一段轉化爐下集氣管局部超溫原因分析、監控及預防措施

李敬珂

(河南能源化工集團中原大化公司　河南濮陽　457004)

河南能源化工集團中原大化公司(以下簡稱中原大化公司)1 000 t/d合成氨裝置以天然氣為原料，采用ICI- AMV工藝。該套合成氨裝置生產運行20多年來，創造了良好的經濟效益和社會效益，但近年來該裝置的一段轉化爐下集氣管經常出現局部超溫現象，盡管在年度大修時進行了更換，但效果不理想，局部超溫現象依然存在。因此，對一段轉化爐下集氣管局部超溫原因進行分析，探討其監控及預防措施。

1　天然氣轉化工藝流程

來自界區的天然氣(壓力225 kPa，溫度30 ℃，含總硫質量分數50×10-6)經分離器分離所攜帶的油、水后進入原料氣壓縮機，經四段壓縮至壓力5 250 kPa、溫度114 ℃后與來自合成氣壓縮機的少量合成氣匯合，并控制混合氣中φ(H2)在2%～5%，作為預脫硫鈷-鉬加氫轉化之用，將有機硫轉化為無機硫，然后在氧化鋅脫硫槽中脫硫，控制原料氣含硫質量分數低于0.1×10-6。脫硫后的原料氣與來自中壓蒸汽管網的蒸汽按比例混合并控制水碳比為2.75、溫度為372 ℃，然后進入一段轉化爐對流段盤管加熱至580 ℃后從頂部進入轉化爐管，在鎳催化劑作用下進行轉化反應。出一段轉化爐的轉化氣(壓力4 350 kPa，溫度804 ℃，含CH4體積分數16.3%)從底部進入二段轉化爐繼續進行轉化反應。

2　一段轉化爐的結構和特點

一段轉化爐由輻射段、過渡段和對流段組成。輻射段采用頂燒爐，方箱形，配置4排共180根轉化管，管間距300 mm，排間距1 900 mm，管內轉化反應所需熱量由管外加熱室供給。煙氣帶走的熱量由對流段回收，并用于預熱原料氣、燃料氣、進入二段轉化爐的空氣、鍋爐給水、蒸汽等工藝介質。出一段轉化爐的轉化氣先分別匯集于4根下集氣管，再匯集于轉化氣總管后去二段轉化爐。在爐頂部的4排轉化爐管的管排間均布5排燒嘴，每排18只，共計90只頂部燒嘴。此布置方式可使燃料氣經燒嘴燃燒后產生的煙氣自上而下流動，與工藝氣流向完全一致，燃料氣燃燒放出的熱量正好滿足轉化反應所需。

爐底砌有4條煙道，每條煙道出口處設有1只燒嘴(平衡燒嘴)，作為入對流段煙氣溫度的調節手段。爐體由爐墻、爐頂及爐表組成，爐墻外壁設計溫度為爐頂和爐底低于100 ℃、側爐墻低于85 ℃。爐體下方設置的集氣管、集氣總管均由承壓殼體、耐熱襯里、耐熱合金內襯等組成。

3　一段轉化爐下集氣管局部超溫原因分析

一段轉化爐4根下集氣管和集氣總管均出現過局部不同程度的超溫現象，發現后及時采取接工廠風、用軸流風機加強空氣對流等措施進行物理降溫。在年度設備大檢修時把4根下集氣管和集氣總管全部進行了更換，但開車正常后不久又出現了局部不同程度的超溫現象，給設備管理和安全穩定生產帶來了不利影響。

3.1　施工質量

一段轉化爐輻射段主要由原料氣分配管系、彈簧吊掛系統、集氣管、燃燒系統、爐體組成。完成一段蒸汽轉化反應的豎琴管系由4排豎琴管組成，每排45根轉化管均焊在爐體下方同一個起支撐作用的集氣管對焊管座上。爐體下方設置的集氣管、集氣總管均由承壓殼體、耐熱襯里、耐熱合金內襯等組成，最外層的承壓殼體材質為SA387- GrP11，設計溫度(最大)為300 ℃，中間的耐熱襯里澆注料為LIP- PR，里層的耐熱合金內襯材質為Incoloy800H。

耐熱合金內襯在焊接時若焊接質量不高，氬氣保護焊接時焊接電流過大導致內襯小范圍燒穿、局部損壞，就不能有效保護澆注料耐熱襯里，工藝氣竄入澆注料耐熱襯里后就會引起局部超溫。若承壓殼體原來存在微小裂紋或分散、單個的蝕坑，在打磨、補焊時打磨的深度不足或焊接質量不佳，也會引起局部超溫。耐熱襯里澆注料在澆注前的準備工作、澆注實施及干燥過程中存在問題，導致耐熱襯里澆注料內部存在空氣柱、疏松、粉化、裂縫竄氣，保溫效果就不理想，同樣會造成局部超溫。

3.2　烘爐質量

由于更換了4根下集氣管和集氣總管，在大修后的開車過程中，首先要對一段轉化爐進行烘爐，如果未嚴格按照烘爐曲線進行烘爐、提升溫度過快，就會出現澆注料內水分過量、膨脹不均勻的現象，導致出現膨脹縫和間隙。

3.3　操作因素

集氣管、總集氣管內的工藝介質溫度、壓力、CH4含量等不符合工藝設計指標要求，導致集氣管及集氣總管外壁超溫。一段轉化爐在開停車過程中升降溫和升降壓速率過快，加減負荷時燃料氣、蒸汽、原料天然氣的加減順序出錯或幅度太大，導致轉化氣和管道溫度驟冷驟熱、壓力波動大，引起集氣管和集氣總管材質出現超溫蠕變，從而影響保溫效果和設備使用壽命。停車后降溫速率過快會出現蒸汽凝結，導致冷激耐熱合金內襯及澆注料襯里而產生裂紋，從而影響其保溫效果及使用壽命。

4　可采取的措施

一段轉化爐的4根下集氣管和集氣總管出現局部超溫不僅影響設備使用壽命，而且超溫嚴重時可能出現設備損壞、爆炸、著火等事故，因此必須采取相應的措施以降低超溫部位的溫度，情況嚴重時應停車檢修處理。

(1) 超溫部位用膠管或金屬管道接工廠風進行降溫，超溫嚴重時采用軸流風機加強空氣對流，盡快將超溫部位溫度控制在300 ℃以下。在集氣管和集氣總管上溫度較高的部位增設表面熱電偶，并將監測信號傳送至DCS系統。

(2) 嚴格控制系統負荷在28 500 m3/h以下、一段轉化爐出口溫度<770 ℃、管排溫差<10 ℃、一段轉化爐壓力≤3 850 kPa，確保一段轉化氣中各氣體組分在設計范圍內，避免負荷、壓力和爐膛溫度大幅度波動。

(3) 加強巡檢和現場檢測監護，并記錄一段轉化爐下部集氣管和集氣總管溫度數據，以便于掌握溫度變化趨勢，發現異常及時采取相應措施。

(4) 清除一段轉化爐下部及周圍易燃和可燃物品，防止火災事故的發生或擴大。

(5) 制訂緊急情況下的處理預案：溫度超過350 ℃時，應立即向上級報告并采取降溫措施，采取措施后若仍然超溫，則立即停車作進一步的處理。加強巡檢，注意觀察下集氣管和集氣總管外壁是否有鼓包現象，如果出現鼓包現象應立即按TRIPB聯鎖按鈕作停車處理。如果集氣管和集氣總管超溫部位出現擴大趨勢，應降低系統負荷，使一段轉化爐出口溫度降至700 ℃，然后等待進一步確認處理。如果超溫部位出現裂紋泄漏著火，應立即按TRIPB聯鎖按鈕作停車處理，通知調度、消防隊等，并在發生泄漏的部位附近全面警戒以防出現人員中毒；聯鎖停車后，繼續通蒸汽降溫，系統放空閥保持全開；關閉配氣站入口大閥并卸壓，然后通氮氣置換天然氣配氣站至一段轉化爐燃料管線中的天然氣。

5　預防下集氣管局部超溫的方法

(1) 下集氣管和集氣總管的選材應符合原始設計的要求，制作和施工過程應嚴格按照技術標準實施，注重細節的處理。澆注耐火襯里前，承壓殼體內表面應進行除銹，并用干燥的壓縮空氣吹掃清除干凈。在內管外表面包裹聚苯乙烯，在集氣管及測量點處的所有接觸面涂上一薄層耐火水泥并凝固固定好。按下集氣管分4段、集氣總管分3段分別澆注，澆注料凝固后須立即拆除模板。單獨的管段必須連續澆注，單管段中間有斜縫接口的分2段澆注。澆注時，每增高400 mm就必須用振動機振實1次，振動機潛入深度不超過350 mm，振動棒外徑為Φ25 mm，振動完畢后應緩慢拖出振動棒以避免空氣阻塞。

(2) 澆注的耐火襯里經檢查合格后，先自然干燥幾天，再用熱風烘干。熱風烘干時，先升溫至300 ℃后恒溫6 h，再升溫至400 ℃后恒溫2 h。

(3) 檢修后的烘爐應嚴格按照烘爐工藝進行，控制升溫速率和恒溫時間。

(4) 嚴格執行操作規程，加強開停車過程的工藝指標控制，避免溫度和壓力的大幅波動。