二段轉(zhuǎn)化爐爐底球冠形剛玉磚拱使用問(wèn)題分析及預(yù)防

劉保林

(河北金牛旭陽(yáng)化工有限公司，河北 邢臺(tái) 054000)

0 引 言

河北金牛旭陽(yáng)化工有限公司(簡(jiǎn)稱旭陽(yáng)化工)200 kt/a甲醇裝置以焦?fàn)t煤氣為原料生產(chǎn)甲醇，于2009年6月1日建成投產(chǎn)，裝置主要工藝單元包括焦?fàn)t氣壓縮、脫硫、甲烷轉(zhuǎn)化、甲醇合成、甲醇精餾等；其中，甲烷轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的主要任務(wù)是，在高溫和轉(zhuǎn)化催化劑的作用下，使焦?fàn)t氣中的甲烷與蒸汽發(fā)生轉(zhuǎn)化反應(yīng)生成CO、CO2和H2，以提高甲醇合成原料氣中的有效氣含量，這一過(guò)程在轉(zhuǎn)化爐內(nèi)進(jìn)行，旭陽(yáng)化工采用的是二段轉(zhuǎn)化爐。由于二段轉(zhuǎn)化爐操作溫度很高，最高達(dá)1 200 ℃以上，對(duì)二段轉(zhuǎn)化爐各部件(構(gòu)件)均有很高的要求，任何局部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問(wèn)題均會(huì)影響二段轉(zhuǎn)化爐的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。以下結(jié)合旭陽(yáng)化工的實(shí)際生產(chǎn)情況，分析與探討導(dǎo)致二段轉(zhuǎn)化爐爐底球冠形剛玉磚拱(簡(jiǎn)稱剛玉磚拱)損壞的原因，以及設(shè)計(jì)、制作與砌筑質(zhì)量對(duì)剛玉磚拱使用壽命的影響，并提出相應(yīng)的生產(chǎn)操作注意事項(xiàng)。

1 剛玉磚拱的作用及結(jié)構(gòu)

剛玉磚拱安裝在二段轉(zhuǎn)化爐內(nèi)下部，位于設(shè)備總高度約1/4處。其作用主要有二：一是收集、流通氣體；二是支撐轉(zhuǎn)化爐內(nèi)催化劑及耐火球的重量。早期的剛玉磚拱設(shè)計(jì)為塔型結(jié)構(gòu)，每層剛玉磚為臺(tái)階形砌筑，磚與磚之間僅靠環(huán)形凹槽配合，且磚面之間沒(méi)有咬合[1]，此種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差、易損壞，影響轉(zhuǎn)化爐的安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行，已逐步棄用。目前，二段轉(zhuǎn)化爐內(nèi)剛玉磚拱已改進(jìn)為球冠形結(jié)構(gòu)。球冠形剛玉磚拱是由多種不同型號(hào)的楔形剛玉磚砌筑而成，拱腳磚斜插嵌入轉(zhuǎn)化爐本體襯里內(nèi)部環(huán)形支撐平臺(tái)上，除拱腳磚外，其他的剛玉磚上兩面均設(shè)有凹槽，呈工字形結(jié)構(gòu)，當(dāng)兩塊磚按設(shè)計(jì)要求組合在一起時(shí)，便形成一個(gè)完整的氣流通道；同一型號(hào)的剛玉磚在同一水平面上砌成一圈，相互擠壓，構(gòu)成一個(gè)傾斜狀的圓環(huán)，之后在此圓環(huán)面上繼續(xù)砌筑，圓環(huán)直徑逐步縮小直至拱頂；砌筑成的不同直徑的圓形拱，從拱腳磚開(kāi)始到拱頂沿曲面方向上相互擠壓，最終形成一個(gè)完整的球冠形磚拱。

2 剛玉磚拱的使用情況

生產(chǎn)過(guò)程中，由于二段轉(zhuǎn)化爐內(nèi)高溫烘烤、氣流沖刷、熱震等因素的影響，構(gòu)成磚拱的剛玉磚的強(qiáng)度會(huì)逐漸下降，隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，部分剛玉磚出現(xiàn)局部裂紋、磚塊剝落的現(xiàn)象，造成剛玉磚拱整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性變差，脫落的剛玉磚碎塊還會(huì)后移堵塞轉(zhuǎn)化爐出口通道及換熱器等，造成系統(tǒng)阻力上升，影響系統(tǒng)正常、穩(wěn)定運(yùn)行。

剛玉磚拱強(qiáng)度下降、損壞到一定程度，就會(huì)出現(xiàn)突然塌陷的情況，不僅嚴(yán)重影響生產(chǎn)，有時(shí)還會(huì)誘發(fā)較大的安全事故。例如：內(nèi)蒙古慶華集團(tuán)有限公司甲醇廠之二段轉(zhuǎn)化爐爐底磚拱突然塌陷后，催化劑快速下沉過(guò)程中將位于催化劑床層的熱電偶套管拉裂，導(dǎo)致高溫轉(zhuǎn)化氣泄漏著火，二段轉(zhuǎn)化爐筒體被燒穿、變形；2021年7月19日旭陽(yáng)化工甲醇裝置開(kāi)車(chē)加負(fù)荷過(guò)程中，突然發(fā)生二段轉(zhuǎn)化爐爐底磚拱垮塌，所幸處理及時(shí)未誘發(fā)安全事故，其后檢修過(guò)程中發(fā)現(xiàn)剛玉拱磚強(qiáng)度下降明顯，拱磚上有明顯的裂紋且破碎嚴(yán)重。

設(shè)計(jì)上剛玉磚拱的跨徑、矢高主要取決于二段轉(zhuǎn)化爐本體直徑以及磚拱的整體受力情況。旭陽(yáng)化工剛玉磚拱的跨徑為2 930 mm、矢高為1 100 mm。剛玉磚拱在生產(chǎn)中不僅要耐受高溫氣體的沖刷、烘烤，而且要負(fù)載二段轉(zhuǎn)化爐內(nèi)催化劑的重量，因此其使用壽命相較于二段轉(zhuǎn)化爐內(nèi)的隔熱襯里(隔熱襯里使用壽命可達(dá)10 a以上)要短很多，實(shí)際使用壽命一般小于5 a。

3 剛玉磚拱損壞原因分析

導(dǎo)致二段轉(zhuǎn)化爐剛玉磚拱損壞的原因有很多，主要有高溫烘烤、壓力波動(dòng)、水冷激等，具體分析如下。

3.1 溫 度

溫度對(duì)剛玉磚拱的影響是巨大的，主要體現(xiàn)在三方面：一是高溫氣體的直接烘烤，會(huì)導(dǎo)致剛玉磚強(qiáng)度逐步下降，這是不可避免的正常強(qiáng)度衰減；二是溫度的波動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致剛玉磚的表面層產(chǎn)生熱疲勞，尤其是頻繁的較大幅度的溫度波動(dòng)，會(huì)造成剛玉磚膨脹量頻繁變化，產(chǎn)生許多膨脹裂紋，時(shí)間久了剛玉磚就會(huì)變得疏松，繼而造成小塊磚剝落現(xiàn)象發(fā)生——尤其是開(kāi)/停車(chē)過(guò)程中，溫度的急劇變化會(huì)使剛玉磚產(chǎn)生巨大的內(nèi)應(yīng)力而加速損壞；三是超溫，超溫會(huì)使剛玉磚強(qiáng)度迅速下降，超溫嚴(yán)重至達(dá)到或超過(guò)剛玉磚的荷重軟化溫度時(shí)，就會(huì)直接導(dǎo)致剛玉磚拱垮塌。

3.2 壓 力

壓力的影響一方面是源于壓力的波動(dòng)。壓力波動(dòng)會(huì)使磚拱的承重隨之波動(dòng)，引起磚拱各剛玉磚間擠壓力變化，不利于磚拱的穩(wěn)定，尤其是在開(kāi)/停車(chē)過(guò)程中，系統(tǒng)升壓、降壓速率較大，剛玉磚拱受到頻繁的受壓和松壓作用，會(huì)造成剛玉磚拱整體穩(wěn)定性變差。山西潞寶集團(tuán)焦化有限公司甲醇廠二段轉(zhuǎn)化爐某次檢修時(shí)，認(rèn)為剛玉磚拱整體結(jié)構(gòu)完整、無(wú)明顯缺陷，當(dāng)時(shí)決定不予更換，只對(duì)催化劑進(jìn)行更換，然而轉(zhuǎn)化爐重新開(kāi)車(chē)后不久，剛玉磚拱突然塌陷，轉(zhuǎn)化爐不得不再次轉(zhuǎn)入檢修，雖未誘發(fā)大的安全事故，但嚴(yán)重影響了生產(chǎn)進(jìn)度；事后分析表明，雖然檢修時(shí)剛玉磚拱表觀上完好，但使用時(shí)間久了其強(qiáng)度下降嚴(yán)重，且在舊催化劑卸出、新催化劑回裝的過(guò)程中，承重的變化會(huì)引起磚拱各剛玉磚間擠壓力發(fā)生變化，受力的一松一緊使剛玉磚拱產(chǎn)生一定的形變而穩(wěn)定性變差。

壓力的影響另一方面是源于二段轉(zhuǎn)化爐壓降的增加。二段轉(zhuǎn)化爐壓降包括轉(zhuǎn)化催化劑床層的阻力和剛玉磚拱上下的氣流阻力，壓降增加，剛玉磚拱前后的操作壓差增大，無(wú)形中增加了磚拱的承重。轉(zhuǎn)化催化劑床層阻力的增加，主要是因?yàn)檗D(zhuǎn)化爐內(nèi)的甲烷轉(zhuǎn)化反應(yīng)往往伴隨著析碳反應(yīng)，而分子形態(tài)的碳滲透性很強(qiáng)，久而久之會(huì)使轉(zhuǎn)化催化劑活性下降、粉化、結(jié)塊，造成催化劑床層阻力增大；氣流阻力的增大，則主要是因?yàn)閯傆翊u拱上方的剛玉球強(qiáng)度降低破碎以及剝落的剛玉磚碎塊堵在氣流通道中，導(dǎo)致氣流通道減小而阻力增大。

3.3 水冷激

水冷激會(huì)使剛玉磚拱產(chǎn)生極速的熱脹冷縮，對(duì)剛玉磚的強(qiáng)度造成較大的影響。正常生產(chǎn)時(shí)，高溫環(huán)境下不會(huì)出現(xiàn)蒸汽帶水，但開(kāi)/停車(chē)期間需格外注意水對(duì)剛玉磚拱的影響。開(kāi)車(chē)時(shí)氮?dú)馍郎厍袚Q為蒸汽升溫的過(guò)程，操作不當(dāng)時(shí)，如蒸汽管線內(nèi)冷凝液排放不徹底或入爐蒸汽過(guò)熱度不夠，均會(huì)產(chǎn)生蒸汽帶水而對(duì)爐底磚拱形成水冷激；停車(chē)過(guò)程則要重點(diǎn)關(guān)注與轉(zhuǎn)化爐底部出口相連的廢熱鍋爐的運(yùn)行情況及其汽包液位的變化，若廢熱鍋爐換熱管竄漏，會(huì)有大量的鍋爐水竄漏、倒流至轉(zhuǎn)化爐底部，發(fā)現(xiàn)不及時(shí)則會(huì)淹沒(méi)剛玉磚拱造成水冷激。例如：中石油烏魯木齊石化分公司二化肥廠二段轉(zhuǎn)化爐曾因廢熱鍋爐換熱管竄漏致水倒流入轉(zhuǎn)化爐底部，造成剛玉磚拱水激崩裂[2]；建滔(河北)化工有限公司二期100 kt/a甲醇裝置二段轉(zhuǎn)化爐也曾因廢熱鍋爐竄漏導(dǎo)致轉(zhuǎn)化爐底部被淹，所幸發(fā)現(xiàn)及時(shí)未淹沒(méi)剛玉磚拱而未造成水激崩裂。

4 生產(chǎn)操作注意事項(xiàng)

為減少或避免因操作不當(dāng)對(duì)二段轉(zhuǎn)化爐內(nèi)剛玉磚拱造成不利影響，經(jīng)梳理與總結(jié)，其操作注意事項(xiàng)如下。

(1)盡量控制轉(zhuǎn)化爐操作溫度穩(wěn)定，避免頻繁、大幅度地波動(dòng)；開(kāi)/停車(chē)過(guò)程中，轉(zhuǎn)化爐升/降溫速率需控制在設(shè)計(jì)許可范圍內(nèi)，避免剛玉磚拱急劇熱脹冷縮；生產(chǎn)中嚴(yán)禁持續(xù)的大幅度超溫現(xiàn)象發(fā)生。

(2)控制轉(zhuǎn)化爐內(nèi)操作壓力穩(wěn)定，避免頻繁波動(dòng)；開(kāi)/停車(chē)過(guò)程中，控制轉(zhuǎn)化爐內(nèi)壓力變化速率在合理范圍且均勻；生產(chǎn)中多關(guān)注轉(zhuǎn)化爐床層阻力的變化，及時(shí)調(diào)整進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐的焦?fàn)t氣量和蒸汽量，控制適宜的水碳比，保持析碳和消碳反應(yīng)平衡，減少析碳的發(fā)生，避免轉(zhuǎn)化爐催化劑床層阻力上漲。

(3)轉(zhuǎn)化爐開(kāi)車(chē)期間，在氮?dú)馍郎厍袚Q為蒸汽升溫的過(guò)程中，一要高度重視氮?dú)馍郎販囟?，須升溫至超過(guò)進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐的蒸汽溫度50 ℃以上；二要排凈蒸汽管線內(nèi)的冷凝液，確保進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐的蒸汽不會(huì)帶水且處于過(guò)熱狀態(tài)，避免水冷激現(xiàn)象發(fā)生。停車(chē)過(guò)程中，要重點(diǎn)關(guān)注與轉(zhuǎn)化爐底部出口相連的廢熱鍋爐的運(yùn)行情況及其汽包液位的變化，避免水倒流入轉(zhuǎn)化爐底部。

5 設(shè)計(jì)、制作及砌筑質(zhì)量對(duì)剛玉磚拱的影響

剛玉磚拱自身的設(shè)計(jì)、制作及砌筑質(zhì)量也會(huì)影響其強(qiáng)度和使用壽命。由于二段轉(zhuǎn)化爐內(nèi)整個(gè)剛玉磚拱是由剛玉磚互相組合、擠壓、砌筑而成的，系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，剛玉磚拱的承重越大，各剛玉磚間的擠壓力也就越大，對(duì)其強(qiáng)度的要求也就越高。而對(duì)于拱形結(jié)構(gòu)，在同樣的承重下，若拱的跨徑越大而矢高越小，則構(gòu)成磚拱的各剛玉磚間的擠壓力就會(huì)越大，且對(duì)設(shè)備筒體也會(huì)形成更大的徑向水平推力。若拱的曲率半徑適當(dāng)減小、拱角加大，即拱的跨徑減小、矢高增加，在承重不變的情況下，作用于磚拱上的壓應(yīng)力會(huì)有所減小[3]，對(duì)設(shè)備筒體的徑向水平推力也會(huì)減小，如此各剛玉磚間的擠壓力會(huì)減小。

在二段轉(zhuǎn)化爐剛玉磚拱開(kāi)孔率適宜即滿足氣體流通的前提下，磚拱的跨徑越小，各剛玉磚間的擠壓力越小、磚拱結(jié)構(gòu)越穩(wěn)固；剛玉磚拱在跨徑不變的前提下適當(dāng)增加拱高即矢高，亦可改善磚拱的受力及其穩(wěn)定性。建滔(河北)化工有限公司一期100 kt/a甲醇裝置二段轉(zhuǎn)化爐爐底磚拱，由于原始設(shè)計(jì)跨徑偏大、矢高偏小，導(dǎo)致各剛玉磚間擠壓力偏大，使用過(guò)程中局部磚塊脫落現(xiàn)象嚴(yán)重，影響其使用壽命；后增加了拱的矢高(幾乎做成了半球狀)，使磚拱曲率半徑減小，磚拱的受力狀況明顯改善，二段轉(zhuǎn)化爐實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)周期、穩(wěn)定運(yùn)行。

此外，剛玉磚的制作質(zhì)量和砌筑水平也很關(guān)鍵。早期的剛玉磚以灰剛玉作為原料燒制而成，其強(qiáng)度和耐溫性能均一般；隨著轉(zhuǎn)化爐操作溫度的不斷提升，后改進(jìn)為白剛玉原料，剛玉磚的強(qiáng)度和耐溫性能得到大幅提高，砌筑而成的磚拱也更加耐用。近年來(lái)又開(kāi)發(fā)出了鉻剛玉，據(jù)廠家介紹其綜合性能較白剛玉更加優(yōu)良，砌筑而成的剛玉磚拱性能更加優(yōu)良。

6 結(jié)束語(yǔ)

二段轉(zhuǎn)化爐內(nèi)剛玉磚拱強(qiáng)度的下降與損壞是不可避免的，剛玉磚拱的檢修、更換也比較繁瑣，而檢修、更換時(shí)需將催化劑鈍化、卸出，耗時(shí)較長(zhǎng)，對(duì)生產(chǎn)的影響較大，因此剛玉磚拱的更換頻次跟隨轉(zhuǎn)化催化劑的更換頻次即可，一般為2～3 a。總之，剛玉磚拱要達(dá)到良好的使用效果、延長(zhǎng)其使用壽命，首先是剛玉磚拱要設(shè)計(jì)合理、制作質(zhì)量?jī)?yōu)良，其次是生產(chǎn)中要精心操作，保證溫度、壓力穩(wěn)定，減少系統(tǒng)開(kāi)/停車(chē)次數(shù)和檢修頻次，減緩剛玉磚拱強(qiáng)度下降的速率。