石油鉆桿管體熱處理設(shè)備的安全改造

文/牛成杰 張梅梅 付源

在筆者所在的石油裝備制造單位，石油鉆桿管體熱處理是重點(diǎn)工藝環(huán)節(jié)，主要負(fù)責(zé)管體的調(diào)質(zhì)處理（淬火、回火），設(shè)備形式為蓄熱式加熱工業(yè)爐窯，使用清潔能源天然氣作為燃料，主要污染物為氮氧化物（NOX）、煙塵。

由于技術(shù)相對(duì)落后，隨著使用年限增加，雖經(jīng)多次大修，設(shè)備整體老化仍然不可避免，安全風(fēng)險(xiǎn)日趨增加，已逐漸不能滿足新形勢(shì)下安全生產(chǎn)的需要。同時(shí)，近兩年環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，排放廢氣中氮氧化物濃度有明顯升高趨勢(shì)，雖然依然符合國(guó)家及地方工業(yè)爐窯大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，但進(jìn)行一次徹底的設(shè)備改造，全面提升設(shè)備安全環(huán)保能力已勢(shì)在必行。

原設(shè)備工作原理

管體熱處理設(shè)備燃料為清潔能源天然氣，助燃?xì)鉃檠鯕?，原使用蓄熱燃燒方式（如圖1 所示），天然氣經(jīng)流量調(diào)節(jié)后從組式噴嘴進(jìn)入爐膛，空氣（中的氧氣）在鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)作用下經(jīng)密閉管道從蓄熱體下方進(jìn)入爐膛，天然氣與空氣混合燃燒產(chǎn)生高溫氣體，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆桿管體的加熱，其淬火溫度一般在900 ℃左右，回火溫度在600 ℃左右。

圖1 原設(shè)備使用的蓄熱式燃燒原理圖

高溫氣體經(jīng)蓄熱溝內(nèi)蓄熱體二次吸熱后，通過(guò)高空排放進(jìn)入大氣，出氣溫度被降至小于150 ℃。同時(shí)，根據(jù)工藝要求，定時(shí)換向加熱，即由A、B 兩組噴嘴交替燃燒，并通過(guò)換向閥，實(shí)現(xiàn)高溫氣體的反向循環(huán)，以平衡爐內(nèi)溫度。

存在的安全環(huán)保隱患及原因

爆燃

由于組式噴嘴及空氣進(jìn)口均位于蓄熱溝內(nèi)，在進(jìn)行空燃比調(diào)節(jié)時(shí)有視線障礙，空燃比調(diào)節(jié)不適當(dāng)。在生產(chǎn)過(guò)程中，由于燃燒不充分，天然氣內(nèi)碳元素不能充分與氧氣發(fā)生反應(yīng)，在爐內(nèi)留存積碳，同時(shí)會(huì)在高溫狀態(tài)下的石油鉆桿管體表面形成氧化皮。積碳與氧化皮覆蓋堵塞蓄熱體，導(dǎo)致空氣不能順利導(dǎo)入爐膛內(nèi)。

存在以上情況時(shí)， 如空燃比處于天然氣爆炸極限范圍內(nèi)（5%～15%），可能產(chǎn)生局部爆燃，帶來(lái)安全隱患。

偶發(fā)性黑煙

天然氣主要成分為烷烴，其中甲烷（CH4）含量約為85%。根據(jù)公司對(duì)使用天然氣組分的分析檢測(cè)，其C1摩爾百分?jǐn)?shù)為93.202%。當(dāng)爐內(nèi)空氣（氧氣）含量滿足需要時(shí)，甲烷得以充分燃燒，其化學(xué)方程式為CH4+2O2=CO2+2H2O，不包含大氣污染物。當(dāng)蓄熱溝被積碳、氧化皮阻塞時(shí)，其空氣通過(guò)率降低，導(dǎo)致氧含量不足，天然氣內(nèi)的C 元素在高溫狀態(tài)下不能充分與氧氣結(jié)合形成積碳，在生產(chǎn)時(shí)跟隨煙氣排出。

氮氧化物（NOX）濃度增高

NOX折算濃度計(jì)算公式：

C=C’×a’/a

a’=21/(21-實(shí)測(cè)氧含量)

其中：C 為NOX折算后排放濃度，單位為mg/Nm3；

C’ 為NOX實(shí)測(cè)排放濃度，單位為mg/Nm3；

a’為NOX實(shí)測(cè)的空氣過(guò)剩系數(shù)；

a 為規(guī)定的過(guò)?？諝庀禂?shù)（工業(yè)爐窯為1.7）。

根 據(jù)GB/T 16157—1996《固定污染源排氣中顆粒物測(cè)定與氣態(tài)污染物采樣方法》（行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)第1號(hào)修改單為GB/T 16157—1996/XG1—2017）及其他有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，NOX排放以折算后濃度為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，由以上公式可以看出，NOX折算濃度與其實(shí)測(cè)濃度與氧含量相關(guān)，廢氣中NOX實(shí)測(cè)濃度及氧含量越高，折算后濃度越高。其原因可以簡(jiǎn)單解釋為，氧含量越大，則空燃比越小，在天然氣得到充分燃燒后，多余氧氣在高溫作用下與氮?dú)獍l(fā)生反應(yīng)形成NOX。導(dǎo)致氧含量超標(biāo)的原因主要為過(guò)量空氣在高溫下通入爐膛，產(chǎn)生了更多的NOX。

食品安全數(shù)據(jù)的來(lái)源廣泛，包括抽查、檢測(cè)結(jié)果、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)等，在其采集、使用、處理等過(guò)程中處處存在著影響其質(zhì)量的因素，同時(shí)食品安全數(shù)據(jù)覆蓋面廣、更新速度快、數(shù)量龐大，各個(gè)環(huán)節(jié)都可能出現(xiàn)誤差，存在著較大的不確定性。

導(dǎo)致爆燃、偶發(fā)性黑煙及NOX升高的主要原因，可以歸納為兩個(gè)方面：一是由于調(diào)節(jié)技術(shù)落后（依靠調(diào)節(jié)鼓引風(fēng)機(jī)改變空氣流量），設(shè)備結(jié)構(gòu)不合理（組式噴嘴及空氣進(jìn)口均位于蓄熱溝內(nèi)），造成操作人員視線受阻，導(dǎo)致空燃比調(diào)節(jié)失當(dāng)。二是由于蓄熱溝內(nèi)陶瓷蓄熱體間空隙被氧化皮、積碳阻塞，導(dǎo)致空氣流量不足。

天然氣泄漏

由于設(shè)備整體老化，爐體、管道、閥件等部位密封性有所下降，存在天然氣泄漏的可能。

改造實(shí)施內(nèi)容

使用平焰燒嘴加蓄熱器的形式代替現(xiàn)有蓄熱燃燒方式

平展流火焰燃燒技術(shù)（簡(jiǎn)稱平焰燃燒）是業(yè)內(nèi)較為成熟的新型、高效、潔凈燃燒技術(shù)，因燒嘴噴出貼著爐壁向四周伸展形成圓盤(pán)形的薄層火焰而得名，與一般直焰燃燒器對(duì)比，具有更充分的燃燒能力，其氮氧化物排放濃度更低。

解決問(wèn)題：新型燃燒系統(tǒng)提高了整體熱效率，減少了天然氣消耗，以每年1.8 萬(wàn)t管體產(chǎn)量計(jì)算，每年可節(jié)約天然氣54 萬(wàn)Nm3，降低了大氣污染物排放。

實(shí)現(xiàn)空燃比的精細(xì)可控

分區(qū)段合理配裝燒嘴，燒嘴后安裝比例閥，每三支燒嘴配一個(gè)電動(dòng)執(zhí)行器，采用連續(xù)比例控制模式，流量由控制閥門(mén)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)連續(xù)可調(diào)，并在燒嘴天然氣管路上依次配備手動(dòng)球閥、比例閥、電磁閥。

解決問(wèn)題：加熱系統(tǒng)具備空燃比連續(xù)比例調(diào)節(jié)及反饋能力，空燃比調(diào)整更為精細(xì)、直觀，燃燒更為充分、均勻，可以有效減少積碳、氧化皮、NOX的產(chǎn)生。

配裝各類安裝裝置

一是熱空氣管道上帶有膨脹器并用巖棉隔熱包扎，加熱段的空氣管路末端設(shè)有防爆閥。二是在天然氣管道的端部設(shè)有手動(dòng)放散管道，天然氣平臺(tái)上設(shè)自動(dòng)放散管道，出口設(shè)于超廠房頂高4 ～5 m 處。

對(duì)工藝布局進(jìn)行優(yōu)化

一是清除陶瓷蓄熱球，拆除原有蓄熱溝并做填平處理，使?fàn)t膛結(jié)構(gòu)更為合理，溫度更為均勻。二是燒嘴交錯(cuò)布置于爐膛頂部，便于觀察并保證燃料及助燃?xì)饬魅胪〞场?/p>

解決問(wèn)題：使用更為合理的工藝布局，原有蓄熱式加熱結(jié)構(gòu)存在的安全環(huán)保隱患得以解決。

更為全面的溫度監(jiān)控系統(tǒng)

除設(shè)備加熱爐膛外，在出料口、淬火等工位增設(shè)溫度傳感系統(tǒng)五組，同時(shí)在設(shè)備內(nèi)部各處安裝攝像頭，其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)一并接入控制顯示系統(tǒng)，與爐膛內(nèi)傳感器共同監(jiān)視設(shè)備燃燒加熱情況。

解決問(wèn)題：實(shí)現(xiàn)燃燒加熱狀況實(shí)時(shí)監(jiān)控，作業(yè)人員可直觀對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行判斷，避免能量意外釋放。

爐體密閉性提升

一是對(duì)天然氣及空氣管線進(jìn)行整體更新，采用無(wú)縫鋼管制作。二是對(duì)熱處理外墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行升級(jí)，增加爐體密閉性。

解決問(wèn)題：降低天然氣泄漏風(fēng)險(xiǎn)，避免大氣污染物無(wú)組織排放。

新改造的熱處理設(shè)備如圖2。

圖2 新改造的熱處理設(shè)備