消除豎琴式轉化爐下集氣管熱變形的方法

王永鋒，劉 磊，亓 峰

(北京石油化工工程有限公司西安分公司 陜西西安 710075)

消除豎琴式轉化爐下集氣管熱變形的方法

王永鋒，劉 磊，亓 峰

(北京石油化工工程有限公司西安分公司 陜西西安 710075)

針對豎琴式轉化爐存在下集氣管易熱變形的問題，在轉化爐輻射室底部的橫梁與下集氣管之間增設彈簧限位架，消除了下集氣管熱態過度變形，防止下集氣管耐火襯里出現裂紋或脫落導致的高溫高壓富氫氣體的泄漏。該方法應用于某制氫裝置后已連續運行7年，下集氣管耐火襯里從未出現裂紋或脫落、集氣管外壁局部超溫等問題，消除了裝置的安全隱患，確保裝置安全平穩運行，并節省了維修費用。

轉化爐 下集氣管 熱態變形 彈簧限位架

烴類蒸汽轉化爐是現有合成氨、甲醇、制氫等石油化工裝置中最為重要的設備之一，爐型基本可分為頂燒爐、側燒爐和階梯爐，但從爐體結構、轉化反應速率、爐管使用壽命、輻射熱效率、燃料適用性及耗量等方面比較，頂燒爐具有明顯優勢，其已成為目前轉化爐的主要選擇形式[1]。轉化爐管系是整個轉化爐的關鍵部位，包括上分配管、上豬尾管、轉化爐管、下集氣管和下集氣總管。轉化爐管與下集氣管的連接形式通常有豎琴式(直插式)和帶下豬尾管式，2種方式各有利弊，在國內外均有多套裝置采用，豎琴式因具有結構簡單、投資省、能耗低等優點而越來越受到推崇。

1 下集氣管的熱態變形

國內現有采用豎琴式轉化爐管系的裝置，如瀘天化400 kt/a甲醇裝置、湖北化肥廠300 kt/a合成氨裝置、上海高橋2套制氫裝置、海南煉化制氫裝置、大連西太平洋制氫裝置等，操作狀態下的轉化爐下集氣管均熱態向上拱起，產生過度變形的現象，其主要原因是由下集氣管頂部與底部所存在的溫差造成的。從現場實測得知，下集氣管頂部與底部之間的溫差最大可達70 ℃，產生該溫差的主要原因是下集氣管內部襯里不均勻、轉化爐底部熱輻射、集氣管頂部與底部存在熱損差異等。下集氣管內部襯里采用水平離心法澆筑，在襯里材料重力作用下，導致內部襯里上薄下厚；由于集氣管頂部通風效果差，造成集氣管頂部與底部的環境溫度差異較大。以上問題在此類轉化爐中是不可避免的。

在熱態時，下集氣管過度向上拱起，會導致下集氣管內部襯里變形，進而出現裂紋或脫落現象。過度變形還會使轉化管與下集氣管相連接的開孔處應力陡然增大，使開孔呈現橢圓化。由于下集氣管內的富氫氣體溫度為800～900 ℃、壓力為2.65 MPa(表壓)，富氫氣體在襯里裂紋或脫落部位與下集氣管外壁直接接觸，造成管壁超溫(下集氣管材質通常為16Mn)，長期運行將導致管壁破裂，造成高溫、高壓富氫氣體泄漏，甚至遇明火引發爆炸事故。在生產過程中出現以上問題后，就必須停車修復襯里，而此處的整改、修復難度很大，一般需耗時15～30 d，以30 000 m3/h(標態)制氫裝置為例，在修復停工期間將給企業造成2 000～4 000萬元的經濟損失。

2 消除下集氣管熱態變形的方法

2.1 方法說明

針對轉化爐下集氣管頂部與底部存在溫差導致下集氣管向上拱起變形的問題，提出在轉化爐輻射室底部的橫梁與下集氣管之間設置彈簧限位架(上壓式)的解決方案。彈簧限位架的設置可以抵消豎琴式轉化爐下集氣管熱態時所產生向上拱起的變形應力，從而解決下集氣管的過度變形問題。彈簧限位架應根據下集氣管變形的上拱力來選型，并均布于爐底橫梁下部。

2.2 實施方式

圖1 彈簧限位架結構

彈簧限位架結構如圖1所示。彈簧安裝在彈簧殼體中，彈簧限位架通過上固定板和環狀底架來安裝固定；上固定板固定在轉化爐底部橫梁下，通過2根支腳固定連接在殼體的上方；環狀底架包括上半環和下半環，上半環和下半環通過螺栓固定連接后環箍在下集氣管上；上半環的上方設有方便安裝彈簧殼體的環狀底架頂板，彈簧殼體的下方用螺栓固定在環狀底架頂板上。

工作原理：在冷態時，將彈簧限位架安裝于轉化爐底部橫梁與下集氣管之間，彈簧處于壓縮狀態，其產生的外張彈力與下集氣管熱態時的變形應力相匹配；在熱態時，彈簧的外張彈力阻止了下集氣管向上拱起的變形，同時避免由下集氣管變形引發的一系列問題。

2.3 技術應用實例

該方法于2008年在某30 000 m3/h(標態)制氫裝置中獲得成功應用，有效解決了豎琴式轉化爐下集氣管熱態時發生向上拱起而過度變形的問題，至今已正常生產運行7年，下集氣管內的襯里從未出現裂紋或脫落、集氣管外壁局部超溫等問題，轉化爐操作運行安全、平穩。

3 應用前景

在轉化爐輻射室底部的橫梁與下集氣管之間設置彈簧限位架(上壓式)的方法可大量應用于國內外新建和改建的合成氨、甲醇、制氫等類似的煉油化工裝置中，對于保證整套裝置的安全平穩運行、消除安全隱患、減少維修費用、縮短維修時間、提高企業經濟效益等方面均具有很高的實用價值，應用前景廣泛。

[1] 姚稷天.煉油廠制氫轉化爐的設計[J].煉油設計，2001(10)：13- 17.

Method of Eliminating Thermal Deformation of Manifold of Harp Reformer

WANG Yongfeng, LIU Lei, QI Feng

(Beijing Petrochemical Engineering Co., Ltd. Xi′an Branch Shaanxi Xi′an 710075)

In connection with the problem that thermal deformation of manifold of harp reformer is easy to occur, new elastic stop supports are added between the beam under reformer radiation chamber and the manifold, excessive thermal deformation of manifold is eliminated, leakage of high temperature and pressure hydrogen- rich gas caused by crack or fall off of refractory lining of manifold is prevented. Since applying this method with a certain hydrogen production unit, it has operated continuously for 7 years, manifold lining has no problems of crack, fall off and over temperature at any part of outer wall of the manifold, hidden perils in equipment safety are eliminated, safe and stable operation of the unit is guaranteed and maintenance cost are saved.

reformer manifold thermal deformation elastic stop support

王永鋒，高級工程師，副總工程師，從事石油化工工程設計工作。

TE963

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1006- 7779(2016)06- 0049- 02

2015- 05- 20)