一段爐燃料天然氣消耗量增加原因分析及對策

張明良

(海洋石油富島有限公司， 海南東方 572600)

1 概述

海洋石油富島有限公司化肥一期(簡稱富島一期)合成氨裝置以天然氣為原料，采用英國ICI-AMV工藝，生產能力為1 000 t/d液氨[1]。一段爐為吸引風箱式加熱爐，下部輻射段分為南、北對稱的兩個爐膛，上部對流段設有煙氣廢熱回收裝置[2]。截至2022年5月裝置檢修前，一段爐轉化爐管控制出口溫度在730 ℃左右，天然氣消耗量(正常生產時為6 400 m3/h以下)由6 298 m3/h持續增加至6 551 m3/h(表1),一段爐出現燒嘴回火、爐墻膨脹鼓包和轉化爐管出口甲烷含量超標等現象。

表1 一段爐出口溫度與天然氣消耗量數據統計

2 工藝原理及流程

一段爐南、北爐兩側爐膛墻壁上各裝有5層燒嘴，第一層和第五層各有9個燒嘴，其它各層分別有12個燒嘴，共計216個燒嘴。燒嘴使用雙噴頭系統，燃料天然氣(表2)和燃料廢氣(表3)在喉管通道混合進入燒嘴，利用燃料氣壓力吸入環境中的空氣進行燃燒，熱負荷為169 GJ/h。

表2 燃料天然氣主要組成 %

表3 燃料廢氣主要組成 %

一段爐對流段頂部設有引風機，在爐膛內部建立微負壓(-100 Pa)，煙氣由此排入大氣。一段爐輻射段轉化爐管表面溫度設計為873 ℃，壓力為4.31 MPa。其內部108根轉化爐管裝有18.3 m3的Z111-6YQ型催化劑，活性組分為鎳。原料天然氣與工藝蒸汽混合后，經一段爐對流段廢熱回收盤管2加熱到580 ℃，進入一段爐轉化爐管內發生化學反應，在催化劑的作用下生成H2和CO，生成的化學物料送往二段爐。一段爐工藝流程見圖1。

3 原因分析

3.1 生產系統負荷高

一段爐轉化爐管內發生的化學反應為吸熱反應，原料天然氣流量和工藝蒸汽流量任一數值偏高，均會引起生產系統負荷高，完成設定的生產要求就需要增加燃料天然氣，為一段爐內化學反應提供更多熱量。2021年1月至2022年4月合成裝置生產系統負荷數據見表4。

圖1 一段爐工藝流程圖

表4 合成裝置生產負荷

由表4可知：生產負荷下，天然氣體積流量基本維持在32 500 m3/h左右，工藝蒸汽質量流量基本維持在65.00 t/h左右。

3.2 燃料天然氣熱值低

燃料天然氣由CH4、多碳烴類(CnH2n+2)、N2和CO組成[1]。一段爐熱量來源為燃料天然氣中的CH4燃燒。當燃料天然氣中的CH4含量降低時，需要更多的燃料天然氣，以保持一段爐化學反應熱量平衡。2021年1月至2022年4月，燃料天然氣中CH4質量分數見表5。

表5 燃料天然氣中CH4質量分數 %

由表5可知：燃料天然氣組分中的CH4質量分數穩定。

3.3 燃料廢氣流量低

燃料廢氣來自廢氣回收單元，輸送至一段爐進行輔助燃燒，為一段爐轉化爐管內吸熱化學反應提供熱量。當燃料廢氣流量不足時，需要增加燃料天然氣流量來維持一段爐出口溫度。2021年1月至2022年4月，燃料廢氣流量數據見表6。

表6 燃料廢氣體積流量

由表6可知，一段爐燃料廢氣流量在控制范圍內，未出現流量降低的情況。

3.4 燒嘴二次風門供應冷量多

一段爐燒嘴固定盤周圍分布有4個直徑為3 cm的二次風門圓孔。圓孔由圓形蓋板覆蓋，通過旋轉固定卡銷，打開蓋板來控制二次風門開度。二次風門打開多時，大量冷空氣進入燒嘴，會導致一段爐熱量上移，一段爐轉化爐管出口溫度降低。為了維持一段爐出口溫度在730 ℃左右，需要增加燃料天然氣消耗量。

通過查詢“一段爐轉化崗位交接班記錄本”，未發現有異常打開燒嘴二次風門的操作記錄。現場檢查二次風門固定卡銷狀態，未發現有卡銷螺栓松動脫落導致蓋板打開的情況。

3.5 燃料天然氣溫度低

一段爐燃料天然氣經過煙氣廢熱加熱盤管預熱到318 ℃，再進入一段爐輻射段燒嘴進行燃燒。當燃料天然氣溫度偏低時，進入燒嘴的燃料天然氣會吸收一段爐爐膛內部的熱量，需要燃燒更多的燃料天然氣來補充被吸收的熱量。2021年1月至2022年4月，燃料天然氣溫度數據見表7。

由表7可知：燃料天然氣溫度穩定，未出現溫度下降的情況。

3.6 爐墻保溫材料損壞

一段爐爐墻由爐磚、黏合材料和金屬外壁組成，爐墻內部燒嘴處的保溫材料溫度為950 ℃，外墻金屬材料涂覆高溫變色油漆，外墻表面設計溫度為150 ℃。一段爐爐墻保溫材料損壞時，材料保溫效果變差，爐膛內部大量熱量向外散發，爐墻外壁溫度若超過150 ℃，爐墻金屬外表熱敏油漆由灰色變為白色。這一部分損失的熱量，需要增加燃料天然氣消耗量來補充。

表7 燃料天然氣溫度

3.7 燒嘴一次風門設計無空氣過濾設施

一段爐燒嘴一次風門原始設計中，進風口未設置空氣濾網等過濾設施。在正常生產中，發現部分燒嘴燃燒火焰偏黃色，燒嘴磚周圍發黑，燒嘴磚的溫度比正常值低100 ℃。經拆卸檢查發現，這些燒嘴的喉管通道、一次風門擋板和噴頭微孔處均附著較多的粉塵結垢(圖2)。清理粉塵結垢后，燒嘴燃燒火焰顏色恢復至淡藍色，燒嘴磚溫度恢復至950 ℃左右。由此說明，空氣中的灰塵進入燒嘴噴頭內部，造成燒嘴噴頭微孔結垢堵塞，燃料天然氣燃燒供氧不足，出現不完全燃燒，導致一段爐燃料天然氣消耗量增加。

結合上述原因分析，爐墻保溫材料損壞、燒嘴一次風門設計無空氣過濾設施是導致一段爐燃料天然氣消耗量增加的主要因素。

從一段爐南、北爐的5層中，隨機抽取10處位置進行標記，對爐墻外壁溫度、燒嘴磚溫度、爐墻外壁顏色、燒嘴火焰顏色進行統計，數據見表8。

4 處理措施

4.1 更換爐墻損壞保溫材料

2022年5月，合成氨裝置停車進入檢修階段，進入一段爐爐膛內部檢查，發現爐墻磚表面粉化開裂，燒嘴磚黏合劑脫落，出現較大裂縫，確認為爐墻保溫材料老化損壞。對損壞的爐墻保溫材料進行更換，達到檢修質量驗收標準[3]。保溫材料檢修前后效果見圖3。

圖2 燒嘴噴頭微孔及喉管通道結垢

圖3 保溫材料檢修前后對比圖

表8 一段爐主要指標

4.2 增加燒嘴一次風門空氣過濾網

檢修期間，清理段爐所有燒嘴的喉管通道、一次風門擋板和噴頭微孔，依據燒嘴噴頭微孔和一次風門進風口的尺寸，選擇孔徑為2.5 mm、長為80 mm、寬為20 mm的不銹鋼金屬過濾網，在燒嘴進風口外壁用鐵絲捆綁固定(圖4)。

日常生產中，工藝人員依據燒嘴一次風門空氣濾網的結垢情況，不定期清理濾網，確保燒嘴一次風門空氣的流通量和潔凈度，維持燒嘴燃燒火焰顏色為淡藍色。

5 實施效果

2022年6月，生產裝置開車運行，一段爐各項工藝指標參數保持正常(表9)，轉化爐管出口溫度控制在730 ℃，一爐墻外壁溫度平均值為85 ℃，燃料天然氣消耗量由6 551 m3/h下降至6 272 m3/h，燒嘴燃燒正常且火焰無泛黃現象[4]。

圖4 燒嘴一次風門空氣濾網改造對比圖

表9 檢修后一段爐主要指標

6 結語

通過分析調查影響一段爐燃料天然氣消耗量增加的所有因素，利用裝置停車檢修的寶貴機會，采取有效措施，降低了生產裝置能源消耗，為設備安全穩定運行保駕護航。