易志勇

（中國(guó)五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223）

二段爐轉(zhuǎn)化爐是合成氨裝置的關(guān)鍵設(shè)備之一，是合成氨裝置中溫度最高的一臺(tái)設(shè)備（直接燃燒的爐子除外），內(nèi)部反應(yīng)溫度高達(dá) 1 300～1 400 ℃。殼體防止超溫的方法一般有兩種，一種是以KBR 為典型的外部水夾套設(shè)計(jì)；另一種是以Topsoe 為典型的無(wú)水夾套而在外壁涂刷熱敏漆的方式，當(dāng)殼體外壁溫達(dá)到一定溫度，顏色發(fā)生改變，說(shuō)明內(nèi)部襯里已經(jīng)失效。但無(wú)論采用何種方式，因內(nèi)部高溫高壓環(huán)境，且直接與工藝介質(zhì)接觸，襯里的質(zhì)量直接影響設(shè)備的安全運(yùn)行。襯里烘爐作為襯里施工最后一道環(huán)節(jié)，直接影響襯里最終質(zhì)量，因此顯得尤為關(guān)鍵。本文以我公司實(shí)際已執(zhí)行的某國(guó)外合成氨尿素項(xiàng)目的二段爐烘爐為例，詳細(xì)介紹整個(gè)襯里的烘爐方案設(shè)計(jì)、烘爐過(guò)程實(shí)施及最終檢查并對(duì)其中的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行分析。

1 二段爐內(nèi)部工藝反應(yīng)

本項(xiàng)目合成氨裝置采用瑞士Casale 專(zhuān)利包工藝。二段爐工藝原理是：從一段爐出來(lái)的轉(zhuǎn)化氣在上部與工藝空氣進(jìn)行混合燃燒反應(yīng)，放出大量熱量，然后進(jìn)入鎳基催化劑床層進(jìn)行甲烷轉(zhuǎn)化和CO 變換反應(yīng)，最終將一段轉(zhuǎn)化氣中的殘留甲烷含量從13.5%降至0.5%左右, 以減少進(jìn)入氨合成系統(tǒng)的惰性組分（CH4）含量，有利于氨合成的正反應(yīng)，降低裝置能耗。通過(guò)調(diào)節(jié)加入空氣的量控制進(jìn)入合成反應(yīng)的H2與N2含量比為3∶1。其內(nèi)部的基本化學(xué)反應(yīng)為：

2 二段爐襯里設(shè)計(jì)及烘爐原理

2.1 襯里設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目二段爐的襯里設(shè)計(jì)由專(zhuān)業(yè)耐火材料廠家Calderys 負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和供貨，主體為雙層襯里結(jié)構(gòu)，靠近承壓殼體的隔熱層及與工藝介質(zhì)接觸的耐火層，與廢鍋連接段因有內(nèi)襯筒結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)為單層氧化鋁空心球襯里結(jié)構(gòu)，底部需砌筑高鋁耐火磚拱頂結(jié)構(gòu)，以支撐內(nèi)部瓷球及催化劑。選用襯里材料信息見(jiàn)表1。

表1 襯里材料信息

2.2 烘爐原理

不定形耐火澆注料在澆筑完成后，一般需在5～35 ℃環(huán)境溫度下進(jìn)行至少24 h 的潮濕養(yǎng)護(hù)，此階段水泥與耐火骨料和粉料遇水后發(fā)生水化反應(yīng)，形成常溫強(qiáng)度，但內(nèi)部仍存在較多的游離水和結(jié)晶水，如果正式開(kāi)車(chē)前不將大部分水烘干，開(kāi)車(chē)升溫速度較快時(shí)，大量水蒸氣在澆注料內(nèi)部聚集，壓力聚集到一定程度就可能導(dǎo)致襯里開(kāi)裂，嚴(yán)重時(shí)可能發(fā)生襯里炸裂脫落。因此，澆注料施工后都需要進(jìn)行烘爐，一方面是將大部分游離水和結(jié)合水脫出，另一方面是使?jié)沧⒘希ㄌ貏e是耐火層）形成穩(wěn)定的晶相結(jié)構(gòu)，達(dá)到高溫強(qiáng)度。

烘爐的方式可采用離線(xiàn)烘爐或者在線(xiàn)烘爐，如果烘爐過(guò)程涉及到整個(gè)系統(tǒng)或工序裝置的運(yùn)行，設(shè)備無(wú)法單獨(dú)隔離，一般采用在線(xiàn)烘爐的方式，直接利用工藝介質(zhì)或者燃燒煙氣進(jìn)行烘爐。而對(duì)于多數(shù)設(shè)備，都可以將設(shè)備隔離進(jìn)行離線(xiàn)烘爐，開(kāi)車(chē)時(shí)可直接按一定溫度升溫即可，縮短開(kāi)車(chē)時(shí)間。對(duì)于二段爐，通常都是采用離線(xiàn)烘爐的方式，但烘爐時(shí)外部水夾套需要投用，以防止烘爐過(guò)程中殼體超溫。

3 烘爐方案及準(zhǔn)備措施

3.1 烘爐方案

二段爐烘爐布置方案見(jiàn)圖1。

（1）煙氣入口：高溫?zé)煔鈴亩螤t底板人孔通入，燃料采用液化石油氣，前端設(shè)置汽化器，通過(guò)調(diào)節(jié)燃料消耗和供風(fēng)量，控制烘爐煙氣溫度。

（2）煙氣出口：從一段爐和二段爐連接的傳輸管線(xiàn)頂部人孔排出。將于廢熱鍋爐、二段爐頂部、傳輸管線(xiàn)前端用陶瓷纖維毯封堵。

圖1 烘爐布置方案示意圖

（3）測(cè)溫點(diǎn)：分別在煙氣入口、與廢鍋連接處、筒體中段、頂部及煙氣出口設(shè)置測(cè)溫點(diǎn)。其中以筒體中段作為烘爐曲線(xiàn)參考溫度點(diǎn)。

（4）拱磚砌筑：烘爐前完成基磚（A、B 磚）砌筑，主要起一定隔熱作用，防止高溫?zé)煔馀c殼體直接接觸，同時(shí)也是由于基磚內(nèi)外側(cè)有鎳基護(hù)板，烘爐后鎳基護(hù)板可能發(fā)生高溫變形，之后基磚無(wú)法砌筑。

3.2 烘爐曲線(xiàn)

烘爐曲線(xiàn)由廠家根據(jù)澆注料的類(lèi)型和厚度提供，圖2 為廠家推薦烘爐曲線(xiàn)，表2 為升降溫計(jì)劃。

圖2 廠家推薦二段爐烘爐曲線(xiàn)圖

在烘爐過(guò)程中，需注意以下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：

3.2.1 溫度控制

包括兩方面的內(nèi)容：

（1）爐內(nèi)煙氣：嚴(yán)格按烘爐曲線(xiàn)控制升溫速率、保證恒溫時(shí)間。無(wú)特殊情況，應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，不得中斷。若遇特殊情況烘爐中斷，當(dāng)處于升溫階段時(shí)，按50℃/h 重新升溫到中斷前溫度；處于恒溫階段時(shí)，按50℃/h 重新升溫到中斷前溫度，同時(shí)適當(dāng)延長(zhǎng)此段恒溫時(shí)間。

表2 烘爐升降溫計(jì)劃

（2）外殼溫度：承壓殼體外壁溫要求不超過(guò)130℃，因夾套內(nèi)部為設(shè)計(jì)表面熱電偶，因此采用觀察水夾套壁溫的方式監(jiān)控外殼溫度變化。

3.2.2 液位控制

整個(gè)烘爐過(guò)程夾套內(nèi)部應(yīng)充滿(mǎn)水且保持溢流狀態(tài)。烘爐結(jié)束關(guān)閉燒嘴后，可中斷供水，保持液位24 h。

3.2.3 裙座溫度

裙座溫度需控制在250 ℃以下，為防止裙座內(nèi)部高溫?zé)煔饩奂瘜?dǎo)致超溫，在裙座人孔處設(shè)置鼓風(fēng)機(jī)，烘爐煙氣溫度達(dá)350 ℃后，保持開(kāi)啟狀態(tài)。

4 烘爐實(shí)施

烘爐具體操作實(shí)施由當(dāng)?shù)貙?zhuān)業(yè)烘爐廠家Artash公司負(fù)責(zé)，其負(fù)責(zé)具體的烘爐操作，爐內(nèi)煙氣溫度記錄監(jiān)控，五環(huán)負(fù)責(zé)外部溫度和液位巡檢及夾套水供應(yīng)和控制。烘爐前需對(duì)燃料管線(xiàn)進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，進(jìn)行燒嘴調(diào)試、溫度測(cè)點(diǎn)和閥門(mén)調(diào)試。待烘爐條件檢查確認(rèn)后，氮?dú)庵脫Q燃?xì)夤艿?，先開(kāi)風(fēng)機(jī)進(jìn)行對(duì)設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行吹掃，完成后即可燒嘴點(diǎn)火開(kāi)始升溫烘爐。

圖3 為二段爐實(shí)際烘爐曲線(xiàn)。

關(guān)于烘爐過(guò)程，說(shuō)明如下：

（1）烘爐過(guò)程基本平穩(wěn)，T3A 溫度點(diǎn)與烘爐曲線(xiàn)設(shè)置的溫度Target 基本吻合。

（2）在600 ℃恒溫階段，因與廢鍋連接段陶纖毯及耐火磚隔離墻未固定牢靠，在爐膛正壓作用下吹倒。發(fā)現(xiàn)后立即關(guān)閉燒嘴，臨時(shí)修復(fù)封堵處，中斷約45 min 后重新點(diǎn)火并按30 ℃/h 升溫到600 ℃，因此從曲線(xiàn)可看出有一段溫度突降和突升。但T2A/B 熱電偶接線(xiàn)在此時(shí)損壞，后續(xù)階段無(wú)法記錄溫度，因此曲線(xiàn)中未予體現(xiàn)。

圖3 二段爐實(shí)際烘爐曲線(xiàn)圖

（3）當(dāng)爐內(nèi)溫度（T3A 點(diǎn)）降至 247 ℃時(shí)，發(fā)現(xiàn)燒嘴調(diào)至最小負(fù)荷時(shí)爐內(nèi)溫度已下降很慢，因此決定可以停爐，爐內(nèi)自然降溫。停爐后，從設(shè)備自帶熱電偶的觀察，溫度下降已經(jīng)很慢（3～5 ℃/h）。

（4）烘爐過(guò)程中每間隔1 h 對(duì)裙座、水夾套、頂部大蓋的溫度進(jìn)行人工測(cè)量。從結(jié)果看，裙座溫度控制在小于68 ℃。水夾套溫度最高達(dá)到96 ℃，且頂部蒸汽放空管有白汽冒出，考慮夾套內(nèi)部溫差，認(rèn)為殼體溫度應(yīng)已達(dá)到110 ℃，判斷基本上可將最內(nèi)側(cè)隔熱澆注料的游離水排出。頂部大蓋最高溫度達(dá)到100.4 ℃，比預(yù)期溫度稍低一些，大蓋最內(nèi)層澆注料水分可能未完全烘干，分析原因主要是由于最頂部沒(méi)有排氣口，存在死區(qū)，升溫受限，但考慮此處實(shí)際運(yùn)行時(shí)操作溫度較低，殘余水分可以在開(kāi)車(chē)運(yùn)行階段逐漸排出。

5 烘爐后襯里檢查

烘爐完成后與襯里廠家一同對(duì)二段爐內(nèi)部的襯里進(jìn)行了詳細(xì)的檢查，結(jié)果如下：

（1）襯里整體結(jié)構(gòu)基本完好，主體無(wú)大于3 mm且深度達(dá)襯里厚度一半裂紋，多為微裂紋（見(jiàn)圖4），滿(mǎn)足專(zhuān)業(yè)規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

（2）底部錐段靠近煙氣入口處發(fā)現(xiàn)襯里表面脫落情況（見(jiàn)圖5），主要是高溫氣流沖刷所致，脫落厚度最大約5 mm，小于襯里厚度的10%（10 mm），滿(mǎn)足要求。

圖4 烘爐后襯里內(nèi)部狀態(tài)圖

圖5 襯里表面脫落實(shí)物圖

（3）頂部大蓋接管周邊襯里開(kāi)裂脫落（見(jiàn)圖6），開(kāi)裂處正好在橢圓拐角處，分析原因?yàn)榇颂幠突饘渝^固釘布置不夠（見(jiàn)圖7），且接管與澆注料之間膨脹間隙不足。最終確定處理措施為：將此部分襯里清除至漏出隔熱層錨固釘，再用相同材質(zhì)焊接延長(zhǎng)錨固釘至耐火層，然后重新澆筑至圖紙厚度，澆筑前接管外側(cè)纏繞兩層3 mm 陶纖紙。

圖6 頂部大蓋接管周?chē)r里開(kāi)裂實(shí)物圖

圖7 頂部大蓋錨固釘設(shè)計(jì)實(shí)物圖

（4）烘爐后發(fā)現(xiàn)部分基磚開(kāi)裂，疑為基磚內(nèi)外錐與澆注料之間膨脹間隙不足所致，但詳細(xì)分析后與烘爐過(guò)程關(guān)系不大，在此不做具體分析。

根據(jù)烘爐的檢查結(jié)果，可以說(shuō)明整個(gè)烘爐方案是合理的，烘爐后襯里整體質(zhì)量符合使用要求，對(duì)于局部出現(xiàn)的襯里開(kāi)裂問(wèn)題修復(fù)后即可解決。對(duì)于烘爐過(guò)程遇到的問(wèn)題，有以下幾方面值得改進(jìn)：

（1）烘爐時(shí)臨時(shí)封堵部位應(yīng)密封好，且用臨時(shí)支撐固定牢靠，防止?fàn)t內(nèi)在正壓作用下倒塌。

（2）本項(xiàng)目為考慮頂部大蓋襯里需與設(shè)備本體一同烘爐，將頂部大蓋安裝后一起烘爐，煙氣從側(cè)邊排出，導(dǎo)致頂部存在小部分死區(qū)，蒸汽排出不便，頂部法蘭有蒸發(fā)水流出，建議今后項(xiàng)目可以在頂部設(shè)置排氣孔，以便水汽排出和此部分襯里的烘干。

（3）二段爐的烘爐應(yīng)盡量避免中斷，即使中斷應(yīng)盡量縮短中斷時(shí)間，中斷時(shí)及時(shí)停止夾套供水，保持爐內(nèi)溫度。特別注意的是在高溫階段（600 ℃以上），停爐后爐內(nèi)溫度會(huì)迅速下降，1 h 可能下降150 ℃，溫度的急劇變化可能導(dǎo)致加劇襯里的開(kāi)裂、 裂紋增大和襯里脫落風(fēng)險(xiǎn)。因此，烘爐過(guò)程必須做好應(yīng)急預(yù)案，確保水源、電源的穩(wěn)定供應(yīng)。

（4）水夾套內(nèi)部承壓殼體表面建議設(shè)置表面熱電偶，一是可以在烘爐過(guò)程監(jiān)控殼體溫度變化，觀察壁溫是否達(dá)到烘爐要求，同時(shí)在運(yùn)行階段也便于對(duì)承壓殼體溫度的監(jiān)控，判斷內(nèi)部襯里是否完好。

6 結(jié)語(yǔ)

二段轉(zhuǎn)化爐作為合成氨關(guān)鍵設(shè)備之一，要求襯里必須滿(mǎn)足長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行的要求。二段爐烘爐之前必須根據(jù)耐火材料廠家提出烘爐指導(dǎo)方案和實(shí)際條件制定詳細(xì)的實(shí)施方案，包括烘爐布置、 烘爐曲線(xiàn)、溫度及液位控制要求，并由專(zhuān)業(yè)的烘爐廠家負(fù)責(zé)實(shí)施，在烘爐完成后應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的質(zhì)量檢查，不符合要求應(yīng)予返修，以保證最終襯里質(zhì)量。本文最后對(duì)烘爐過(guò)程提出的改進(jìn)建議，希望為今后類(lèi)似項(xiàng)目的烘爐提供一些參考和借鑒。