煉廠60000Nm3/h制氫轉(zhuǎn)化爐的改造及其效果

王磊（中國石化海南煉油化工有限公司，海南 洋浦 578101）

煉廠60000Nm3/h制氫轉(zhuǎn)化爐的改造及其效果

王磊（中國石化海南煉油化工有限公司，海南 洋浦 578101）

某煉油廠制氫轉(zhuǎn)化爐1101-F-101為單排管頂燒爐型，爐管為下端固定支撐，進(jìn)出口管系采用上下豬尾管連接集氣管結(jié)構(gòu)，6排爐管共計(jì)288根。2005年9月投用。運(yùn)行近3個(gè)檢修周期，轉(zhuǎn)化爐存在較多隱患，如爐管泄漏、集合管壽命到期，外壁超溫嚴(yán)重、排煙溫度高等問題，計(jì)劃在大檢修中對轉(zhuǎn)化爐進(jìn)行消缺改造，更換176根新爐管、更新下集合管、改造高低溫段空氣預(yù)熱器等內(nèi)容，將轉(zhuǎn)化爐熱效率提高至92.5%以上，排煙溫度降至130℃以下。

轉(zhuǎn)化爐；隱患；爐管；消缺治理

隨著煉油廠加氫裝置的逐漸增多，所需要的氫氣越來越多，使得制氫裝置相應(yīng)發(fā)展的很快，其中轉(zhuǎn)化爐的苛刻的操作條件及運(yùn)行中的一些設(shè)備共性問題都得到了一定的改善和解決。由于轉(zhuǎn)化爐有很多有別于其他加熱爐的特殊性，在爐子結(jié)構(gòu)、爐管材料、管路系統(tǒng)支撐及應(yīng)力、管路系統(tǒng)膨脹及補(bǔ)償、燃燒、煙氣流動(dòng)分配、耐火材料等各方面都必須精心考慮。本文將對煉廠60000Nm3/h制氫轉(zhuǎn)化爐自投產(chǎn)以來，產(chǎn)生的主要問題及解決方法加以簡介。

1 加熱爐概況

某煉油廠60000Nm3/h制氫轉(zhuǎn)化爐為單排管雙面輻射頂燒爐型，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷110.22MW。6排共288根轉(zhuǎn)化管，材質(zhì)HP40-Nb-Ti，每根爐管為下部固定，上部用恒力碟簧吊架懸掛并向上膨脹，膨脹量約為200mm；轉(zhuǎn)化管上下兩端分別通過上下尾管與上下集合管連接，上尾管（材質(zhì)TP321H）吸收轉(zhuǎn)化管上端與上集合管的膨脹位移差及上集合管自身軸向的位移，下尾管(材質(zhì)NO8811)吸收下集合管的軸向熱膨脹位移量；3根上集合管，每2排轉(zhuǎn)化管對應(yīng)1根，3根冷壁下集合管，每2排轉(zhuǎn)化管對應(yīng)1根，上集合管由配重式吊架懸掛并隨轉(zhuǎn)油線上升管熱脹時(shí)向上平行移動(dòng)，下集合管落地支撐；7排共105臺(tái)頂燒式燃燒器位于轉(zhuǎn)化管排之間以及轉(zhuǎn)化管排與側(cè)墻之間；落地的臥式對流室。沿?zé)煔饬鲃?dòng)方向依次排有混合原料氣預(yù)熱段、蒸汽過熱段、空氣預(yù)熱高溫段、蒸發(fā)段和空氣預(yù)熱低溫段；空氣預(yù)熱器高溫段采用板式空氣預(yù)熱器，空氣預(yù)熱低溫段采用熱管式空氣預(yù)熱器；火管式余熱鍋爐置于對流室底部，通過輸氣管與下集合管出口相連。

2 轉(zhuǎn)化爐存在的隱患及原因分析

2.1 轉(zhuǎn)化爐管存在問題

（1）2014年9月24日，某煉油廠受外電網(wǎng)影響造成全廠停電，轉(zhuǎn)化爐突然停工。造成7根爐管在距離爐底部約2～3米處焊縫出現(xiàn)縱向裂紋。11月進(jìn)行停工搶修，檢測爐管發(fā)現(xiàn)不合格焊口82道，其中5道為A3縫，77道A4縫。爐管超聲波檢測發(fā)現(xiàn)B+級12根，蠕脹超標(biāo)26根（外徑超過132mm），宏觀檢查發(fā)現(xiàn)3根爐管出現(xiàn)裂紋（離爐頂200mm位置處），7根爐管有離子脫、凹槽、鼓包和氣孔缺陷，彎曲變形較大的爐管共21根。根據(jù)檢測結(jié)果，經(jīng)研究決定更換了112根爐管。同時(shí)對爐管壽命進(jìn)行評估，剩余壽命為2兩年（即可運(yùn)行至2016年12月）。目前未更換的176根爐管表面有較多條狀、云團(tuán)狀花斑，運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)較大。

轉(zhuǎn)化管裂紋、焊縫裂紋原因分析：

①應(yīng)力腐蝕：開停車頻繁，焊縫出現(xiàn)熱應(yīng)力，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

②高溫蠕變腐蝕【1】：蠕變的產(chǎn)生主要是由于過熱引起的。由于燃料調(diào)整，介質(zhì)物料流量波動(dòng)大，開停車升降溫速度快，以及爐管本身的熱應(yīng)力所造成的。蠕變過程是隨時(shí)間增長的塑性變形積累過程，是與空穴的集積與微裂紋的發(fā)展過程同時(shí)發(fā)生的。另外，在高溫條件下，隨時(shí)間發(fā)生的金相組織的變化和惡劣、載荷的變動(dòng)、金屬的時(shí)效過程、擴(kuò)散作用以及其他與時(shí)間有關(guān)的因素等，都使得材料的高溫?cái)嗔褟?qiáng)度隨時(shí)間的增長發(fā)生重大變化。轉(zhuǎn)化爐管的蠕變曲線如圖1：

圖1 典型的蠕變曲線

③高溫氧化腐蝕：轉(zhuǎn)化管HP40Nb材料在正常工況下具有良好的抗氧化性，但嚴(yán)重超溫或過熱會(huì)加劇氧化。超溫會(huì)加劇材料的氧化，使抗蠕變性能下降，加速裂紋的形成和發(fā)展，在實(shí)際運(yùn)行中常見的超溫現(xiàn)象可歸納如下：1)與催化劑有關(guān)的超溫。若在裝填催化劑時(shí)出現(xiàn)“架橋”現(xiàn)象，催化劑裝填不滿，在爐膛內(nèi)的空管處就會(huì)產(chǎn)生超溫。2)催化劑質(zhì)量不好，升降溫速度過快，常會(huì)引起催化劑破碎、粉化、導(dǎo)致通氣不均勻，阻力降增大，通氣量減少而形成嚴(yán)重的局部過熱。3)原料氣引起的超溫。原料氣水碳比過低，會(huì)引起在催化劑上結(jié)碳。蒸汽中的sio2和鈉鹽過高，會(huì)產(chǎn)生結(jié)鹽、結(jié)塊現(xiàn)象。4)工藝引起的超溫。為滿足工藝要求，轉(zhuǎn)化管轉(zhuǎn)化氣出口的甲烷含量必須要低于一定值，但由于長期使用，催化劑結(jié)碳、結(jié)鹽、結(jié)塊、硫中毒、粉化使之活性下降，甲烷含量會(huì)超出一定要求，這勢必要提高操作溫度，無疑管壁溫度將要上升。5)由燃料質(zhì)量引起的超溫。如由于天氣溫度變化，燃料氣中帶有部分的液態(tài)烴和其他組分，使燒嘴噴液，造成爐管嚴(yán)重超溫。

（2）自加熱爐投用以來，轉(zhuǎn)化爐下錐段焊縫處出現(xiàn)過8泄漏著火。

原因分析：①焊縫焊接質(zhì)量不合格、焊后熱處理不過關(guān)，在焊接時(shí)由于焊接線能量過大，控制不當(dāng)，熔化的金屬即熔池波及到豬尾管內(nèi)壁使內(nèi)壁局部熔化。由于豬尾管所用材料的特殊性，即鎳基合金，在角焊縫焊接時(shí)無法實(shí)現(xiàn)背面充氬保護(hù)，一旦焊穿現(xiàn)象發(fā)生，很容易造成氧化發(fā)渣，其危害性與夾渣、未焊透一樣嚴(yán)重，這種缺陷在外部應(yīng)力的作用下，會(huì)成為焊縫裂紋發(fā)生的首先發(fā)生源。②是外力受力不均而引起的局部應(yīng)力集中，集氣管、豬尾管和轉(zhuǎn)化管是靠眾多的彈簧吊架來達(dá)成一個(gè)平衡的受力體系，這一體系在冷態(tài)和熱態(tài)下是不同的，如果個(gè)別彈簧吊架失去作用，將打破整個(gè)平衡體系，使之重新達(dá)到一個(gè)平衡點(diǎn)，這樣勢必要造成局部受力點(diǎn)的應(yīng)力集中。自2005年9月投產(chǎn)以來開停車數(shù)次，加之彈簧吊架多年未進(jìn)行過調(diào)校，因此部分彈簧吊架已經(jīng)失效或趨于失效，不能完全發(fā)揮其作用，即便更換個(gè)別彈簧吊架也無法調(diào)整到原始的平衡狀態(tài)，這種外在的受力不均勻加上其內(nèi)在因素，很容易造成下錐段焊縫經(jīng)常性和不可預(yù)見性的開裂。

2.2 出口冷壁集氣管

目前出口集氣管在環(huán)境溫度20℃，風(fēng)速1m/s時(shí)外壁最高溫度為250℃，比設(shè)計(jì)溫度高出60℃?，F(xiàn)場示溫漆變色嚴(yán)重；13年檢修時(shí)對集氣管內(nèi)部襯里內(nèi)檢時(shí)發(fā)現(xiàn)，襯里裂紋較09年檢修時(shí)增加較多，局部裂紋寬度比09年檢修增加1～3mm；2016年邀請襯里廠家現(xiàn)場評估，認(rèn)為襯里壽命已至末期，如高溫運(yùn)行時(shí)襯里裂紋不能有效閉合，將會(huì)導(dǎo)致集氣管外壁超溫鼓包，導(dǎo)致非計(jì)劃停工。

2.3 輻射室對流段

轉(zhuǎn)化爐對流段各段取熱不足導(dǎo)致排煙溫度一直在198℃左右，爐子熱效率88%，低于設(shè)計(jì)熱效率91%，不符合《中國石化加熱爐管理規(guī)定》中10MW及以上加熱爐熱負(fù)荷需在91%以上的要求。

目前制氫轉(zhuǎn)化爐進(jìn)料溫度為450.7℃，低于設(shè)計(jì)值500℃。煙氣依次經(jīng)過對流段入口溫度TICA0327為857.7℃；原料預(yù)熱段后溫度TI0307為731.8℃，溫降為125.9℃；蒸汽過熱段后溫度TI0308為648.8℃，溫降為83℃；空氣過熱段溫度TI0306為513.3℃，溫降為135.5℃；蒸汽發(fā)生段溫度TI0305為362℃，溫降為151.3℃；排煙溫度TI0303為193℃，進(jìn)爐空氣溫度TI0304為478℃。轉(zhuǎn)化爐出口溫度TICA0301為776℃小于設(shè)計(jì)值≯850℃。對流段溫度統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 轉(zhuǎn)化爐對流段溫度統(tǒng)計(jì)

2.3.1 蒸汽過熱段

目前蒸汽過熱段蒸汽出口溫度偏低，始終在350℃左右，設(shè)計(jì)430℃，蒸汽過熱段前后的溫差僅為83℃，充分表明該段換熱效率較低。過熱蒸汽溫度偏低，造成轉(zhuǎn)化爐進(jìn)料溫度偏低，同時(shí)蒸汽品質(zhì)不高嚴(yán)重影響了下游加氫裝置汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。

2.3.2 高溫段空氣預(yù)熱器

高溫空氣預(yù)熱器，壓降太大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)要求，在引風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷工作的情況下，還經(jīng)常導(dǎo)致輻射爐膛正壓，打開看火門觀察爐膛情況時(shí)，經(jīng)常有高溫?zé)煔飧Z出，火燒眉毛，具有重大安全隱患。另外，高溫空氣預(yù)熱器取熱不足，也是導(dǎo)致轉(zhuǎn)化爐排煙溫度高達(dá)190℃的原因之一。高溫空氣預(yù)熱器體積非常小，使整個(gè)對流段在此收縮的特別小，導(dǎo)致煙氣流通面積縮小太多，流速過高，形成“卡脖子”現(xiàn)象，壓降超出設(shè)計(jì)范圍。

2.3.3 低溫段空氣預(yù)熱器

轉(zhuǎn)化爐對流段各段取熱不足導(dǎo)致排煙溫度高達(dá)190℃，這其中低溫空氣預(yù)熱器性能不佳也是主要影響因素。低溫空氣預(yù)熱器原設(shè)計(jì)為熱管空氣預(yù)熱器，由于熱管的高溫失效以及煙氣腐蝕，導(dǎo)致熱管空氣預(yù)熱器性能越來越差，排煙溫度越來越高。

3 消缺改造主要內(nèi)容

（1）更換176根壽命到期的轉(zhuǎn)化爐管。

（2）消除彈簧失效隱患，更換為安全可靠的滑輪組平衡錘懸吊結(jié)構(gòu)取代轉(zhuǎn)化爐管彈簧吊架。

（3）消除冷壁出口集氣管超溫隱患，更新冷壁出口集氣管。

（4）改造蒸汽過熱段，增加4排翅片管。

（5）改造高溫段空氣預(yù)熱器，將煙氣側(cè)壓降將嚴(yán)格控制在1500Pa以內(nèi)，并將空氣預(yù)熱溫度由450℃提高到500℃。

（6）改造低溫段空氣預(yù)熱器，改造采用成熟可靠的鑄鐵板式空氣預(yù)熱器代替熱管空氣預(yù)熱器，將排煙溫度降低到130℃以下。

4 改造后預(yù)計(jì)能耗及節(jié)能

4.1 減低排煙溫度

轉(zhuǎn)化爐排煙溫度從190℃降低到130℃以下，轉(zhuǎn)化爐燃料效率由大約89.5%提高到92.5%以上，可節(jié)約能量在2.85MW以上，按燃料氣低熱值34000kJ/Nm3計(jì)算，節(jié)省燃料量305Nm3/h。

4.2 降低爐底壁溫

轉(zhuǎn)化爐輻射室底部改造后，爐底壁溫降到90℃以下，達(dá)到規(guī)范要求值，散熱損失也會(huì)降低很多。

4.3 提高對流段預(yù)熱負(fù)荷

上述節(jié)能效果，是對流各段采取措施改造后的共同效果，不僅空氣預(yù)熱溫度由450℃提高到500℃，過熱蒸汽溫度也由現(xiàn)在的370℃提高到了430℃。

5 結(jié)語

某煉油廠60000Nm3/h制氫主要提供給全廠2.0MPa氫氣管網(wǎng)，轉(zhuǎn)化爐的平穩(wěn)運(yùn)行是保證全廠加氫裝置正常生產(chǎn)的重中之重。轉(zhuǎn)化爐的隱患治理、消缺改造，提高了加熱爐熱效率，為公司節(jié)省大量燃料氣，增加更多效益。同時(shí)，使排煙溫度符合中石化排放要求，裝置更加節(jié)能環(huán)保。

[1]楊會(huì)喜.《新型轉(zhuǎn)化爐爐管的開裂原因分析與防護(hù)》.《大氮肥》2007，6.