一段爐轉(zhuǎn)化管熱帶現(xiàn)象原因分析及處理

(滄州大化股份有限責任公司沃原分公司，河北 滄州 061000)

1 概 述

我公司合成氨裝置始建于1974年，1977年4月投產(chǎn)，是我國首批引進13套大化肥裝置之一；主要生產(chǎn)原料是天然氣，采用美國凱洛格公司的技術(shù)，原設(shè)計年產(chǎn)300 kt，經(jīng)1988年和2001年兩次較大的節(jié)能改造后，生產(chǎn)能力達350 kt/a，噸氨綜合能耗由原設(shè)計的40 GJ降至36 GJ，達到國內(nèi)較為先進的水平。

合成氨裝置一段爐(101-B)共有轉(zhuǎn)化管378根，每排42根，共9排；每排各有1根上升管。2011年8月大修時，一段爐進行了薄壁管改造，將原φ117×21.6 mm轉(zhuǎn)化管改造為φ114×14 mm的轉(zhuǎn)化管，材料由HK-40改為HP-50；轉(zhuǎn)化管總高度不變，延伸段縮短了265 mm。

2 存在的問題

2011年10月，改造后剛開車時，轉(zhuǎn)化管壁溫較改造前有大幅下降，滿負荷狀態(tài)下壁溫固定點在840 ℃左右，最高溫度880～890 ℃。2010年3月(改造前)監(jiān)測轉(zhuǎn)化管時發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)化管第6、7排有熱帶(超溫)現(xiàn)象各10多根；10月時大約有3排轉(zhuǎn)化管有熱帶現(xiàn)象；12月10日負荷95%，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化管大量出現(xiàn)熱帶現(xiàn)象，共約6排，占轉(zhuǎn)化管總數(shù)的一半以上，每排的轉(zhuǎn)化管大部分都在距頂部2～3 m處明顯比其他部分發(fā)紅，測量選定轉(zhuǎn)化管固定點溫度平均在851 ℃、最高達883 ℃，選定轉(zhuǎn)化管最高平均溫度907 ℃、最高達932 ℃。

3 原因分析

轉(zhuǎn)化管厚壁管HK-40與薄壁管HP-50的力學性能見表1。由表1可以看出，HP-50的各項力學性能指標相對于HK-40來說都有了提高，這為我們分析熱帶現(xiàn)象對轉(zhuǎn)化管的影響和制定相應的控制措施起到了理論支持作用。

表1 HK-40和HP-50力學性能的對比

注：σs—屈服強度，MPa；σb—抗拉強度，MPa；δ—伸長率，%；表中所列數(shù)值均為最小值。

3.1 轉(zhuǎn)化管傳熱效果增強

轉(zhuǎn)化管改薄壁管后，轉(zhuǎn)化管傳熱效果增強，見表2(厚壁管到更換催化劑之前壁溫相對較低)。

表2 轉(zhuǎn)化管最高壁溫 ℃

3.2 催化劑活性降低

3.2.1熱點溫度的變化

2011年8月份大修時，催化劑隨一段爐薄壁管改造予以更換，催化劑與之前的用量相同(型號均為Z112)，其規(guī)格等質(zhì)量指標見表3。

表3 催化劑質(zhì)量指標

在轉(zhuǎn)化管熱帶現(xiàn)象較明顯后，監(jiān)測情況表明，在負荷較高(負荷85%以上)時，一段爐爐管超溫情況較明顯，且二段出口CH4含量超標明顯，見表4。

表4 一段爐轉(zhuǎn)化管出現(xiàn)熱帶現(xiàn)象時的監(jiān)測數(shù)據(jù)(2012～2013年)

注：①當日16時；②當日9時；③當日10時；④當日8時。

3.2.2床層阻力的變化

改造后，2011年11月5日負荷95%，測量一段爐床層阻力為0.22 MPa；2012年7月12日負荷94%，阻力0.25 MPa；2013年5月23日負荷95%，阻力0.26 MPa；2013年8月8日負荷95%，阻力0.27 MPa。由這些數(shù)據(jù)可以看出，一段爐床層阻力是在逐漸增大的，表明催化劑活性在逐漸降低。

3.3 催化劑結(jié)炭現(xiàn)象

從一段爐床層阻力和出口甲烷含量及熱帶現(xiàn)象出現(xiàn)的位置來看，析炭的可能性是存在的。

4 應對措施

針對上述分析，我們采取以下措施來降低熱帶現(xiàn)象帶來的危害。

4.1 操作優(yōu)化

(1)在不影響系統(tǒng)操作要求的情況下，盡量降低一段爐操作溫度，TIC0117≤790 ℃。

(2)在事故狀況下，TIC0117≤810 ℃。

(3)及時調(diào)整(降低)轉(zhuǎn)化管壁溫超溫的頂部燒嘴。

(4)保持一段爐溫差≤15 ℃，開停車過程其溫差≤50 ℃。

(5)H2O/C給定3.5(防止析炭)，返氫量(FI0106)控制在3 000 m3/h左右(對還原可能不徹底做補救工作)。

(6)開停車嚴格按操作方案執(zhí)行，尤其是升降溫速率；一段爐投蒸汽、投原料氣時一定要穩(wěn)定。

(7)正常生產(chǎn)時，加減量一定要平穩(wěn)，防止壓力、溫度波動。

(8)加強對一段爐的監(jiān)測，定期檢查一段爐燒嘴的燃燒情況，及時對問題燒嘴進行維修，確保不過熱、不偏燒。

(9)密切關(guān)注蒸汽電導率分析，防止不合格蒸汽進入一段爐(嚴格控制中壓汽提蒸汽的質(zhì)量，降低汽提蒸汽流量)。

之前，轉(zhuǎn)化管壁溫一直呈逐漸上漲的趨勢；采取措施后，壁溫不再上漲，基本穩(wěn)定，處于可控狀態(tài)(見表4之2013年3月28日后的數(shù)據(jù))。

4.2 燒炭處理

在2013年2月9日的開車過程中，蒸汽升溫結(jié)束階段，恒溫(TIC0117 760 ℃、TR0100 780 ℃，入一段爐蒸汽量FIC002 50 t/h左右)燒炭2 h。正常運行后，現(xiàn)場觀察爐管較停車前相同負荷下的情況有明顯地好轉(zhuǎn)，表明之前轉(zhuǎn)化管結(jié)炭對壁溫已經(jīng)有了影響(可參看表4之2012年12月31日和2013年2月14日的數(shù)據(jù))。

2013年8月，對一段爐催化劑全部進行了更換，開車運行正常后，對轉(zhuǎn)化管進行了專門的監(jiān)測，轉(zhuǎn)化管壁溫比較理想，見表5。

表5 換完催化劑后一段爐熱帶現(xiàn)象監(jiān)測記錄

注：①時間均為當日10時；②均指熱帶現(xiàn)象最明顯的轉(zhuǎn)化管。

5 結(jié)束語

通過對一段爐轉(zhuǎn)化管熱帶現(xiàn)象科學地分析和采取相應的處理措施，轉(zhuǎn)化管熱帶現(xiàn)象是可以控制的，不是沒有辦法而只有停車換催化劑這一條路。我公司一段爐催化劑從爐管熱帶現(xiàn)象明顯到大修更換又多用了8個月，保證了合成氨裝置的長周期穩(wěn)定運行，并實現(xiàn)了企業(yè)的節(jié)本增效。