李洪海

1 概述

      一段轉(zhuǎn)化爐(一段爐) 為氣頭合成氨裝置的核心設(shè)備，其投資大、維護(hù)難度高，一旦出現(xiàn)問(wèn)題影響面廣，一段爐轉(zhuǎn)化管(簡(jiǎn)稱爐管) 是一段爐內(nèi)的關(guān)鍵部件，維護(hù)好一段爐尤其是一段爐爐管的運(yùn)行意義重大。中國(guó)石油天然氣股份有限公司塔里木油田石化分公司(簡(jiǎn)稱塔石化)合成氨裝置設(shè)計(jì)產(chǎn)能為450 kt/a，采用丹麥托普索傳統(tǒng)蒸汽轉(zhuǎn)化工藝，蒸汽轉(zhuǎn)化過(guò)程在3.9 MPa壓力條件下進(jìn)行，轉(zhuǎn)化系統(tǒng)原料氣水碳比為3.04 (摩爾比) 。較高的轉(zhuǎn)化壓力可有效節(jié)省系統(tǒng)總壓縮功，而較低的水碳比既能保證裝置的長(zhǎng)周期、安全、穩(wěn)定運(yùn)行，又可降低系統(tǒng)能耗。

      塔石化合成氨裝置一段爐采用側(cè)燒式，設(shè)置2個(gè)南北走向的輻射室: 北端鼓風(fēng)機(jī)(K202)提供一段爐燃燒所需的空氣，燃料氣由輻射室南端東側(cè)送入分配至各排燒嘴; 南端設(shè)置煙氣對(duì)流段，預(yù)熱相關(guān)的預(yù)熱盤管內(nèi)的介質(zhì)，煙氣經(jīng)熱能回收后由引風(fēng)機(jī)(K201) 抽出排入煙囪。

      一段爐2個(gè)輻射室內(nèi)沿中心線分別設(shè)置裝有催化劑的爐管120根，總共240根。輻射室爐墻的每個(gè)側(cè)面自下而上設(shè)置有6排燒嘴，每排15個(gè)，共計(jì)360個(gè)燒嘴，燒嘴火焰通過(guò)爐壁輻射對(duì)爐管加熱而不直接接觸爐管。燒嘴助燃空氣通過(guò)K202強(qiáng)制通風(fēng)實(shí)現(xiàn)，必要的話可以通過(guò)調(diào)節(jié)安裝于每排燃料氣主管根部的截止閥沿爐管方向調(diào)節(jié)爐管外的火焰分布，運(yùn)行時(shí)可以根據(jù)燃燒情況調(diào)節(jié)每個(gè)燒嘴的燃料氣量和供風(fēng)量以調(diào)節(jié)其熱負(fù)荷。實(shí)際生產(chǎn)中，由于一段爐燒嘴數(shù)量多，將每個(gè)燒嘴熱負(fù)荷調(diào)整絕對(duì)均勻幾乎是不可能的，其調(diào)節(jié)過(guò)程主要是靠目視，即觀察每個(gè)燒嘴的燃燒情況，再結(jié)合每個(gè)集氣管出口溫度來(lái)判斷燒嘴的燃燒狀況。

      燃料氣源自原料天然氣、弛放氣及系統(tǒng)開(kāi)車時(shí)過(guò)剩的工藝氣，燃料氣系統(tǒng)投用過(guò)剩工藝氣或弛放氣時(shí)，由于調(diào)節(jié)的幅度和操作熟練程度不同，會(huì)造成其熱值的變化，進(jìn)而影響轉(zhuǎn)化反應(yīng)的進(jìn)行，最終造成爐管兩側(cè)熱負(fù)荷的變化。

2 轉(zhuǎn)化系統(tǒng)工藝流程

      原料氣壓縮機(jī)加壓后的原料氣(原料天然氣) ，經(jīng)原料氣預(yù)熱盤管(E204 2/1 ) 加熱至380 ℃后進(jìn)入脫硫系統(tǒng)，脫至硫含量低于0. 05mg/m³后與工藝蒸汽混合，并在混合氣預(yù)熱盤管(E201) 中再次被加熱升溫至535℃; 預(yù)熱后的混合氣進(jìn)入一段爐爐管，在轉(zhuǎn)化催化劑的作用下進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)，主要生成H₂和CO，轉(zhuǎn)化反應(yīng)所需熱量由輻射室兩側(cè)的燒嘴提供; 經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化反應(yīng)的工藝氣在一段爐出口被加熱至805 ℃后送入二段爐，控制一段爐出口氣中甲烷含量在11.08%(摩爾分?jǐn)?shù)) 以下。蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)方程式如下:

C_nH_2n+2 + 2H₂O = C_n-1H_2n + CO₂ + 3H₂  -Q   (1)

CH₄ + 2H₂O = CO₂ + 4H₂  -Q              (2)

CO₂ + H₂ = CO + H₂O  -Q                 (3)

      反應(yīng)式(1) 為高碳烴不斷地轉(zhuǎn)化為低碳烴，一級(jí)一級(jí)地轉(zhuǎn)化，最終轉(zhuǎn)化為甲烷; 反應(yīng)式(2) 為甲烷的轉(zhuǎn)化反應(yīng); 反應(yīng)式(3) 為變換反應(yīng)，其需要的熱量比反應(yīng)式(1) 和反應(yīng)式(2)少得多。

      一段爐的生產(chǎn)中，在轉(zhuǎn)化催化劑顆粒的內(nèi)部或表面有可能發(fā)生析炭，炭沉積在催化劑外表面會(huì)增加催化劑床層的阻力(壓降) ，炭聚集在催化劑內(nèi)部則會(huì)降低催化劑的活性以及機(jī)械強(qiáng)度;工況突變時(shí)，催化劑極易粉化，會(huì)使?fàn)t管的壓差和熱點(diǎn)溫度增大。轉(zhuǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)原料氣水碳比為3.04，但在系統(tǒng)背壓、中壓蒸汽管網(wǎng)壓力等波動(dòng)時(shí)，原料氣水碳比會(huì)發(fā)生波動(dòng)，會(huì)影響到爐管內(nèi)的轉(zhuǎn)化反應(yīng)，這些變化都可能以爐管外表面溫度的變化得以體現(xiàn)。

3 近年一段爐(爐管) 的運(yùn)行狀況

      塔石化合成氨裝置自2010年投產(chǎn)以來(lái)，一段爐(爐管) 一直運(yùn)行穩(wěn)定; 2014 年起發(fā)現(xiàn)爐管開(kāi)始彎曲變形及顏色變亮，且一段爐出口轉(zhuǎn)化氣甲烷含量逐年升高; 2015年一段爐轉(zhuǎn)化催化劑進(jìn)行過(guò)一次更換，2018年一段爐爐管彎曲變形等情況更加嚴(yán)重; 2019年初部分爐管出現(xiàn)熱斑，爐管表面溫度接近或超過(guò)設(shè)計(jì)溫度，操作人員及時(shí)調(diào)整燒嘴背壓，降低了爐管溫度。通常情況下，為確保爐管的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，其操作溫度應(yīng)低于設(shè)計(jì)溫度，且據(jù)經(jīng)驗(yàn)現(xiàn)階段爐管已處于使用壽命的中后期，更應(yīng)注重操作溫度的把控。在目前這種情況下，對(duì)一段爐爐管提高操作溫度的可行性進(jìn)行論證和預(yù)測(cè)爐管的剩余使用壽命顯得非常重要。因此，2019年冬季裝置停車檢修時(shí)，塔石化再次更換了轉(zhuǎn)化催化劑，并對(duì)彎曲變形較嚴(yán)重的10根爐管進(jìn)行了更換。

      檢修過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，一段爐爐管變形部位位于爐管的中下部，對(duì)應(yīng)第一、二、三、四排燒嘴的高度，并且變形較嚴(yán)重的爐管主要分布在東側(cè)爐膛內(nèi)的南端部位，而西側(cè)爐膛內(nèi)的爐管的狀況相對(duì)較好，沒(méi)有出現(xiàn)嚴(yán)重的彎曲變形或管體材質(zhì)變化現(xiàn)象。燒嘴與爐管(由北向南順序排列) 的對(duì)應(yīng)分布關(guān)系如表1。

      更換的10根爐管大多分布在東側(cè)爐膛內(nèi)靠近南端，由北向南數(shù)分別為第54#、67#、84#、88#、90#、91#、111#、112#、114#、119# 爐管。由表1 可以看出: 第54#爐管對(duì)應(yīng)的是第7# 燒嘴，第67#爐管對(duì)應(yīng)的是第9#燒嘴，第84#、88#爐管對(duì)應(yīng)的是第11#燒嘴，第90#、91#爐管對(duì)應(yīng)的是第12#燒嘴，第111#、112#爐管對(duì)應(yīng)的是第14#燒嘴，第114#、119#爐管對(duì)應(yīng)的是第15#燒嘴; 也就是說(shuō)，發(fā)生嚴(yán)重變形的爐管大多分布在東側(cè)爐膛內(nèi)靠近南端一側(cè)，即燃料氣源一側(cè)。理論上一段爐爐管在現(xiàn)有的操作條件(壓力3.9MPa、溫度940 ℃以下) 下長(zhǎng)期使用是可行的，但由于爐管已處于使用壽命的中后期，宜采用一些延長(zhǎng)爐管服役周期的措施，即須精心操作、合理地控制工藝參數(shù)才能確保爐管剩余壽命期內(nèi)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

      2020年3月11日，合成氨裝置復(fù)工復(fù)產(chǎn)，通過(guò)紅外成像儀檢測(cè)一段爐底部爐管溫度，顯示偏高，于是對(duì)一段爐燒嘴負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整，在運(yùn)行穩(wěn)定的情況下，調(diào)整一段爐第一排燒嘴的熱負(fù)荷，為保證一段爐出口氣甲烷含量合格，維持一段爐出口氣溫度在799～803 ℃。

4 一段爐爐管彎曲變形的原因分析

      為進(jìn)一步了解一段爐爐膛內(nèi)的燃燒狀況，掌握爐管彎曲變形的真正原因，正常生產(chǎn)情況下，利用熱成像儀從爐管側(cè)面觀火孔(每個(gè)輻射段兩端有側(cè)面觀火孔12個(gè)，兩輻射段總計(jì)24個(gè)觀火孔，對(duì)稱布置于爐膛兩端，如圖1) 檢測(cè)爐管外壁溫度: 打開(kāi)觀火孔，在爐膛負(fù)壓穩(wěn)定的情況下，按照自下而上及正面、對(duì)面的順序依次對(duì)爐管進(jìn)行測(cè)溫。100%負(fù)荷下，從側(cè)面觀火孔對(duì)一段爐爐管做整體成像檢測(cè)，記錄不同位置的最低溫度，結(jié)果見(jiàn)表2，有關(guān)分析如下。

      (1)從同一層觀火孔測(cè)得的溫度看，靠近燃?xì)庠磦?cè)也就是南端爐管外壁溫度普遍高于遠(yuǎn)離燃?xì)庠吹谋眰?cè)爐管外壁溫度，而東側(cè)爐膛表現(xiàn)尤為明顯。例如: 1#、2#觀火孔處測(cè)得的爐管外壁溫度為948 ℃、953 ℃，分別高于3#、4#觀火孔處測(cè)得的爐管外壁溫度945 ℃、944 ℃; 13#、14#觀火孔處測(cè)得的爐管外壁溫度為945 ℃、947 ℃，分別高于15#、16#觀火孔處測(cè)得的爐管外壁溫度939 ℃、938 ℃。這就是東側(cè)爐膛內(nèi)靠近南端爐管彎曲變形程度更嚴(yán)重，亦即更換的爐管大都處于這個(gè)部位的原因。

      (2) 從輻射爐膛同一端上、下方向測(cè)得的爐管外壁溫度看，下方爐管外壁溫度普遍高于上方爐管外壁溫度，而同是南端或北端上、下方向測(cè)得的爐管外壁溫度，一層平臺(tái)測(cè)得的高于二層平臺(tái)測(cè)得的，二層平臺(tái)測(cè)得的又高于三層平臺(tái)測(cè)得的，平均溫差在45 ℃。例如: 東側(cè)爐膛南端1#、2#觀火孔處測(cè)得的爐管外壁溫度為948 ℃、953 ℃，分別高于9#、10# 觀火孔處測(cè)得的爐管外壁溫度939 ℃、948 ℃，更高于17#、18#觀火孔處測(cè)得的爐管外壁溫度925 ℃、933 ℃。而在爐管內(nèi)，由上往下天然氣轉(zhuǎn)化率呈下降趨勢(shì)，所需熱量由上往下減少，而燒嘴燃燒提供的熱量相對(duì)較多，從而造成爐管下部溫度較高，這也就是爐管底部容易發(fā)生質(zhì)變的原因。

      (3) 從一段爐東、西兩輻射爐膛溫度對(duì)比來(lái)看，東側(cè)輻射爐膛溫度要高于同部位的西側(cè)輻射爐膛溫度。例如: 11#、12#觀火孔處測(cè)得的爐管外壁溫度為942 ℃、945 ℃，高于15#、16#觀火孔處測(cè)得的爐管外壁溫度939 ℃、938 ℃。這就是西側(cè)爐膛內(nèi)爐管狀況好于東側(cè)爐膛內(nèi)爐管狀況的原因。

      (4)從兩爐膛及同一爐膛內(nèi)爐管兩側(cè)的溫度對(duì)比來(lái)看，西側(cè)輻射爐膛內(nèi)溫度較為平均，而東側(cè)爐膛內(nèi)特別是靠近南端爐管東西兩面存在較大的溫差，西面溫度略高于東面溫度，亦即此處的爐管存在周向溫度差。例如: 2#觀火孔處測(cè)得的爐管外壁溫度為953 ℃，高于1# 觀火孔處測(cè)得的爐管外壁溫度948 ℃; 10#觀火孔處測(cè)得的爐管外壁溫度為948 ℃，高于9#觀火孔處測(cè)得的爐管外壁溫度939 ℃。也就是說(shuō)，周向溫差導(dǎo)致周向爐管的膨脹系數(shù)不一致，因此爐管普遍存在向西弓彎的現(xiàn)象，且周向溫差越大的部位爐管變形程度越嚴(yán)重。

      綜合以上分析，可以得出如下結(jié)論: 一段爐爐管彎曲變形的主要原因在于爐管局部存在周向溫差，周向溫差愈大，爐管彎曲變形愈嚴(yán)重。

5 優(yōu)化調(diào)整措施

5. 1 調(diào)整部分燒嘴的熱負(fù)荷

      結(jié)合上述分析，在保證一段爐出口氣甲烷含量合格的情況下，防止?fàn)t管彎曲變形的關(guān)鍵在于，減小部分燒嘴的燃料氣量，局部調(diào)整燒嘴熱負(fù)荷，亦即關(guān)小溫度較高的爐管對(duì)應(yīng)的燒嘴燃料氣閥和燃燒空氣閥開(kāi)度，開(kāi)大溫度較低的爐管對(duì)應(yīng)的燒嘴燃料氣閥開(kāi)度和燃燒空氣閥開(kāi)度。據(jù)一段爐溫度場(chǎng)分布規(guī)律以及爐膛內(nèi)熱點(diǎn)分布差異，塔石化對(duì)合成氨裝置一段爐燒嘴熱負(fù)荷進(jìn)行了如下調(diào)整。

      (1) 對(duì)于同一平臺(tái)4處觀火孔處測(cè)得的爐管外壁溫度存在較大偏差的問(wèn)題，將靠燃料氣源較近的燒嘴的燃料氣量降低，微增遠(yuǎn)離燃料氣源一端燒嘴的燃料氣量，以使同平臺(tái)4個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度接近。例如: 適當(dāng)關(guān)小1#、2#和5#、6#觀火孔附近的燒嘴燃料氣量和助燃空氣量，稍開(kāi)大3#、4#和7#、8#觀火孔附近燒嘴的燃料氣量和助燃空氣量。

      (2) 對(duì)于同一輻射爐膛同一端上、下方向的燒嘴，保持下方燒嘴燃料氣閥和助燃空氣閥開(kāi)度略小于上方燒嘴的燃料氣閥和助燃空氣閥開(kāi)度。針對(duì)一段爐同一爐管內(nèi)由上往下天然氣轉(zhuǎn)化率呈下降趨勢(shì)造成的爐管下部溫度較高問(wèn)題，將爐管上中部對(duì)應(yīng)燒嘴的燃料氣量開(kāi)大，將爐管下部對(duì)應(yīng)燒嘴的燃料氣量微關(guān)小，以降低底部燒嘴的熱負(fù)荷。

      (3) 由于東側(cè)輻射爐膛溫度高于同部位的西側(cè)輻射爐膛溫度，因此適當(dāng)關(guān)小靠近燃料氣源的東側(cè)輻射段南端燒嘴的燃料氣閥和助燃空氣閥開(kāi)度，相應(yīng)地適當(dāng)開(kāi)大西側(cè)輻射段北端燒嘴的燃料氣閥和助燃空氣閥開(kāi)度，以均衡東、西兩側(cè)同平面燒嘴的熱負(fù)荷。

      (4) 對(duì)于一段爐東側(cè)爐膛南端普遍存在爐管西面溫度高于東面溫度，也就是爐管兩側(cè)存在較大溫差的問(wèn)題，將西面的燒嘴燃料氣量降低，提高東面燒嘴的燃料氣量，以使?fàn)t管東、西兩面燒嘴的熱負(fù)荷均衡，即主要開(kāi)大了東側(cè)爐膛A面(即東面) 第一排、第二排、第三排和第四排的7#、9#、11#、12#、15#燒嘴的燃料氣閥，同時(shí)關(guān)小B面(即西面) 第一排、第二排、第三排和第四排的7#、9#、11#、12#、15#燒嘴的燃料氣閥5%。

      上述部分燒嘴熱負(fù)荷調(diào)整后，在一段爐出口氣甲烷含量不超標(biāo)的情況下，一段爐出口氣溫度平均在798. 8 ℃ (調(diào)整前一段爐出口氣溫度平均在803 ℃) ，調(diào)整前后爐管外壁溫度的對(duì)比見(jiàn)表3?？梢钥闯觯欢螤t水平方向各爐管外壁溫度以及同一爐管上、下外壁溫度的溫差縮小了，爐膛內(nèi)燒嘴燃燒的熱負(fù)荷分配更加合理。

5. 2 加強(qiáng)系統(tǒng)工藝管理的其他措施

(1) 確保一段爐嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的工藝參數(shù)運(yùn)行。

(2) 嚴(yán)格控制合成氨裝置的開(kāi)、停車次數(shù)，開(kāi)停車過(guò)程中嚴(yán)格控制系統(tǒng)的升降溫速率不大于30 ℃ /h。

(3) 嚴(yán)格控制原料氣中對(duì)轉(zhuǎn)化催化劑有毒有害的硫等物質(zhì)的含量，避免轉(zhuǎn)化催化劑中毒而致天然氣轉(zhuǎn)化率降低。

(4) 保證工藝蒸汽的品質(zhì)。

(5) 據(jù)煙道氣分析數(shù)據(jù)及燒嘴燃燒情況，及時(shí)調(diào)節(jié)燒嘴燃料氣的背壓以及風(fēng)門、閥門的開(kāi)度，避免燒嘴偏燒及二次燃燒，確保爐膛溫度分布均勻，防止局部過(guò)熱等。

6 結(jié)束語(yǔ)

      綜上所述，塔石化針對(duì)其合成氨裝置一段爐爐管彎曲變形的問(wèn)題，通過(guò)原因分析，采取了對(duì)部分燒嘴熱負(fù)荷進(jìn)行調(diào)節(jié)以及加強(qiáng)系統(tǒng)工藝管理的措施后，取得了良好的效果: 爐管熱點(diǎn)溫度得以降低，一段爐爐膛間及爐膛內(nèi)熱點(diǎn)溫度分布較為均勻，爐管間及爐管各部位間溫差減小; 一段爐轉(zhuǎn)化催化劑再未發(fā)生析炭及爐管外壁超溫等現(xiàn)象，一段爐運(yùn)行狀況良好，各工藝參數(shù)均控制在設(shè)計(jì)指標(biāo)范圍內(nèi)?？傊?，通過(guò)優(yōu)化調(diào)整和加強(qiáng)工藝管理，塔石化合成氨裝置一段爐爐管局部應(yīng)力得到緩解，從而可降低今后運(yùn)行中爐管彎曲變形的可能性，延長(zhǎng)爐管的使用壽命，有助于合成氨裝置的長(zhǎng)周期、安全、穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)運(yùn)行。

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