qiáng)空氣對(duì)流等措施進(jìn)行物理降溫。在年度設(shè)備大檢修時(shí)把4根下集氣管和集氣總管全部進(jìn)行了更換，但開車正常后不久又出現(xiàn)了局部不同程度的超溫現(xiàn)象，給設(shè)備管理和安全穩(wěn)定生產(chǎn)帶來了不利影響。

3.1　施工質(zhì)量

一段轉(zhuǎn)化爐輻射段主要由原料氣分配管系、彈簧吊掛系統(tǒng)、集氣管、燃燒系統(tǒng)、爐體組成。完成一段蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)的豎琴管系由4排豎琴管組成，每排45根轉(zhuǎn)化管均焊在爐體下方同一個(gè)起支撐作用的集氣管對(duì)焊管座上。爐體下方設(shè)置的集氣管、集氣總管均由承壓殼體、耐熱襯里、耐熱合金內(nèi)襯等組成，最外層的承壓殼體材質(zhì)為SA387- GrP11，設(shè)計(jì)溫度(最大)為300 ℃，中間的耐熱襯里澆注料為LIP- PR，里層的耐熱合金內(nèi)襯材質(zhì)為Incoloy800H。

耐熱合金內(nèi)襯在焊接時(shí)若焊接質(zhì)量不高，氬氣保護(hù)焊接時(shí)焊接電流過大導(dǎo)致內(nèi)襯小范圍燒穿、局部損壞，就不能有效保護(hù)澆注料耐熱襯里，工藝氣竄入澆注料耐熱襯里后就會(huì)引起局部超溫。若承壓殼體原來存在微小裂紋或分散、單個(gè)的蝕坑，在打磨、補(bǔ)焊時(shí)打磨的深度不足或焊接質(zhì)量不佳，也會(huì)引起局部超溫。耐熱襯里澆注料在澆注前的準(zhǔn)備工作、澆注實(shí)施及干燥過程中存在問題，導(dǎo)致耐熱襯里澆注料內(nèi)部存在空氣柱、疏松、粉化、裂縫竄氣，保溫效果就不理想，同樣會(huì)造成局部超溫。

3.2　烘爐質(zhì)量

由于更換了4根下集氣管和集氣總管，在大修后的開車過程中，首先要對(duì)一段轉(zhuǎn)化爐進(jìn)行烘爐，如果未嚴(yán)格按照烘爐曲線進(jìn)行烘爐、提升溫度過快，就會(huì)出現(xiàn)澆注料內(nèi)水分過量、膨脹不均勻的現(xiàn)象，導(dǎo)致出現(xiàn)膨脹縫和間隙。

3.3　操作因素

集氣管、總集氣管內(nèi)的工藝介質(zhì)溫度、壓力、CH4含量等不符合工藝設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，導(dǎo)致集氣管及集氣總管外壁超溫。一段轉(zhuǎn)化爐在開停車過程中升降溫和升降壓速率過快，加減負(fù)荷時(shí)燃料氣、蒸汽、原料天然氣的加減順序出錯(cuò)或幅度太大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)化氣和管道溫度驟冷驟熱、壓力波動(dòng)大，引起集氣管和集氣總管材質(zhì)出現(xiàn)超溫蠕變，從而影響保溫效果和設(shè)備使用壽命。停車后降溫速率過快會(huì)出現(xiàn)蒸汽凝結(jié)，導(dǎo)致冷激耐熱合金內(nèi)襯及澆注料襯里而產(chǎn)生裂紋，從而影響其保溫效果及使用壽命。

4　可采取的措施

一段轉(zhuǎn)化爐的4根下集氣管和集氣總管出現(xiàn)局部超溫不僅影響設(shè)備使用壽命，而且超溫嚴(yán)重時(shí)可能出現(xiàn)設(shè)備損壞、爆炸、著火等事故，因此必須采取相應(yīng)的措施以降低超溫部位的溫度，情況嚴(yán)重時(shí)應(yīng)停車檢修處理。

(1) 超溫部位用膠管或金屬管道接工廠風(fēng)進(jìn)行降溫，超溫嚴(yán)重時(shí)采用軸流風(fēng)機(jī)加強(qiáng)空氣對(duì)流，盡快將超溫部位溫度控制在300 ℃以下。在集氣管和集氣總管上溫度較高的部位增設(shè)表面熱電偶，并將監(jiān)測信號(hào)傳送至DCS系統(tǒng)。

(2) 嚴(yán)格控制系統(tǒng)負(fù)荷在28 500 m3/h以下、一段轉(zhuǎn)化爐出口溫度<770 ℃、管排溫差<10 ℃、一段轉(zhuǎn)化爐壓力≤3 850 kPa，確保一段轉(zhuǎn)化氣中各氣體組分在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，避免負(fù)荷、壓力和爐膛溫度大幅度波動(dòng)。

(3) 加強(qiáng)巡檢和現(xiàn)場檢測監(jiān)護(hù)，并記錄一段轉(zhuǎn)化爐下部集氣管和集氣總管溫度數(shù)據(jù)，以便于掌握溫度變化趨勢，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)采取相應(yīng)措施。

(4) 清除一段轉(zhuǎn)化爐下部及周圍易燃和可燃物品，防止火災(zāi)事故的發(fā)生或擴(kuò)大。

(5) 制訂緊急情況下的處理預(yù)案：溫度超過350 ℃時(shí)，應(yīng)立即向上級(jí)報(bào)告并采取降溫措施，采取措施后若仍然超溫，則立即停車作進(jìn)一步的處理。加強(qiáng)巡檢，注意觀察下集氣管和集氣總管外壁是否有鼓包現(xiàn)象，如果出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象應(yīng)立即按TRIPB聯(lián)鎖按鈕作停車處理。如果集氣管和集氣總管超溫部位出現(xiàn)擴(kuò)大趨勢，應(yīng)降低系統(tǒng)負(fù)荷，使一段轉(zhuǎn)化爐出口溫度降至700 ℃，然后等待進(jìn)一步確認(rèn)處理。如果超溫部位出現(xiàn)裂紋泄漏著火，應(yīng)立即按TRIPB聯(lián)鎖按鈕作停車處理，通知調(diào)度、消防隊(duì)等，并在發(fā)生泄漏的部位附近全面警戒以防出現(xiàn)人員中毒；聯(lián)鎖停車后，繼續(xù)通蒸汽降溫，系統(tǒng)放空閥保持全開；關(guān)閉配氣站入口大閥并卸壓，然后通氮?dú)庵脫Q天然氣配氣站至一段轉(zhuǎn)化爐燃料管線中的天然氣。

5　預(yù)防下集氣管局部超溫的方法

(1) 下集氣管和集氣總管的選材應(yīng)符合原始設(shè)計(jì)的要求，制作和施工過程應(yīng)嚴(yán)格按照技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，注重細(xì)節(jié)的處理。澆注耐火襯里前，承壓殼體內(nèi)表面應(yīng)進(jìn)行除銹，并用干燥的壓縮空氣吹掃清除干凈。在內(nèi)管外表面包裹聚苯乙烯，在集氣管及測量點(diǎn)處的所有接觸面涂上一薄層耐火水泥并凝固固定好。按下集氣管分4段、集氣總管分3段分別澆注，澆注料凝固后須立即拆除模板。單獨(dú)的管段必須連續(xù)澆注，單管段中間有斜縫接口的分2段澆注。澆注時(shí)，每增高400 mm就必須用振動(dòng)機(jī)振實(shí)1次，振動(dòng)機(jī)潛入深度不超過350 mm，振動(dòng)棒外徑為Φ25 mm，振動(dòng)完畢后應(yīng)緩慢拖出振動(dòng)棒以避免空氣阻塞。

(2) 澆注的耐火襯里經(jīng)檢查合格后，先自然干燥幾天，再用熱風(fēng)烘干。熱風(fēng)烘干時(shí)，先升溫至300 ℃后恒溫6 h，再升溫至400 ℃后恒溫2 h。

(3) 檢修后的烘爐應(yīng)嚴(yán)格按照烘爐工藝進(jìn)行，控制升溫速率和恒溫時(shí)間。

(4) 嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程，加強(qiáng)開停車過程的工藝指標(biāo)控制，避免溫度和壓力的大幅波動(dòng)。