二段爐及一段爐冷集氣管聯(lián)合烘爐

劉　磊，袁明福，彭東明，田　韜

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢　430223)

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二段爐及一段爐冷集氣管聯(lián)合烘爐

劉磊，袁明福，彭東明，田韜

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢430223)

摘要：以越南金甌化肥項目托普索天然氣制合成氨工藝二段爐及一段爐冷集氣管的聯(lián)合離線烘爐為例，研究二段轉(zhuǎn)化爐烘爐技術(shù)，分析烘爐過程中出現(xiàn)的問題，總結(jié)烘爐經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：二段轉(zhuǎn)化爐；冷集氣管；聯(lián)合烘爐；烘爐曲線

二段轉(zhuǎn)化爐烘爐是天然氣制合成氨裝置開車過程中的一項重要工作。在天然氣制合成氨裝置中，二段轉(zhuǎn)化爐通常是和一段轉(zhuǎn)化爐一起在線烘爐，將二段爐與一段爐分開進(jìn)行離線烘爐在金甌化肥項目中進(jìn)行了嘗試。此次烘爐范圍包括二段轉(zhuǎn)化爐、廢熱鍋爐及一段爐冷集氣管3臺焊接設(shè)備。二段爐的3層Calderys公司耐火襯里為現(xiàn)場澆注，澆筑后自然養(yǎng)護(hù)2個月，投用之前須進(jìn)行烘干處理；廢熱鍋爐的耐火襯里出廠時已烘干；冷集氣管的耐火襯里在英國摩根公司僅200°C預(yù)烘，到現(xiàn)場粘接，為進(jìn)一步除去留于襯里內(nèi)的物理水與化學(xué)水，投用前還要烘干處理。二段轉(zhuǎn)化爐襯里需通過熱煙氣進(jìn)行干燥，2011年8月，我們委托美國HotWork公司對二段爐及冷集氣管采取聯(lián)合離線烘爐。

1二段轉(zhuǎn)化爐生產(chǎn)工藝

二段轉(zhuǎn)化爐在合成氨工藝中的作用是在1 200 ℃的高溫下，把一段爐殘余的甲烷進(jìn)一步轉(zhuǎn)化，以獲得盡可能低的惰性氣體 (CH4) ，是合成氨生產(chǎn)中溫度最高的催化反應(yīng)。其主要的化學(xué)反應(yīng)包括以下兩種。

(1)燃燒反應(yīng):

2H2+O2=2H2O (g)ΔH=-484 kJ/mol

(2)甲烷轉(zhuǎn)化和 CO變換反應(yīng):

CH4+H2O=CO+3H2ΔH=206.4 kJ/mol

CO+H2O=CO2+H2ΔH=- 41.2kJ/mol

由于合成氨反應(yīng)需要N2，因此在二段爐頂部加入空氣來燃燒一部分轉(zhuǎn)化氣，為 CH4的轉(zhuǎn)化反應(yīng)提供熱量，繼續(xù)將殘余的甲烷降到0.6%以下。減少進(jìn)入合成系統(tǒng)的惰性組分量，有利于氨合成的正反應(yīng)，從而提高合成率，同時也能減少弛放氣的排放量，對推進(jìn)裝置的低能耗、低物耗起到重要作用。

2二段爐烘爐的必要性

如果烘爐不徹底，施工過程中存留于襯里內(nèi)的物理水與化學(xué)水將難以順利排盡，在裝置開車時，由于溫升快、溫度高(二段爐加入空氣后就更高)，襯里中剩余的水迅速汽化，產(chǎn)生的水蒸氣壓力高，極易爆發(fā)性逸出，使襯里垮裂，承壓殼體局部暴露，殼體溫度迅速升高，很快超過其所能承受的溫度，也會導(dǎo)致設(shè)備損壞，造成不可挽回的損失[1]。因此，高質(zhì)量的烘爐就顯得非常重要，且烘爐難度也極高。

3二段爐澆注料的成分

二段爐的3層耐火澆注料從內(nèi)到外分別使用輕質(zhì)鋁-硅、泡狀純鋁、高鋁低硅剛玉的澆注料，再用鋁酸鹽水泥作結(jié)合劑，與耐火骨料和粉料按一定配比加水?dāng)嚢璩尚筒⒔?jīng)潮濕養(yǎng)護(hù)后而成的。具體成分配比見表1。

表1　二段爐澆注材料成分配比

4烘爐的準(zhǔn)備措施

(1)烘爐燒嘴：HotWork公司提供5個熱效率為2.5×106kJ/h，噴速為150m/s的烘爐燒嘴，5個風(fēng)量為2 800 Nm3/h的燒嘴風(fēng)機(jī)及安全電子點火裝置。將1#、2#燒嘴布置在廢鍋人孔，3#、4#布置在集氣管東側(cè)人孔，5#布置在集氣管西側(cè)人孔，燒嘴及測溫?zé)犭娕季唧w布置見圖1。

圖1　烘爐燒嘴及測溫點布置注：二段爐分布3個測溫點；廢鍋分布2個測溫點；冷集氣管分布5個測溫點；二段爐殼分布3個測溫點；B1-B5設(shè)置在廢鍋及集氣管人孔

(2)在二段爐、廢鍋、冷集氣管內(nèi)共布置10個臨時熱電偶，監(jiān)測烘爐煙氣溫度。在設(shè)備外殼布置3個臨時熱電偶，輔測設(shè)備表面溫度。按照耐火料廠家要求，將冷集氣管烘爐控制溫度點布置在管的中部(標(biāo)為T10號)，將二段爐烘爐控制溫度點布置在爐膛底部(標(biāo)為T3號)。

(3)由于烘爐期間廢鍋換熱列管無水保護(hù)，在列管前砌了一面由350 mm耐火磚及耐火毯組成的防火墻防止列管干燒。

(4)在冷熱集氣管之間的3個法蘭安裝3片臨時盲板，隔離冷熱集氣管，保護(hù)一段爐的轉(zhuǎn)化管和熱集氣管。

(5)由于二段爐3層澆注料含水量大，在二段爐外殼臨時包裹100 mm的保溫棉，確保在烘爐最高峰600 ℃時外殼溫度能維持在110 ℃左右，使得最內(nèi)層澆注料水分能被蒸除。

(6)烘爐煙氣主要從二段爐及冷集氣管垂直段頂部排放，在此設(shè)置2個臨時排煙煙囪及煙道擋板，可有效控制溫度。

(7)烘爐燃料由50%丙烷、50%丁烷的LPG槽罐車供應(yīng)，通過金屬軟管接到燒嘴裝置，烘爐是連續(xù)作業(yè)，為避免夜間管道施工的探傷作業(yè)，特建立一個30 m×30 m烘爐隔離區(qū)域及配套消防車保證烘爐安全。

5烘爐

5.1烘爐設(shè)計曲線

由于這3臺設(shè)備的耐火澆注材料不同，各家提供的烘爐曲線也不同，在與HotWork公司討論烘爐燒嘴能夠滿足烘爐要求的問題后，我們將一段爐和冷集氣管的2條烘爐曲線合并，2臺設(shè)備的澆注料在一次烘爐中同時進(jìn)行。最終得到的各澆注料廠家確認(rèn)的烘爐曲線見圖2。

圖2　烘爐設(shè)計曲線

紅色直線是二段爐T3號溫度控制線，藍(lán)色階梯線則為冷集氣管T10號溫度控制線，二段爐和集氣管的溫度通過5個烘爐燒嘴分別控制。

5.2烘爐操作

烘爐全過程分5個階段，共193 h。待烘爐條件檢查確認(rèn)后，氮氣置換燃?xì)夤艿溃_啟燒嘴風(fēng)機(jī)，開燃?xì)忾y，燒嘴點火。先從常溫升至150 ℃，恒溫24 h(除去自由水)，再逐步升溫至600 ℃，恒溫24 h(除去結(jié)晶水)，最后燜爐降溫。

若在烘爐期間，出現(xiàn)燒嘴熄火、風(fēng)機(jī)停運或燃料氣中斷等故障，應(yīng)立即關(guān)閉燃料氣閥，停止風(fēng)機(jī)，關(guān)閉煙道擋板，防止烘爐溫度驟降，待查明原因后，再繼續(xù)點火烘爐。在暫停烘爐與繼續(xù)烘爐期間，應(yīng)特別避免爆炸事故及爐膛內(nèi)溫度大幅波動。

5.3實際烘爐曲線

二段爐烘爐實際曲線見圖3(其中T3測溫點是烘爐控制點)。

圖3　二段爐烘爐實際曲線

冷集氣管烘爐實際曲線見圖4(其中T10測溫點是烘爐控制點)。

圖4　冷集氣管烘爐實際曲線

上圖實際烘爐曲線可說明以下幾點。

(1)大雨使得燒嘴控制裝置斷電，導(dǎo)致燒嘴3次熄滅，烘爐也隨即中斷，待修復(fù)電力后，立即恢復(fù)烘爐。3次中斷未影響烘爐效果，實際烘爐操作基本遵照設(shè)計烘爐曲線進(jìn)行。

(2)由于1#、2#燒嘴在廢鍋人孔處，導(dǎo)致廢鍋內(nèi)T1、T2兩個測溫點的溫度一直高于二段爐的T3烘爐控制溫度，但廢鍋已經(jīng)過烘干，能夠承受烘烤溫度。

(3)二段爐外殼T13監(jiān)測顯示，在烘爐最高溫時，殼體的溫度已經(jīng)升到229 ℃，超過了設(shè)計溫度200 ℃，立即拆除臨時保溫棉，降低殼體溫度。T14是實施中外加輔測冷集氣管外殼溫度點，實際烘爐沒有超過冷集氣管的設(shè)計溫度。

5.4烘爐檢查

烘爐降溫冷卻后，進(jìn)入二段爐、冷集氣管內(nèi)檢查。二段爐耐火襯里無貫穿性裂紋，無>3 mm裂紋，完全符合設(shè)計規(guī)范和生產(chǎn)要求。冷集氣管雖有部分耐火襯里脫落，主要是由于未裝保穩(wěn)釘，烘爐燒嘴的沖刷不影響日后生產(chǎn)。

6結(jié)語

(1)冷集氣管垂直段的1、2節(jié)連接部位，廠家在制作襯里時未裝保溫釘，導(dǎo)致烘爐350 ℃時部分耐火襯里脫落。烘爐結(jié)束后，襯里廠家重新安裝保溫釘，用澆筑料手工澆筑直至和冷集氣管本來襯里平齊，修復(fù)的襯里在開車時與一段爐一同升溫烘烤。

(2)冷集氣管的內(nèi)徑容積小，無緩沖空間，對溫度變化敏感，燒嘴設(shè)置在集氣管人孔，沖刷附近襯里表面，使部分襯里表皮脫落，但不影響使用。若遇到空間小的設(shè)備，應(yīng)設(shè)置一個臨時燃燒室，通過熱煙氣傳導(dǎo)烘爐。

(3)二段爐底部錐形穹頂在烘爐前已安裝(見圖5)，由于烘爐燒嘴設(shè)置在二段爐下面的廢鍋人孔處，HotWork公司擔(dān)心穹頂磚的風(fēng)孔面積無法保證二段爐烘爐效果。通過計算得流通面積>1 m2，且剛玉磚是在高溫(1 700 ℃以上)下燒結(jié)成的，穹頂能夠滿足烘爐要求，不需要拆除。

圖5　剛玉磚穹頂

在 2012年8月，裝置投產(chǎn)運行約12個月的時間，且二段轉(zhuǎn)化爐經(jīng)歷了10余次升溫/降溫的沖擊后，襯里仍然完好如初。目前二段轉(zhuǎn)化爐裝置運行良好，完全達(dá)到了裝置安全運行的技術(shù)要求，滿足了生產(chǎn)的需要。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李緒華，劉云祿，蔣弟華.純氧燃燒的二段轉(zhuǎn)化爐烘爐總結(jié)[J].瀘天化科技,2007，30(4):319-321.

Joint Dry-out of Secondary Reformer and Primary Reformer Cold Gas Headers

LIU Lei，YUAN Ming-fu，PENG Dong-ming，Tian Tao

(WuhuanEngineeringCo.,Ltd.,WuhanHubei430223China)

Abstract：Based on joint off-line dry-out practices of secondary reformer and primary reformer cold gas headers of Topsφe’s natural gas to ammonia plant of Ca Mau Fertilizer Project, this paper studies secondary reformer dry-out technology and analyzes the problems arising during dry-out work, as well as summarizes dry-out experience.

Keywords：secondary reformer; cold gas header; joint dry-out; dry-out curve

收稿日期：2015-11-12

中圖分類號：TQ 054

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-8901(2016)02-0012-03

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.02.004 10.3969/j.issn.1004-8901.2016.02.004

作者簡介：劉磊(1984年-)，男，湖北武漢人，2009年畢業(yè)于武漢工程大學(xué)生物化工專業(yè)，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事生產(chǎn)試運行管理工作。