靳文芳，趙萬杰

（河南煤業(yè)化工集團(tuán)中原大化公司，河南濮陽 457004）

中原大化公司合成氨裝置的設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為300kt／a，一段轉(zhuǎn)化爐是整個(gè)合成氨裝置最重要的設(shè)備，為方箱式伍德型爐子。完成一段蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)的轉(zhuǎn)化管由4排（180根）豎琴管排組成，每排45根轉(zhuǎn)化管，均焊接在爐體下方同一個(gè)起支撐作用的集氣管對(duì)焊管座上。轉(zhuǎn)化管材料為HK－40，屬厚壁（18.57mm）管。在2012年因一次突發(fā)事故停車再開車后發(fā)現(xiàn)，部分轉(zhuǎn)化管在管長(zhǎng)的30%至40%之間呈段狀超溫且顏色發(fā)紅發(fā)亮的現(xiàn)象，見圖1。隨著運(yùn)行的時(shí)間增加超溫管數(shù)明顯增加，現(xiàn)對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行分析，并介紹在這種現(xiàn)象下維持運(yùn)行的處理對(duì)策。

圖1 紅管示意

1 “紅管”原因分析

（1）本爐催化劑是2010年1月裝填，較雜（共6種），使用時(shí)間已接近3年，到了使用壽命的末期。隨著使用時(shí)間的增加，催化劑活性組分流失，特別是在轉(zhuǎn)化管1／3處的催化劑由于對(duì)應(yīng)的甲烷含量高，反應(yīng)劇烈，造成活性組分流失得更嚴(yán)重，就會(huì)表現(xiàn)出活性差，反應(yīng)能力下降，吸熱少等現(xiàn)象，造成管子超溫發(fā)紅。

（2）2011年冬季大修期間，對(duì)35根監(jiān)測(cè)為B－接近C級(jí)的轉(zhuǎn)化管進(jìn)行了更換，內(nèi)部催化劑也隨之更換。新舊轉(zhuǎn)化管由于裝填催化劑時(shí)間不同，造成新舊轉(zhuǎn)化管的壓力降不一。一些阻力較大的轉(zhuǎn)化管原料氣分布較少，造成反應(yīng)量和吸熱量較少，就造成局部超溫。在更換了35根轉(zhuǎn)化管開車后就發(fā)現(xiàn)，管排溫差過大，以至于現(xiàn)場(chǎng)無法調(diào)節(jié)管排溫差。在更換轉(zhuǎn)化管最多的A 排與鄰近的B 排溫差最大，為54 ℃（指標(biāo)為低于10℃），這說明原料氣分布嚴(yán)重不均勻，會(huì)造成轉(zhuǎn)化管的應(yīng)力分布損壞。

（3）催化劑出現(xiàn)粉化現(xiàn)象。催化劑在使用后期強(qiáng)度會(huì)下降，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)大幅度波動(dòng)時(shí)，特別是系統(tǒng)壓力變化大或者蒸汽帶水等，就會(huì)造成催化劑粉化。當(dāng)局部位置催化劑粉化后，就會(huì)造成阻力大、氣量少和反應(yīng)量較少，導(dǎo)致局部過熱。通過與其他廠家交流得知，“紅管”現(xiàn)象一般都發(fā)生在催化劑使用后期且緊急停車后再開車的過程中。

（4）催化劑出現(xiàn)析炭現(xiàn)象。高級(jí)烴類的裂解反應(yīng)造成催化劑析炭，堵塞了催化劑的內(nèi)部微孔，增加了催化劑床層的局部阻力，導(dǎo)致氣體分布不均勻。特別是在轉(zhuǎn)化管的1／3之處，由于高級(jí)烴類含量高，溫度較低，容易發(fā)生析炭反應(yīng)。特別是供應(yīng)組分變化大，高級(jí)烴類增多，實(shí)際操作水碳比及返氫調(diào)節(jié)滯后，更易造成裂解析炭的反應(yīng)速度增大。

（5）燒嘴燒偏嚴(yán)重。一段爐的外部加熱裝置是90個(gè)頂部燒嘴直接火焰加熱，轉(zhuǎn)化管內(nèi)的工藝氣體與管外的煙氣同向流動(dòng)。強(qiáng)制送預(yù)熱空氣短火焰型燒嘴頭部溫度很高，燃料氣極易在內(nèi)部結(jié)炭，堵塞燒嘴孔，造成偏燒，火焰不垂直，舔燒爐管且飄忽無力，致使?fàn)t管局部過熱。另外，少部分燒嘴燃料閥門、空氣閥門不好用，燃料壓力、空氣流量不易控制，燃燒不充分，火焰拉長(zhǎng)，煙氣大，致使?fàn)t管局部過熱。為防止轉(zhuǎn)化管因火嘴燃燒不好而造成超溫，現(xiàn)已全關(guān)18 個(gè)，半關(guān)8個(gè)，已經(jīng)超過火嘴總量的五分之一。

（6）一段爐內(nèi)墻新?lián)Q保溫層（保溫棉）沒有涂保護(hù)層，在高溫下顏色發(fā)白（如圖2），反射光（能量）較強(qiáng)，造成相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)化管超溫，也有可能是造成背景光太強(qiáng)烈影響紅外測(cè)溫儀的準(zhǔn)確性。

圖2 沒有涂保護(hù)層的保溫層

2 超溫特點(diǎn)及可能的后果

2.1 超溫特點(diǎn)

（1）爐膛整體超溫特點(diǎn) 整個(gè)爐膛普遍超溫，管壁溫度整體較正常溫度偏高。

（2）轉(zhuǎn)化管超溫特點(diǎn) 轉(zhuǎn)化管發(fā)生 “紅管”數(shù)量多，無規(guī)律；超溫均勻，成片成片的超。目前發(fā)生紅管跡象的轉(zhuǎn)化管，管子沒有堵死現(xiàn)象。

（3）經(jīng)過測(cè)量新?lián)Q的35根管壁也超溫，但是表面呈黑色，沒有紅管現(xiàn)象，這是由于新?lián)Q轉(zhuǎn)化管周圍的轉(zhuǎn)化管催化劑活性不好，熱量帶不走，外部供給熱量不變，會(huì)發(fā)生“熱量堆積效應(yīng)”。

2.2 可能的后果

（1）目前新更換的轉(zhuǎn)化管不會(huì)爆，老管已運(yùn)行16×104h（設(shè)計(jì)10×104h），爆管的可能性較大。

（2）爐管屬于高溫材料，嚴(yán)重超溫會(huì)發(fā)生蠕變、脹粗。

（3）目前爐管主要是發(fā)紅，一旦發(fā)現(xiàn)管子逐漸發(fā)亮，要引起特別注意，可能會(huì)爆管。

3 采取的措施

總體思路是 “三降”，即 “降溫、降壓、降負(fù)荷”。

3.1 降 溫

降低整個(gè)爐膛的熱負(fù)荷。通過關(guān)閉關(guān)小偏燒火嘴及超溫較高的爐管對(duì)應(yīng)的燃料閥和燃燒空氣閥，降低局部溫度。降低一段爐出口溫度和提高進(jìn)口溫度，一段爐進(jìn)口溫度提高到接近設(shè)計(jì)值580℃，出口溫度從以前的775℃降低到現(xiàn)在的752℃以下，向二段爐轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化負(fù)荷。

3.2 降系統(tǒng)壓力

提高合成氣壓縮機(jī)的負(fù)荷，降低系統(tǒng)壓力，從以往的3.75MPa降低到現(xiàn)在的小于3.6MPa。

3.3 降負(fù)荷

降一段爐負(fù)荷。從28.9km3／h 降至現(xiàn)在的26.5km3／h。其實(shí)這個(gè)過程也是降低系統(tǒng)壓力的過程。在煤化工的甲醇弛放氣組分正常情況下，盡量多引弛放氣，降一段爐負(fù)荷。

3.4 加強(qiáng)工藝指標(biāo)的管理

如水碳比控制在3.0～3.1之間。如果過低影響催化劑的反應(yīng)，控制過高就會(huì)增加爐膛內(nèi)部的熱負(fù)荷，增加轉(zhuǎn)化管的壁溫。

3.5 加強(qiáng)巡檢

現(xiàn)場(chǎng)操作人員加強(qiáng)對(duì)一段爐的巡檢，每小時(shí)都要透過窺火孔觀察爐管顏色和火嘴燃燒情況，并且每天3次用紅外線測(cè)溫儀測(cè)量管壁溫度，還設(shè)了轉(zhuǎn)化管測(cè)溫記錄臺(tái)賬。對(duì)超溫的轉(zhuǎn)化管要嚴(yán)格細(xì)致地測(cè)量紀(jì)錄，紀(jì)錄相應(yīng)負(fù)荷、水碳比、溫度等下的轉(zhuǎn)化管溫度，詳細(xì)紀(jì)錄超溫管號(hào)碼和超溫值，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常情況要及時(shí)匯報(bào)和確認(rèn)。

3.6 制定緊急情況下的處理預(yù)案

圖3 轉(zhuǎn)化管爆管現(xiàn)象

如果轉(zhuǎn)化管突然爆管，爐膛內(nèi)的負(fù)壓就會(huì)迅速上升，系統(tǒng)壓力持續(xù)下降，并且爐內(nèi)有爆破聲，引風(fēng)機(jī)出口冒黑煙。出現(xiàn)這些現(xiàn)象就可以判斷一段爐轉(zhuǎn)化管爆管（如圖3），就要系統(tǒng)緊急停車，防止事故擴(kuò)大化。如果處理不及時(shí)，由于其介質(zhì)為高溫高壓易燃?xì)怏w，就會(huì)產(chǎn)生像一條非常有沖擊力的火龍，破壞爐墻的保溫結(jié)構(gòu)和鄰近的轉(zhuǎn)化管。若引風(fēng)機(jī)因?yàn)槁?lián)鎖停車，要立即啟動(dòng)，防止一段爐內(nèi)持續(xù)爆燃。

4 結(jié) 語

通過以上分析，避免一段爐轉(zhuǎn)化管超溫發(fā)生紅管現(xiàn)象，最重要的就是要避免催化劑活性下降析炭等因素。雖然采取了一些措施能夠維持一段爐的運(yùn)行，但是無法保證其運(yùn)行的安全性。如果要從根本上解決超溫紅管的問題，就要全部更換新的催化劑并調(diào)整好火嘴燃燒情況，確保爐管不要局部超溫，延長(zhǎng)爐管使用壽命。