李洪海

1 概述

      一段轉化爐(一段爐) 為氣頭合成氨裝置的核心設備，其投資大、維護難度高，一旦出現問題影響面廣，一段爐轉化管(簡稱爐管) 是一段爐內的關鍵部件，維護好一段爐尤其是一段爐爐管的運行意義重大。中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田石化分公司(簡稱塔石化)合成氨裝置設計產能為450 kt/a，采用丹麥托普索傳統蒸汽轉化工藝，蒸汽轉化過程在3.9 MPa壓力條件下進行，轉化系統原料氣水碳比為3.04 (摩爾比) 。較高的轉化壓力可有效節省系統總壓縮功，而較低的水碳比既能保證裝置的長周期、安全、穩定運行，又可降低系統能耗。

      塔石化合成氨裝置一段爐采用側燒式，設置2個南北走向的輻射室: 北端鼓風機(K202)提供一段爐燃燒所需的空氣，燃料氣由輻射室南端東側送入分配至各排燒嘴; 南端設置煙氣對流段，預熱相關的預熱盤管內的介質，煙氣經熱能回收后由引風機(K201) 抽出排入煙囪。

      一段爐2個輻射室內沿中心線分別設置裝有催化劑的爐管120根，總共240根。輻射室爐墻的每個側面自下而上設置有6排燒嘴，每排15個，共計360個燒嘴，燒嘴火焰通過爐壁輻射對爐管加熱而不直接接觸爐管。燒嘴助燃空氣通過K202強制通風實現，必要的話可以通過調節安裝于每排燃料氣主管根部的截止閥沿爐管方向調節爐管外的火焰分布，運行時可以根據燃燒情況調節每個燒嘴的燃料氣量和供風量以調節其熱負荷。實際生產中，由于一段爐燒嘴數量多，將每個燒嘴熱負荷調整絕對均勻幾乎是不可能的，其調節過程主要是靠目視，即觀察每個燒嘴的燃燒情況，再結合每個集氣管出口溫度來判斷燒嘴的燃燒狀況。

      燃料氣源自原料天然氣、弛放氣及系統開車時過剩的工藝氣，燃料氣系統投用過剩工藝氣或弛放氣時，由于調節的幅度和操作熟練程度不同，會造成其熱值的變化，進而影響轉化反應的進行，最終造成爐管兩側熱負荷的變化。

2 轉化系統工藝流程

      原料氣壓縮機加壓后的原料氣(原料天然氣) ，經原料氣預熱盤管(E204 2/1 ) 加熱至380 ℃后進入脫硫系統，脫至硫含量低于0. 05mg/m³后與工藝蒸汽混合，并在混合氣預熱盤管(E201) 中再次被加熱升溫至535℃; 預熱后的混合氣進入一段爐爐管，在轉化催化劑的作用下進行轉化反應，主要生成H₂和CO，轉化反應所需熱量由輻射室兩側的燒嘴提供; 經過轉化反應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%(摩爾分數) 以下。蒸汽轉化反應方程式如下:

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)

      反應式(1) 為高碳烴不斷地轉化為低碳烴，一級一級地轉化，最終轉化為甲烷; 反應式(2) 為甲烷的轉化反應; 反應式(3) 為變換反應，其需要的熱量比反應式(1) 和反應式(2)少得多。

      一段爐的生產中，在轉化催化劑顆粒的內部或表面有可能發生析炭，炭沉積在催化劑外表面會增加催化劑床層的阻力(壓降) ，炭聚集在催化劑內部則會降低催化劑的活性以及機械強度;工況突變時，催化劑極易粉化，會使爐管的壓差和熱點溫度增大。轉化系統設計原料氣水碳比為3.04，但在系統背壓、中壓蒸汽管網壓力等波動時，原料氣水碳比會發生波動，會影響到爐管內的轉化反應，這些變化都可能以爐管外表面溫度的變化得以體現。

3 近年一段爐(爐管) 的運行狀況

      塔石化合成氨裝置自2010年投產以來，一段爐(爐管) 一直運行穩定; 2014 年起發現爐管開始彎曲變形及顏色變亮，且一段爐出口轉化氣甲烷含量逐年升高; 2015年一段爐轉化催化劑進行過一次更換，2018年一段爐爐管彎曲變形等情況更加嚴重; 2019年初部分爐管出現熱斑，爐管表面溫度接近或超過設計溫度，操作人員及時調整燒嘴背壓，降低了爐管溫度。通常情況下，為確保爐管的安全、穩定運行，其操作溫度應低于設計溫度，且據經驗現階段爐管已處于使用壽命的中后期，更應注重操作溫度的把控。在目前這種情況下，對一段爐爐管提高操作溫度的可行性進行論證和預測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，塔石化再次更換了轉化催化劑，并對彎曲變形較嚴重的10根爐管進行了更換。

      檢修過程中發現，一段爐爐管變形部位位于爐管的中下部，對應第一、二、三、四排燒嘴的高度，并且變形較嚴重的爐管主要分布在東側爐膛內的南端部位，而西側爐膛內的爐管的狀況相對較好，沒有出現嚴重的彎曲變形或管體材質變化現象。燒嘴與爐管(由北向南順序排列) 的對應分布關系如表1。

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

      2020年3月11日，合成氨裝置復工復產，通過紅外成像儀檢測一段爐底部爐管溫度，顯示偏高，于是對一段爐燒嘴負荷進行調整，在運行穩定的情況下，調整一段爐第一排燒嘴的熱負荷，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

      為進一步了解一段爐爐膛內的燃燒狀況，掌握爐管彎曲變形的真正原因，正常生產情況下，利用熱成像儀從爐管側面觀火孔(每個輻射段兩端有側面觀火孔12個，兩輻射段總計24個觀火孔，對稱布置于爐膛兩端，如圖1) 檢測爐管外壁溫度: 打開觀火孔，在爐膛負壓穩定的情況下，按照自下而上及正面、對面的順序依次對爐管進行測溫。100%負荷下，從側面觀火孔對一段爐爐管做整體成像檢測，記錄不同位置的最低溫度，結果見表2，有關分析如下。

      (1)從同一層觀火孔測得的溫度看，靠近燃氣源側也就是南端爐管外壁溫度普遍高于遠離燃氣源的北側爐管外壁溫度，而東側爐膛表現尤為明顯。例如: 1#、2#觀火孔處測得的爐管外壁溫度為948 ℃、953 ℃，分別高于3#、4#觀火孔處測得的爐管外壁溫度945 ℃、944 ℃; 13#、14#觀火孔處測得的爐管外壁溫度為945 ℃、947 ℃，分別高于15#、16#觀火孔處測得的爐管外壁溫度939 ℃、938 ℃。這就是東側爐膛內靠近南端爐管彎曲變形程度更嚴重，亦即更換的爐管大都處于這個部位的原因。

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

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

      (4)從兩爐膛及同一爐膛內爐管兩側的溫度對比來看，西側輻射爐膛內溫度較為平均，而東側爐膛內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#觀火孔處測得的爐管外壁溫度為953 ℃，高于1# 觀火孔處測得的爐管外壁溫度948 ℃; 10#觀火孔處測得的爐管外壁溫度為948 ℃，高于9#觀火孔處測得的爐管外壁溫度939 ℃。也就是說，周向溫差導致周向爐管的膨脹系數不一致，因此爐管普遍存在向西弓彎的現象，且周向溫差越大的部位爐管變形程度越嚴重。

      綜合以上分析，可以得出如下結論: 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，爐管彎曲變形愈嚴重。

5 優化調整措施

5. 1 調整部分燒嘴的熱負荷

      結合上述分析，在保證一段爐出口氣甲烷含量合格的情況下，防止爐管彎曲變形的關鍵在于，減小部分燒嘴的燃料氣量，局部調整燒嘴熱負荷，亦即關小溫度較高的爐管對應的燒嘴燃料氣閥和燃燒空氣閥開度，開大溫度較低的爐管對應的燒嘴燃料氣閥開度和燃燒空氣閥開度。據一段爐溫度場分布規律以及爐膛內熱點分布差異，塔石化對合成氨裝置一段爐燒嘴熱負荷進行了如下調整。

      (1) 對于同一平臺4處觀火孔處測得的爐管外壁溫度存在較大偏差的問題，將靠燃料氣源較近的燒嘴的燃料氣量降低，微增遠離燃料氣源一端燒嘴的燃料氣量，以使同平臺4個測溫點的溫度接近。例如: 適當關小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度略小于上方燒嘴的燃料氣閥和助燃空氣閥開度。針對一段爐同一爐管內由上往下天然氣轉化率呈下降趨勢造成的爐管下部溫度較高問題，將爐管上中部對應燒嘴的燃料氣量開大，將爐管下部對應燒嘴的燃料氣量微關小，以降低底部燒嘴的熱負荷。

      (3) 由于東側輻射爐膛溫度高于同部位的西側輻射爐膛溫度，因此適當關小靠近燃料氣源的東側輻射段南端燒嘴的燃料氣閥和助燃空氣閥開度，相應地適當開大西側輻射段北端燒嘴的燃料氣閥和助燃空氣閥開度，以均衡東、西兩側同平面燒嘴的熱負荷。

      (4) 對于一段爐東側爐膛南端普遍存在爐管西面溫度高于東面溫度，也就是爐管兩側存在較大溫差的問題，將西面的燒嘴燃料氣量降低，提高東面燒嘴的燃料氣量，以使爐管東、西兩面燒嘴的熱負荷均衡，即主要開大了東側爐膛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，同時關小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%。

      上述部分燒嘴熱負荷調整后，在一段爐出口氣甲烷含量不超標的情況下，一段爐出口氣溫度平均在798. 8 ℃ (調整前一段爐出口氣溫度平均在803 ℃) ，調整前后爐管外壁溫度的對比見表3。可以看出，一段爐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，爐膛內燒嘴燃燒的熱負荷分配更加合理。

5. 2 加強系統工藝管理的其他措施

(1) 確保一段爐嚴格按照設計的工藝參數運行。

(2) 嚴格控制合成氨裝置的開、停車次數，開停車過程中嚴格控制系統的升降溫速率不大于30 ℃ /h。

(3) 嚴格控制原料氣中對轉化催化劑有毒有害的硫等物質的含量，避免轉化催化劑中毒而致天然氣轉化率降低。

(4) 保證工藝蒸汽的品質。

(5) 據煙道氣分析數據及燒嘴燃燒情況，及時調節燒嘴燃料氣的背壓以及風門、閥門的開度，避免燒嘴偏燒及二次燃燒，確保爐膛溫度分布均勻，防止局部過熱等。

6 結束語

      綜上所述，塔石化針對其合成氨裝置一段爐爐管彎曲變形的問題，通過原因分析，采取了對部分燒嘴熱負荷進行調節以及加強系統工藝管理的措施后，取得了良好的效果: 爐管熱點溫度得以降低，一段爐爐膛間及爐膛內熱點溫度分布較為均勻，爐管間及爐管各部位間溫差減小; 一段爐轉化催化劑再未發生析炭及爐管外壁超溫等現象，一段爐運行狀況良好，各工藝參數均控制在設計指標范圍內。總之，通過優化調整和加強工藝管理，塔石化合成氨裝置一段爐爐管局部應力得到緩解，從而可降低今后運行中爐管彎曲變形的可能性，延長爐管的使用壽命，有助于合成氨裝置的長周期、安全、穩定、優質運行。

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