一段爐轉化管熱帶現象原因分析及處理

(滄州大化股份有限責任公司沃原分公司，河北 滄州 061000)

1 概 述

我公司合成氨裝置始建于1974年，1977年4月投產，是我國首批引進13套大化肥裝置之一；主要生產原料是天然氣，采用美國凱洛格公司的技術，原設計年產300 kt，經1988年和2001年兩次較大的節能改造后，生產能力達350 kt/a，噸氨綜合能耗由原設計的40 GJ降至36 GJ，達到國內較為先進的水平。

合成氨裝置一段爐(101-B)共有轉化管378根，每排42根，共9排；每排各有1根上升管。2011年8月大修時，一段爐進行了薄壁管改造，將原φ117×21.6 mm轉化管改造為φ114×14 mm的轉化管，材料由HK-40改為HP-50；轉化管總高度不變，延伸段縮短了265 mm。

2 存在的問題

2011年10月，改造后剛開車時，轉化管壁溫較改造前有大幅下降，滿負荷狀態下壁溫固定點在840 ℃左右，最高溫度880～890 ℃。2010年3月(改造前)監測轉化管時發現，轉化管第6、7排有熱帶(超溫)現象各10多根；10月時大約有3排轉化管有熱帶現象；12月10日負荷95%，發現轉化管大量出現熱帶現象，共約6排，占轉化管總數的一半以上，每排的轉化管大部分都在距頂部2～3 m處明顯比其他部分發紅，測量選定轉化管固定點溫度平均在851 ℃、最高達883 ℃，選定轉化管最高平均溫度907 ℃、最高達932 ℃。

3 原因分析

轉化管厚壁管HK-40與薄壁管HP-50的力學性能見表1。由表1可以看出，HP-50的各項力學性能指標相對于HK-40來說都有了提高，這為我們分析熱帶現象對轉化管的影響和制定相應的控制措施起到了理論支持作用。

表1 HK-40和HP-50力學性能的對比

注：σs—屈服強度，MPa；σb—抗拉強度，MPa；δ—伸長率，%；表中所列數值均為最小值。

3.1 轉化管傳熱效果增強

轉化管改薄壁管后，轉化管傳熱效果增強，見表2(厚壁管到更換催化劑之前壁溫相對較低)。

表2 轉化管最高壁溫 ℃

3.2 催化劑活性降低

3.2.1熱點溫度的變化

2011年8月份大修時，催化劑隨一段爐薄壁管改造予以更換，催化劑與之前的用量相同(型號均為Z112)，其規格等質量指標見表3。

表3 催化劑質量指標

在轉化管熱帶現象較明顯后，監測情況表明，在負荷較高(負荷85%以上)時，一段爐爐管超溫情況較明顯，且二段出口CH4含量超標明顯，見表4。

表4 一段爐轉化管出現熱帶現象時的監測數據(2012～2013年)

注：①當日16時；②當日9時；③當日10時；④當日8時。

3.2.2床層阻力的變化

改造后，2011年11月5日負荷95%，測量一段爐床層阻力為0.22 MPa；2012年7月12日負荷94%，阻力0.25 MPa；2013年5月23日負荷95%，阻力0.26 MPa；2013年8月8日負荷95%，阻力0.27 MPa。由這些數據可以看出，一段爐床層阻力是在逐漸增大的，表明催化劑活性在逐漸降低。

3.3 催化劑結炭現象

從一段爐床層阻力和出口甲烷含量及熱帶現象出現的位置來看，析炭的可能性是存在的。

4 應對措施

針對上述分析，我們采取以下措施來降低熱帶現象帶來的危害。

4.1 操作優化

(1)在不影響系統操作要求的情況下，盡量降低一段爐操作溫度，TIC0117≤790 ℃。

(2)在事故狀況下，TIC0117≤810 ℃。

(3)及時調整(降低)轉化管壁溫超溫的頂部燒嘴。

(4)保持一段爐溫差≤15 ℃，開停車過程其溫差≤50 ℃。

(5)H2O/C給定3.5(防止析炭)，返氫量(FI0106)控制在3 000 m3/h左右(對還原可能不徹底做補救工作)。

(6)開停車嚴格按操作方案執行，尤其是升降溫速率；一段爐投蒸汽、投原料氣時一定要穩定。

(7)正常生產時，加減量一定要平穩，防止壓力、溫度波動。

(8)加強對一段爐的監測，定期檢查一段爐燒嘴的燃燒情況，及時對問題燒嘴進行維修，確保不過熱、不偏燒。

(9)密切關注蒸汽電導率分析，防止不合格蒸汽進入一段爐(嚴格控制中壓汽提蒸汽的質量，降低汽提蒸汽流量)。

之前，轉化管壁溫一直呈逐漸上漲的趨勢；采取措施后，壁溫不再上漲，基本穩定，處于可控狀態(見表4之2013年3月28日后的數據)。

4.2 燒炭處理

在2013年2月9日的開車過程中，蒸汽升溫結束階段，恒溫(TIC0117 760 ℃、TR0100 780 ℃，入一段爐蒸汽量FIC002 50 t/h左右)燒炭2 h。正常運行后，現場觀察爐管較停車前相同負荷下的情況有明顯地好轉，表明之前轉化管結炭對壁溫已經有了影響(可參看表4之2012年12月31日和2013年2月14日的數據)。

2013年8月，對一段爐催化劑全部進行了更換，開車運行正常后，對轉化管進行了專門的監測，轉化管壁溫比較理想，見表5。

表5 換完催化劑后一段爐熱帶現象監測記錄

注：①時間均為當日10時；②均指熱帶現象最明顯的轉化管。

5 結束語

通過對一段爐轉化管熱帶現象科學地分析和采取相應的處理措施，轉化管熱帶現象是可以控制的，不是沒有辦法而只有停車換催化劑這一條路。我公司一段爐催化劑從爐管熱帶現象明顯到大修更換又多用了8個月，保證了合成氨裝置的長周期穩定運行，并實現了企業的節本增效。