王愛民，王 瑞，林美玲，廖曉兵

（中石油塔里木油田分公司塔西南煉油化工廠，新疆 澤普 844804）

1 概 述

中石油塔里木油田分公司塔西南煉油化工廠200kt／a合成氨裝置采用美國(guó)Kellogg公司的低能耗、加壓催化轉(zhuǎn)化工藝，裝置于1999年7月16日開工建設(shè)，2001年10月竣工并一次試車成功，2005年合成氨裝置產(chǎn)量達(dá)標(biāo)（達(dá)設(shè)計(jì)產(chǎn)能600t／d）。

一段爐（101-B）是1臺(tái)燃?xì)廪D(zhuǎn)化爐，含輻射段和對(duì)流段。350℃的混合氣體和蒸汽流經(jīng)101-B對(duì)流一段混合氣預(yù)熱盤管預(yù)熱至621℃后，混合氣離開盤管，流至輻射段頂部，在此等分進(jìn)入3根平行支管，3根支管把氣流分配到裝有2種尺寸鎳轉(zhuǎn)化催化劑的156根轉(zhuǎn)化管（亦稱催化劑管，每根管子底部有1個(gè)多孔催化劑支撐板，催化劑就放在催化劑板上）；轉(zhuǎn)化管共有3排，每一排分東、西各有26根，每一根轉(zhuǎn)化管下端連接1根水平的集氣總管，共有3根集氣總管；每根轉(zhuǎn)化管裝有0.0593m3的催化劑，156根轉(zhuǎn)化管共裝填9.25m3的催化劑。

3根集氣總管的氣流匯集到1根位于中部的上升管中，使氣流向上返回通過輻射爐膛到一段爐出口氣輸氣管線（107-D）。輸氣管線采用耐火材料襯里并帶水夾套，連接一段爐與二段爐（103-D）。每根集氣總管都設(shè)有1個(gè)用于開車的雙截止導(dǎo)淋閥。

轉(zhuǎn)化反應(yīng)所需的熱量由72個(gè)燃料氣燒嘴提供，這些燒嘴位于管排的兩側(cè)，每排18個(gè)燒嘴，共4排。轉(zhuǎn)化爐頂燒嘴有2種：管排之間的每個(gè)燒嘴放熱能力為4.625GJ／h；考慮到爐墻的輻射熱，外燒嘴設(shè)計(jì)要小一些，爐墻與外管排之間的每個(gè)燒嘴放熱能力為3.006GJ／h。爐頂燒嘴火焰向下，轉(zhuǎn)化管出口轉(zhuǎn)化氣溫度為813℃、設(shè)計(jì)壓力為3534kPa。

一段爐燒嘴由美國(guó)UOPCallidus公司生產(chǎn)，型號(hào)為L(zhǎng)E-CSG-2PDF，燒嘴總熱負(fù)荷228GJ／h。2014年9月大檢修期間，我們對(duì)全部燒嘴進(jìn)行了更換，將其更換為新型燒嘴——CH-G-F3.85／CH-G-F2.51型超低NOX排放扁平火焰燃?xì)鉄?。舊燒嘴及新燒嘴狀貌見圖1。

圖1 舊燒嘴及新燒嘴狀貌

2 舊燒嘴的運(yùn)行狀況

更換前，舊燒嘴使用中逐漸出現(xiàn)以下主要問題：①一段爐燒嘴前壓力上漲近40kPa，達(dá)200 kPa，接近燃料氣壓力高高聯(lián)鎖值（250kPa）；②一段爐燒嘴燃燒火焰呈黃紅色，混濁不通透，爐膛內(nèi)可見明顯的火焰舔管現(xiàn)象；③部分爐管表面溫度超過設(shè)計(jì)溫度925℃，最高達(dá)965℃。

正常生產(chǎn)過程中，操作人員調(diào)節(jié)一段爐整體溫差最好的成績(jī)?yōu)?5℃左右，并需要現(xiàn)場(chǎng)操作人員在一段爐頂操作3h左右；同時(shí)，經(jīng)過長(zhǎng)周期使用后，一段爐爐膛內(nèi)經(jīng)常發(fā)生火焰舔管和回?zé)默F(xiàn)象，一般采取的處理方法是將其燒嘴閥門關(guān)閉，但這樣做顯然對(duì)爐管也不利，同時(shí)每一個(gè)燒嘴閥門開度不一致也會(huì)造成受熱不均勻，對(duì)設(shè)備損傷很大，造成一段爐燒嘴維護(hù)維修費(fèi)用較高，而且燒嘴安裝和拆卸比較費(fèi)勁，工作量也較大。簡(jiǎn)言之，舊燒嘴笨重、體積大、安裝和拆卸較困難，且每一個(gè)燒嘴閥門開度都不一樣。

3 改造緣由

鑒于舊燒嘴使用中存在的諸多問題，加之由于客觀條件發(fā)生改變——我廠從2014年開始采用和田河天然氣加弛放氣作為燃料氣，燃料氣的組分發(fā)生了顯著變化（見表1、表2），燃料氣低位熱值只有40527kJ／kg。

表1 燃料天然氣組分對(duì)比分析表

表2 弛放氣組分對(duì)比分析表

由表1可以看出，與設(shè)計(jì)值以及柯克亞天然氣相比，和田河天然氣中可燃性氣體組分明顯偏低，其中乙烷含量不及柯克亞天然氣的16%，而氮?dú)夂投趸嫉炔豢扇冀M分含量顯著增加，尤其是二氧化碳含量更是較柯克亞天然氣增加了近14倍；和田河天然氣密度也比柯克亞天然氣低近25%，低位熱值則降低了近17%。而由表2可以看出，弛放氣組分基本上與設(shè)計(jì)條件相同。因此，在同樣的一段爐負(fù)荷條件下，燃料氣的消耗量勢(shì)必大大增加，燃料氣與助燃空氣在噴嘴中流動(dòng)、預(yù)混、助燃的工況必然與使用柯克亞天然氣時(shí)有所不同。

而從實(shí)際運(yùn)行情況來看，合成氨裝置全部使用和田河天然氣后，實(shí)際工況下燃?xì)夂吞锖犹烊粴獾牧髁繛?2391.4m3／h（據(jù)燒嘴總負(fù)荷和弛放氣流量設(shè)計(jì)值3546kg／h計(jì)算需要配入的燃料天然氣流量，得到設(shè)計(jì)工況下燃料柯克亞天然氣的流量為11607m3／h）；同時(shí)，在配入和田河天然氣后，一段爐燒嘴前壓力上漲，最高達(dá)200 kPa，較之前上漲近40kPa，燃料氣單耗較之前年度增加40m3／h，而本合成氨裝置采用和田河天然氣是今后的必然趨勢(shì)。另外，從一段爐燒嘴燃燒狀況看，火焰較長(zhǎng)，爐膛內(nèi)可見明顯的火焰舔管現(xiàn)象，爐膛燃燒狀況較亂，爐管表面超溫，增加助燃空氣量后，燃燒狀況無明顯改善，爐管表面超溫現(xiàn)象仍然存在（2014年4月2—3日，委托烏石化監(jiān)測(cè)中心對(duì)我廠一段轉(zhuǎn)化爐的爐管及外壁進(jìn)行了2次紅外檢測(cè)，從檢測(cè)情況來看，爐管整體溫度較上次檢測(cè)上升10～20℃，最高達(dá)965℃，已超過設(shè)計(jì)值925℃），嚴(yán)重威脅一段爐爐管的安全運(yùn)行。

因此，若一段爐繼續(xù)使用LE-CSG-2PDF型燒嘴，必然會(huì)導(dǎo)致爐管長(zhǎng)期處于高溫狀態(tài)中，形成事故隱患。為解決燃料氣單耗上升、一段爐安全隱患增大的問題，經(jīng)過與國(guó)內(nèi)同類廠家交流及市場(chǎng)調(diào)研，綜合考慮我廠生產(chǎn)工藝要求和系統(tǒng)運(yùn)行狀況，最終選用了CH-G-F3.85／CH-G-F2.51型超低NOX排放扁平火焰燃?xì)鉄旒芭涮谉齑u來提高一段爐的燃燒效率，避免燃燒效果差而導(dǎo)致轉(zhuǎn)化管表面溫度高，并降低燃料氣消耗。于是，決定更換全部燒嘴和燒嘴磚，新燒嘴磚的外形尺寸與原燒嘴磚外形尺寸一樣，這樣可保證安裝工作量最小，并于2014年9月大檢修期間實(shí)施了燒嘴更換工作。

4 新燒嘴的運(yùn)行狀況及優(yōu)化調(diào)整

4.1 采用新燒嘴后一段爐溫差的調(diào)整

新型超低NOX排放扁平火焰燃?xì)鉄煨吞?hào)為CH-G-F3.85／CH-G-F2.51，所運(yùn)用的低NOX燃燒技術(shù)采用分級(jí)二次配風(fēng)的形式補(bǔ)充足量的空氣，使燒嘴的燃燒狀況得到明顯改善，一段爐整體溫差有效降低。生產(chǎn)過程中，一段爐溫差調(diào)整的具體步驟如下：①在氨合成塔生產(chǎn)正常后，將弛放氣全部投入到一段爐中，吩咐現(xiàn)場(chǎng)操作人員將一段爐72個(gè)燒嘴的閥門逐漸全開；②觀察一段爐的燃燒情況，確認(rèn)一段爐內(nèi)燃燒狀況良好的情況下，對(duì)4個(gè)大風(fēng)門進(jìn)行調(diào)整，觀察一會(huì)兒一段爐各點(diǎn)溫度的變化情況，然后用各個(gè)燒嘴中的小風(fēng)門進(jìn)行爐內(nèi)溫差調(diào)整，即根據(jù)燒嘴東西方向風(fēng)門開關(guān)來進(jìn)行調(diào)整；③對(duì)于同一平面的溫差，哪點(diǎn)溫度高，就將東西方向的燒嘴風(fēng)門進(jìn)行微調(diào)，溫度高就將風(fēng)門開一些，觀察一段時(shí)間，再進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)整。按照上述方法逐步對(duì)一段爐溫差進(jìn)行調(diào)整后，使一段爐整體溫差控制在10℃以下。

4.2 新燒嘴的運(yùn)行狀況

（1）燒嘴燃燒狀況的對(duì)比：火焰形狀規(guī)整、穩(wěn)定、剛性好、整體明亮，尾部無黑煙，根部呈藍(lán)色，解決了因燃料氣組分變化導(dǎo)致燒嘴燃燒狀況不好、燒嘴火焰舔爐管、爐膛燃燒狀況差等問題，爐管表面溫度降到880℃以下。

（2）燒嘴壓力的對(duì)比：一段爐總管壓力由178kPa左右降至164kPa左右，解決了因燃料氣組分變化導(dǎo)致燒嘴前壓力高的問題。

（3）一段爐整體溫差的對(duì)比：一段爐在生產(chǎn)正常（弛放氣投用）后，能夠?qū)⑷繜扉y門全開，避免了爐管受熱不均勻的問題，并通過每一個(gè)燒嘴的小風(fēng)門調(diào)節(jié)一段爐的溫差，使一段爐整體溫差由約15℃降至10℃以下，有利于延長(zhǎng)轉(zhuǎn)化催化劑的使用壽命。

（4）NOX減排效果的對(duì)比：新型燒嘴所運(yùn)用的低NOX燃燒技術(shù)采用分級(jí)二次配風(fēng)的形式補(bǔ)充足量的空氣，可以有效地協(xié)調(diào)燃料氣和助燃空氣流量，增強(qiáng)預(yù)混效果，有助于改善燃燒條件，燃料氣利用率顯著提高，產(chǎn)生的煙氣中NOX含量明顯降低。

（5）檢修工作量和操作性的對(duì)比：舊燒嘴笨重、體積大、安裝和拆卸困難，檢修工作量大，操作難度和強(qiáng)度大；改造后的燒嘴輕巧，便于安裝和更換，調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單且操作靈活，操作調(diào)整難度及強(qiáng)度明顯下降。

（6）經(jīng)濟(jì)效益的對(duì)比：經(jīng)測(cè)算，采用新型燒嘴可使燃料氣消耗量下降4%，以裝置每年滿負(fù)荷運(yùn)行330d計(jì)算，年可節(jié)約用氣超過950t，節(jié)能效益達(dá)105萬元，再加上節(jié)約的檢維修費(fèi)用等，年可節(jié)約生產(chǎn)成本139.3萬元。

4.3 新燒嘴的進(jìn)一步優(yōu)化

2015年4月復(fù)工檢修對(duì)一段爐催化劑進(jìn)行更換的同時(shí)，發(fā)現(xiàn)一段爐72個(gè)燒嘴當(dāng)中有很少一部分燒嘴發(fā)生了火焰舔火盆（耐火磚）的現(xiàn)象。為避免新燒嘴發(fā)生火焰舔火盆的現(xiàn)象，同時(shí)也為了延長(zhǎng)耐火磚的使用壽命，特采取以下措施：①一段爐燒嘴全部卸下，進(jìn)行全面檢查及清理；②將一段爐燒嘴蓋板往上提升1cm，使得火盆不被火焰舔；③一段爐燒嘴裝好后，全面進(jìn)行試漏，確保不發(fā)生泄漏。

一段爐燒嘴蓋板提升1cm后，一段爐燒嘴噴出的火焰往深的方向延伸，避免了火焰舔火盆現(xiàn)象的發(fā)生，延長(zhǎng)了耐火磚的使用壽命，無形中降低了生產(chǎn)成本。

5 日常運(yùn)行維護(hù)建議

（1）一段爐燒嘴全部投用后，盡量全開燒嘴閥門，用風(fēng)門（大、小風(fēng)門）進(jìn)行溫差調(diào)整。

（2）生產(chǎn)運(yùn)行中每一個(gè)階段均需進(jìn)行彈簧吊架刻度的檢查和記錄，并與以往的記錄進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)查找原因并予以處理。

（3）生產(chǎn)運(yùn)行中每一個(gè)階段都要聯(lián)系相關(guān)部門進(jìn)行一段爐紅外溫度監(jiān)測(cè)（檢測(cè)爐管溫度的一種方法）等，了解一段爐爐管的運(yùn)行情況，判斷一段爐燒嘴的燃燒狀況以便進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整；多注意燃料氣組分及弛放氣氣量的變化，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)匯報(bào)并進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，確保一段爐爐管正常運(yùn)行。

（4）一段爐開停車過程中注意控制升降溫速率，并確保事故狀態(tài)下不發(fā)生超溫現(xiàn)象。

（5）按時(shí)進(jìn)行原料氣和燃料氣分離罐排冷凝液工作。

（6）任何時(shí)候需把握一個(gè)原則，水碳比不能低，只要開車條件滿足就投用水碳比聯(lián)鎖，以防水碳比低而造成一段爐爐管及催化劑損壞等。

一段爐的正常運(yùn)行得益于運(yùn)行和停運(yùn)期間檢修人員的良好維護(hù)，更得益于操作人員的精心操作與維護(hù)。謹(jǐn)以以上淺見與大家分享，期望能為同行提供一點(diǎn)參考和借鑒。