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托普索侧烧炉在中海化学一期合成氨装置中的应用总结
作者/来源:   日期: 2008-07-10   点击率:1889
1 一段转化炉结构及流程简述
    中海石油化学有限公司一期合成氨装置由日本千代田公司承包,采用英国ICI-AMV工艺,生产能力为1000 t/d,由中国化学工程第九建设公司安装建设。其一段转化炉03-B001采用托普索侧壁烧嘴炉(尺寸15600×8708×18960 mm)。一段炉是一个吸引风箱式加热炉,内有108根25Cr-35Ni-Nb-Ti转化管,分二排均匀分布,每排54根(规格φ153.0×9.7×13085 mm),装在两个分开的炉膛内。膛壁上装有216个WALRAD WA4辐射烧嘴,分南北两炉,每炉南北两墙,每墙五排。第一排、第五排每排9个;第二、三、四排每排12个。这种布局和大数量烧嘴可以使转化管各高度上的温度分布较易控制,并使整个燃烧室的热分布较为均匀。烧嘴释放的燃烧热一部分通过炉壁辐射传送给转化管。剩余部分燃烧热(热损除外)以烟气的显热形式离开燃烧室,在对流段作为各预热器的热源进行废热回收。烧嘴使用双喷头系统,这样天然气和废气燃料可以分开进入燃烧器。在正常操作时,弛放气回收单元来的废气燃料引入烧嘴;如弛放气回收单元停车,则引合成回路弛放气/闪蒸汽直接去燃烧。
    来自原料气预热盘管约580 ℃的混合气经过入口分配支管进入一段转化炉转化管,转化管出口气温度设计为776 ℃,出口汇集到二个集气管。在每个热集气管中,从集气管出来的工艺气经耐热衬里的输气管线进入二段炉。离开一段炉两个辐射室的烟气温度约为940 ℃,进入共用的顶部对流段中,烟气的显热在对流段被用于预热器以回收废热:包括工艺气和蒸汽预热器盘管(03-B002E01),HP蒸汽过热器盘管(03-B002E002A/B),工艺空气预热器盘管(03-B002E03),天然气预热器盘管(03-B002E04),HP锅炉给水预热器盘管(03-B002E05)和燃料气预热器盘管(03-B002E06)。经过这些设备后,烟气由引风机(03-K001)排出到大气中,引风机在炉膛内建立微负压,使热烟气不泄漏到炉子周围。炉膛负压通过操纵引风机烟气挡板来控制。
一段转化炉相关大事纪要
2.1  一段转化炉引风机转子止推环损坏引起一段炉跳车
    2005年8月30日,引风机轴承温度上升,温度最高上升到56 ℃左右,现场电机振动较大,在电机与风机的联轴节处,有几片金属膜片脱落。工艺首先采取了更换两端轴承油箱内润滑油的措施,轴承温度一度有所下降,但其后又开始回升。后经过专家现场检查后决定停车处理。在一段炉停车的过程中,引风机轴承温度快速上升,最高达到105 ℃,工艺手动停止引风机运行,系统作紧急停车处理。停车降温后打开引风机检查,发现转子止推环与轴承磨损严重,止推环已完全损坏。拆开联轴节后发现,联轴节膜片部分脱落,将膜片送检分析,膜片质量不合格。因此,此次引风机转子止推环损坏事故的根本原因就是联轴节膜片质量不合格,在引风机运行过程中部分膜片脱落,引起风机轴向推力加大。而在停车过程中,引风机负荷的调整,又进一步加重了止推环与轴承的损坏。
2.2  一段转化炉炉管在2005年发生爆管事故
    2005年9月5日19:00一段转化炉发生爆管事故。爆管一根,位置在一段炉南炉内,爆管的裂口在转化管下端。爆管对一段炉膛的冲击较大,正对爆管裂口处的炉墙被冲损,并对周围的几根转化管也造成很大的损害。最后,经公司研究决定,将爆裂的一根转化管抽出,另外发现的存在严重缺陷的八根转化管采取堵管处理,一段转化炉保持80%的负荷运行到年底大修。由于本炉炉管已经连续运行了9年,所以在12月大修期间更换一段转化炉全部转化管及整炉催化剂。对这次爆管,分析原因如下:首先,通过查阅历年检修报告和爆管开裂口非塑性破裂现象,证明炉管材质劣化;由于我公司炉管是薄壁管,而现炉管的检测评定是依据HK40厚壁管的标准,所以造成评定还能够使用的实际管壁厚已不能承受现工艺要求的温度压力范围,而技术管理人员受评定结果的误导,放松了炉管缺陷危害的认识,影响了技术管理人员的决策,存在管理过失。其次,事故发生前,系统高负荷运行,期间有多次不正常停车,转化管内阻力增大,系统开停车过程中一段炉温度升降过快,都是导致本次爆管事故的可能原因。
2.3  一段转化炉炉管在2007年发生爆管事故
    2007年6月13日7:28分,合成氨装置停车检修锅炉返回水阀后,再开车刚正常,现场发现一段炉引风机冒黑烟,经检查,发现北炉西端墙钢板呈现烧红状态,初步判断为内部保温模块脱落,班组马上进行紧急停车处理。停车后,联合检查发现炉内有爆管征兆,怀疑发生了爆管。由于高温,当时无法进入炉内,于是决定采用拍照的手段进行确认。上午10点左右从诸多照片中发现北炉西头第一根炉管爆裂。至此,本次事故确认为爆管。保温模块脱落是由于爆管裂口的气流冲刷所致。本次爆管后,一段炉大部分炉管出现大面积的花斑、红管现象,由于距离大修还有较长时间,综合考虑,公司决定更换整炉催化剂。通过整体协调,此次更换一段炉催化剂从卸到装共用时48 h,为开车争取了时间。本次爆管的事故原因主要是4月19日一段炉出现了一次跳车事故,在此次事故处理过程中,出现了一段炉水碳比严重超低的情况,使得一段炉催化剂严重析炭。再次开车后,对4.19事故的严重性认识不深,没有足够重视,装置开起来以后,5月对一段炉进行了一次内部评估,由于一段炉运行指标正常,也就没有进一步全面、认真、细致深入评估研究4.19事故造成的后果,存在侥幸心理,认为新炉管、新催化剂经受得了这次事故的冲击,针对析炭现象采取的应对措施又不够彻底,思想上麻痹,导致6.13爆管事故的发生。
托普索侧壁烧嘴炉在使用中的缺陷及工艺应对措施
3.1  存在的缺陷
    本合成氨装置自投产以来,一段转化炉一直是一个制约生产能力的瓶颈。由于一段炉对流段原料气预热盘管设计换热面积过大,长期处于超温状态(设计温度为580 ℃,而实际生产运行时操作温度达到了610 ℃左右),对设备的安全运行十分不利,同时,为了使温度不进一步上升,工艺上还必须打开对流段冷风孔,对原料气预热盘管进行降温,大大降低了一段炉对流段的热回收效率,造成部分热量的浪费。对流段冷风孔的打开,也加大了顶部引风机的负荷,对一段炉辐射段烧嘴的燃烧非常不利。一段炉出口温度设计为776 ℃,而实际操作温度只能达到750 ℃左右。针对以上情况,本装置在工艺上采取了如下的措施。
3.2  工艺应对措施
    (1)在烧嘴入口空气吸入口加上不锈钢过滤网,以防止保温棉、灰尘被吸入烧嘴,堵塞烧嘴,影响燃烧效果。并且,还定期对烧嘴过滤网及烧嘴周围环境进行清理,以确保烧嘴正常工作。
    (2)定期组织机修人员将一段炉烧嘴拆下来进行机械清理,再用工厂空气对烧嘴孔进行吹扫除锈,以确保烧嘴处于最佳工作状况。
    (3)每个烧嘴设计配有一个一次风门及四个二次风门。一次风门空气量由燃烧气压力大小来决定,压力越大,吸入的燃烧空气就越多。二次风门空气量是由引风机能力决定的,也就是炉膛负压的大小。最低层二次风门吸入燃烧空气最少,往上依次递增。根据此原理,工艺上对烧嘴的燃烧空气进行了合理分配,保持所有烧嘴一次风门全开,根据引风机能力对燃烧二次风门进行合理分配,保持最下两层烧嘴二次风门全开,中间两层保持三个开度,最上层全关。以此来达到一段炉烧嘴的最佳空气配比。
    (4)为了降低原料气预热盘管的温度,同时提高一段炉出口温度,保证出口甲烷微量合格,将最下层烧嘴的燃料天然气及燃烧尾气量加到最大,往上依次递减,最上层烧嘴燃烧尾气不投用,燃烧天然气降至最低操作。通过以上几方面的措施,一段炉能保持入口原料气盘管温度在600 ℃左右,出口温度可以达到756 ℃左右,一段炉出口甲烷微量可以达标。
    (5)以上这些措施的实施,在一定程度上缓解了一段炉的矛盾,但仍未能彻底解决问题。2004年利用大修机会,在一段炉前增加了预转化炉,从混合原料气预热盘管第一组盘管出口将混合原料气引出(温度500 ℃左右),送入装有预转化催化剂的绝热式炉内,在镍催化剂的作用下,气体中的绝大部分高级烃以及部分甲烷在炉内与水蒸气反应,出口温度降至460 ℃左右,再进入混合原料气盘管的第二组盘管内,继续加热到580 ℃,然后进入一段炉转化管进行转化反应。通过这次技改,一段炉入口温度降至580 ℃,出口温度也提到760 ℃左右,进一步缓解了一段炉的矛盾,一段炉的操作工况也进一步温和。
目前一段炉存在的问题
    (1)虽然一段炉采用预转化炉后缓解了一段炉的矛盾,但问题依然存在,其原料气预热盘管超温问题已经解决了,但一段炉出口温度并没有明显增长,出口甲烷微量也没有明显下降。只是一段炉的操作工况变得相对温和一些,但仍需要前面提到的几种工艺措施相结合。同时,从一段炉出现的两次爆管事故可以看到,其爆裂口均在转化管出口处,根据第二次爆管的检测报告也可以看出,其转化管的损伤集中在转化管下部出口处。另外,根据历年来一段炉更换催化剂卸出的情况也可以看出,上部入口催化剂处于很好的状态,而下部出口处催化剂状况都不好。这同操作是一致的,我们在操作中为了降低一段炉入口温度,提高出口温度,是采取加大出口处烧嘴燃烧量,降低入口处烧嘴燃烧量的方式来操作的。这样使得较剧烈的转化反应集中到转化管下部出口处,下部出口处操作工况比较恶劣,这也是影响转化管寿命的一个重要因素。综上所述,本装置一段炉存在设计能力不足的问题。因此,在平常的操作中,应尽量减少一段炉的波动,降低一段炉的负荷,不要一味追求高负荷,造成一段炉损坏。
    (2)一段炉炉墙钢板变形严重,向外弯曲,尤其是南炉南墙,北炉北墙。炉膛内烧嘴砖出现外凸现象,使得烧嘴出现内缩,产生回火,造成烧嘴烧坏,进一步损坏炉墙钢板的现象。有的外墙温度达到了120~200℃。炉墙钢板的变形,以及烧嘴烧坏的原因主要是一段转化炉原有的炉衬设计不合理,保温性能差,膨胀缝处纤维在长期的高温下收缩,形成通缝而引起串火,导致外墙钢板温度超高。另外在长期的高温运行条件下,由于热量在膨胀缝处直接传导钢板,导致炉墙钢板在热应力作用下整体外移,造成炉内炉墙凹凸不平。针对上述情况,我们在平常的操作中尽量保持一段炉平稳运行,及时调整烧嘴的燃烧状况。并且,利用大修机会对一段炉炉内炉砖进行部分修复、更换、校正。
结束语
    中海化学公司一期合成氨装置ICI-AMV工艺一段炉所采用的托普索侧壁烧嘴炉在全国没有相同的炉子,同样,作为所使用的薄壁转化管也是比较特殊的。此炉子在本装置的应用中,应该说还有不完善的地方,我们也没有相同炉子的经验供参考,对此台托普索侧壁烧嘴炉的技术管理,我们仍在摸索完善中,在此作一个很简单的介绍,供大家参考。
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