爐管“紅管”的原因分析和處理對策

靳文芳，趙萬杰

（河南煤業(yè)化工集團中原大化公司，河南濮陽 457004）

中原大化公司合成氨裝置的設計生產能力為300kt／a，一段轉化爐是整個合成氨裝置最重要的設備，為方箱式伍德型爐子。完成一段蒸汽轉化反應的轉化管由4排（180根）豎琴管排組成，每排45根轉化管，均焊接在爐體下方同一個起支撐作用的集氣管對焊管座上。轉化管材料為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)，部分轉化管在管長的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。隨著運行的時間增加超溫管數明顯增加，現(xiàn)對此現(xiàn)象進行分析，并介紹在這種現(xiàn)象下維持運行的處理對策。

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），使用時間已接近3年，到了使用壽命的末期。隨著使用時間的增加，催化劑活性組分流失，特別是在轉化管1／3處的催化劑由于對應的甲烷含量高，反應劇烈，造成活性組分流失得更嚴重，就會表現(xiàn)出活性差，反應能力下降，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35根監(jiān)測為B－接近C級的轉化管進行了更換，內部催化劑也隨之更換。新舊轉化管由于裝填催化劑時間不同，造成新舊轉化管的壓力降不一。一些阻力較大的轉化管原料氣分布較少，造成反應量和吸熱量較少，就造成局部超溫。在更換了35根轉化管開車后就發(fā)現(xiàn)，管排溫差過大，以至于現(xiàn)場無法調節(jié)管排溫差。在更換轉化管最多的A 排與鄰近的B 排溫差最大，為54 ℃（指標為低于10℃），這說明原料氣分布嚴重不均勻，會造成轉化管的應力分布損壞。

（3）催化劑出現(xiàn)粉化現(xiàn)象。催化劑在使用后期強度會下降，當系統(tǒng)出現(xiàn)大幅度波動時，特別是系統(tǒng)壓力變化大或者蒸汽帶水等，就會造成催化劑粉化。當局部位置催化劑粉化后，就會造成阻力大、氣量少和反應量較少，導致局部過熱。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。高級烴類的裂解反應造成催化劑析炭，堵塞了催化劑的內部微孔，增加了催化劑床層的局部阻力，導致氣體分布不均勻。特別是在轉化管的1／3之處，由于高級烴類含量高，溫度較低，容易發(fā)生析炭反應。特別是供應組分變化大，高級烴類增多，實際操作水碳比及返氫調節(jié)滯后，更易造成裂解析炭的反應速度增大。

（5）燒嘴燒偏嚴重。一段爐的外部加熱裝置是90個頂部燒嘴直接火焰加熱，轉化管內的工藝氣體與管外的煙氣同向流動。強制送預熱空氣短火焰型燒嘴頭部溫度很高，燃料氣極易在內部結炭，堵塞燒嘴孔，造成偏燒，火焰不垂直，舔燒爐管且飄忽無力，致使爐管局部過熱。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，煙氣大，致使爐管局部過熱。為防止轉化管因火嘴燃燒不好而造成超溫，現(xiàn)已全關18 個，半關8個，已經超過火嘴總量的五分之一。

（6）一段爐內墻新?lián)Q保溫層（保溫棉）沒有涂保護層，在高溫下顏色發(fā)白（如圖2），反射光（能量）較強，造成相對應的轉化管超溫，也有可能是造成背景光太強烈影響紅外測溫儀的準確性。

圖2 沒有涂保護層的保溫層

2 超溫特點及可能的后果

2.1 超溫特點

（1）爐膛整體超溫特點 整個爐膛普遍超溫，管壁溫度整體較正常溫度偏高。

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

（3）經過測量新?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轉化管周圍的轉化管催化劑活性不好，熱量帶不走，外部供給熱量不變，會發(fā)生“熱量堆積效應”。

2.2 可能的后果

（1）目前新更換的轉化管不會爆，老管已運行16×104h（設計10×104h），爆管的可能性較大。

（2）爐管屬于高溫材料，嚴重超溫會發(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，可能會爆管。

3 采取的措施

總體思路是 “三降”，即 “降溫、降壓、降負荷”。

3.1 降 溫

降低整個爐膛的熱負荷。通過關閉關小偏燒火嘴及超溫較高的爐管對應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口溫度，一段爐進口溫度提高到接近設計值580℃，出口溫度從以前的775℃降低到現(xiàn)在的752℃以下，向二段爐轉移轉化負荷。

3.2 降系統(tǒng)壓力

提高合成氣壓縮機的負荷，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 降負荷

降一段爐負荷。從28.9km3／h 降至現(xiàn)在的26.5km3／h。其實這個過程也是降低系統(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，降一段爐負荷。

3.4 加強工藝指標的管理

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，控制過高就會增加爐膛內部的熱負荷，增加轉化管的壁溫。

3.5 加強巡檢

現(xiàn)場操作人員加強對一段爐的巡檢，每小時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次用紅外線測溫儀測量管壁溫度，還設了轉化管測溫記錄臺賬。對超溫的轉化管要嚴格細致地測量紀錄，紀錄相應負荷、水碳比、溫度等下的轉化管溫度，詳細紀錄超溫管號碼和超溫值，當發(fā)現(xiàn)異常情況要及時匯報和確認。

3.6 制定緊急情況下的處理預案

圖3 轉化管爆管現(xiàn)象

如果轉化管突然爆管，爐膛內的負壓就會迅速上升，系統(tǒng)壓力持續(xù)下降，并且爐內有爆破聲，引風機出口冒黑煙。出現(xiàn)這些現(xiàn)象就可以判斷一段爐轉化管爆管（如圖3），就要系統(tǒng)緊急停車，防止事故擴大化。如果處理不及時，由于其介質為高溫高壓易燃氣體，就會產生像一條非常有沖擊力的火龍，破壞爐墻的保溫結構和鄰近的轉化管。若引風機因為聯(lián)鎖停車，要立即啟動，防止一段爐內持續(xù)爆燃。

4 結 語

通過以上分析，避免一段爐轉化管超溫發(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行，但是無法保證其運行的安全性。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整好火嘴燃燒情況，確保爐管不要局部超溫，延長爐管使用壽命。