合成氨二段爐烘爐設(shè)計方案與實施

易志勇

（中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223）

二段爐轉(zhuǎn)化爐是合成氨裝置的關(guān)鍵設(shè)備之一，是合成氨裝置中溫度最高的一臺設(shè)備（直接燃燒的爐子除外），內(nèi)部反應溫度高達 1 300～1 400 ℃。殼體防止超溫的方法一般有兩種，一種是以KBR 為典型的外部水夾套設(shè)計；另一種是以Topsoe 為典型的無水夾套而在外壁涂刷熱敏漆的方式，當殼體外壁溫達到一定溫度，顏色發(fā)生改變，說明內(nèi)部襯里已經(jīng)失效。但無論采用何種方式，因內(nèi)部高溫高壓環(huán)境，且直接與工藝介質(zhì)接觸，襯里的質(zhì)量直接影響設(shè)備的安全運行。襯里烘爐作為襯里施工最后一道環(huán)節(jié)，直接影響襯里最終質(zhì)量，因此顯得尤為關(guān)鍵。本文以我公司實際已執(zhí)行的某國外合成氨尿素項目的二段爐烘爐為例，詳細介紹整個襯里的烘爐方案設(shè)計、烘爐過程實施及最終檢查并對其中的關(guān)鍵問題進行分析。

1 二段爐內(nèi)部工藝反應

本項目合成氨裝置采用瑞士Casale 專利包工藝。二段爐工藝原理是：從一段爐出來的轉(zhuǎn)化氣在上部與工藝空氣進行混合燃燒反應，放出大量熱量，然后進入鎳基催化劑床層進行甲烷轉(zhuǎn)化和CO 變換反應，最終將一段轉(zhuǎn)化氣中的殘留甲烷含量從13.5%降至0.5%左右, 以減少進入氨合成系統(tǒng)的惰性組分（CH4）含量，有利于氨合成的正反應，降低裝置能耗。通過調(diào)節(jié)加入空氣的量控制進入合成反應的H2與N2含量比為3∶1。其內(nèi)部的基本化學反應為：

2 二段爐襯里設(shè)計及烘爐原理

2.1 襯里設(shè)計

本項目二段爐的襯里設(shè)計由專業(yè)耐火材料廠家Calderys 負責設(shè)計和供貨，主體為雙層襯里結(jié)構(gòu)，靠近承壓殼體的隔熱層及與工藝介質(zhì)接觸的耐火層，與廢鍋連接段因有內(nèi)襯筒結(jié)構(gòu)，設(shè)計為單層氧化鋁空心球襯里結(jié)構(gòu)，底部需砌筑高鋁耐火磚拱頂結(jié)構(gòu)，以支撐內(nèi)部瓷球及催化劑。選用襯里材料信息見表1。

表1 襯里材料信息

2.2 烘爐原理

不定形耐火澆注料在澆筑完成后，一般需在5～35 ℃環(huán)境溫度下進行至少24 h 的潮濕養(yǎng)護，此階段水泥與耐火骨料和粉料遇水后發(fā)生水化反應，形成常溫強度，但內(nèi)部仍存在較多的游離水和結(jié)晶水，如果正式開車前不將大部分水烘干，開車升溫速度較快時，大量水蒸氣在澆注料內(nèi)部聚集，壓力聚集到一定程度就可能導致襯里開裂，嚴重時可能發(fā)生襯里炸裂脫落。因此，澆注料施工后都需要進行烘爐，一方面是將大部分游離水和結(jié)合水脫出，另一方面是使?jié)沧⒘希ㄌ貏e是耐火層）形成穩(wěn)定的晶相結(jié)構(gòu)，達到高溫強度。

烘爐的方式可采用離線烘爐或者在線烘爐，如果烘爐過程涉及到整個系統(tǒng)或工序裝置的運行，設(shè)備無法單獨隔離，一般采用在線烘爐的方式，直接利用工藝介質(zhì)或者燃燒煙氣進行烘爐。而對于多數(shù)設(shè)備，都可以將設(shè)備隔離進行離線烘爐，開車時可直接按一定溫度升溫即可，縮短開車時間。對于二段爐，通常都是采用離線烘爐的方式，但烘爐時外部水夾套需要投用，以防止烘爐過程中殼體超溫。

3 烘爐方案及準備措施

3.1 烘爐方案

二段爐烘爐布置方案見圖1。

（1）煙氣入口：高溫煙氣從二段爐底板人孔通入，燃料采用液化石油氣，前端設(shè)置汽化器，通過調(diào)節(jié)燃料消耗和供風量，控制烘爐煙氣溫度。

（2）煙氣出口：從一段爐和二段爐連接的傳輸管線頂部人孔排出。將于廢熱鍋爐、二段爐頂部、傳輸管線前端用陶瓷纖維毯封堵。

圖1 烘爐布置方案示意圖

（3）測溫點：分別在煙氣入口、與廢鍋連接處、筒體中段、頂部及煙氣出口設(shè)置測溫點。其中以筒體中段作為烘爐曲線參考溫度點。

（4）拱磚砌筑：烘爐前完成基磚（A、B 磚）砌筑，主要起一定隔熱作用，防止高溫煙氣與殼體直接接觸，同時也是由于基磚內(nèi)外側(cè)有鎳基護板，烘爐后鎳基護板可能發(fā)生高溫變形，之后基磚無法砌筑。

3.2 烘爐曲線

烘爐曲線由廠家根據(jù)澆注料的類型和厚度提供，圖2 為廠家推薦烘爐曲線，表2 為升降溫計劃。

圖2 廠家推薦二段爐烘爐曲線圖

在烘爐過程中，需注意以下幾個關(guān)鍵點：

3.2.1 溫度控制

包括兩方面的內(nèi)容：

（1）爐內(nèi)煙氣：嚴格按烘爐曲線控制升溫速率、保證恒溫時間。無特殊情況，應連續(xù)進行，不得中斷。若遇特殊情況烘爐中斷，當處于升溫階段時，按50℃/h 重新升溫到中斷前溫度；處于恒溫階段時，按50℃/h 重新升溫到中斷前溫度，同時適當延長此段恒溫時間。

表2 烘爐升降溫計劃

（2）外殼溫度：承壓殼體外壁溫要求不超過130℃，因夾套內(nèi)部為設(shè)計表面熱電偶，因此采用觀察水夾套壁溫的方式監(jiān)控外殼溫度變化。

3.2.2 液位控制

整個烘爐過程夾套內(nèi)部應充滿水且保持溢流狀態(tài)。烘爐結(jié)束關(guān)閉燒嘴后，可中斷供水，保持液位24 h。

3.2.3 裙座溫度

裙座溫度需控制在250 ℃以下，為防止裙座內(nèi)部高溫煙氣聚集導致超溫，在裙座人孔處設(shè)置鼓風機，烘爐煙氣溫度達350 ℃后，保持開啟狀態(tài)。

4 烘爐實施

烘爐具體操作實施由當?shù)貙I(yè)烘爐廠家Artash公司負責，其負責具體的烘爐操作，爐內(nèi)煙氣溫度記錄監(jiān)控，五環(huán)負責外部溫度和液位巡檢及夾套水供應和控制。烘爐前需對燃料管線進行氣密性試驗，進行燒嘴調(diào)試、溫度測點和閥門調(diào)試。待烘爐條件檢查確認后，氮氣置換燃氣管道，先開風機進行對設(shè)備內(nèi)部進行吹掃，完成后即可燒嘴點火開始升溫烘爐。

圖3 為二段爐實際烘爐曲線。

關(guān)于烘爐過程，說明如下：

（1）烘爐過程基本平穩(wěn)，T3A 溫度點與烘爐曲線設(shè)置的溫度Target 基本吻合。

（2）在600 ℃恒溫階段，因與廢鍋連接段陶纖毯及耐火磚隔離墻未固定牢靠，在爐膛正壓作用下吹倒。發(fā)現(xiàn)后立即關(guān)閉燒嘴，臨時修復封堵處，中斷約45 min 后重新點火并按30 ℃/h 升溫到600 ℃，因此從曲線可看出有一段溫度突降和突升。但T2A/B 熱電偶接線在此時損壞，后續(xù)階段無法記錄溫度，因此曲線中未予體現(xiàn)。

圖3 二段爐實際烘爐曲線圖

（3）當爐內(nèi)溫度（T3A 點）降至 247 ℃時，發(fā)現(xiàn)燒嘴調(diào)至最小負荷時爐內(nèi)溫度已下降很慢，因此決定可以停爐，爐內(nèi)自然降溫。停爐后，從設(shè)備自帶熱電偶的觀察，溫度下降已經(jīng)很慢（3～5 ℃/h）。

（4）烘爐過程中每間隔1 h 對裙座、水夾套、頂部大蓋的溫度進行人工測量。從結(jié)果看，裙座溫度控制在小于68 ℃。水夾套溫度最高達到96 ℃，且頂部蒸汽放空管有白汽冒出，考慮夾套內(nèi)部溫差，認為殼體溫度應已達到110 ℃，判斷基本上可將最內(nèi)側(cè)隔熱澆注料的游離水排出。頂部大蓋最高溫度達到100.4 ℃，比預期溫度稍低一些，大蓋最內(nèi)層澆注料水分可能未完全烘干，分析原因主要是由于最頂部沒有排氣口，存在死區(qū)，升溫受限，但考慮此處實際運行時操作溫度較低，殘余水分可以在開車運行階段逐漸排出。

5 烘爐后襯里檢查

烘爐完成后與襯里廠家一同對二段爐內(nèi)部的襯里進行了詳細的檢查，結(jié)果如下：

（1）襯里整體結(jié)構(gòu)基本完好，主體無大于3 mm且深度達襯里厚度一半裂紋，多為微裂紋（見圖4），滿足專業(yè)規(guī)范和設(shè)計要求。

（2）底部錐段靠近煙氣入口處發(fā)現(xiàn)襯里表面脫落情況（見圖5），主要是高溫氣流沖刷所致，脫落厚度最大約5 mm，小于襯里厚度的10%（10 mm），滿足要求。

圖4 烘爐后襯里內(nèi)部狀態(tài)圖

圖5 襯里表面脫落實物圖

（3）頂部大蓋接管周邊襯里開裂脫落（見圖6），開裂處正好在橢圓拐角處，分析原因為此處耐火層錨固釘布置不夠（見圖7），且接管與澆注料之間膨脹間隙不足。最終確定處理措施為：將此部分襯里清除至漏出隔熱層錨固釘，再用相同材質(zhì)焊接延長錨固釘至耐火層，然后重新澆筑至圖紙厚度，澆筑前接管外側(cè)纏繞兩層3 mm 陶纖紙。

圖6 頂部大蓋接管周圍襯里開裂實物圖

圖7 頂部大蓋錨固釘設(shè)計實物圖

（4）烘爐后發(fā)現(xiàn)部分基磚開裂，疑為基磚內(nèi)外錐與澆注料之間膨脹間隙不足所致，但詳細分析后與烘爐過程關(guān)系不大，在此不做具體分析。

根據(jù)烘爐的檢查結(jié)果，可以說明整個烘爐方案是合理的，烘爐后襯里整體質(zhì)量符合使用要求，對于局部出現(xiàn)的襯里開裂問題修復后即可解決。對于烘爐過程遇到的問題，有以下幾方面值得改進：

（1）烘爐時臨時封堵部位應密封好，且用臨時支撐固定牢靠，防止爐內(nèi)在正壓作用下倒塌。

（2）本項目為考慮頂部大蓋襯里需與設(shè)備本體一同烘爐，將頂部大蓋安裝后一起烘爐，煙氣從側(cè)邊排出，導致頂部存在小部分死區(qū)，蒸汽排出不便，頂部法蘭有蒸發(fā)水流出，建議今后項目可以在頂部設(shè)置排氣孔，以便水汽排出和此部分襯里的烘干。

（3）二段爐的烘爐應盡量避免中斷，即使中斷應盡量縮短中斷時間，中斷時及時停止夾套供水，保持爐內(nèi)溫度。特別注意的是在高溫階段（600 ℃以上），停爐后爐內(nèi)溫度會迅速下降，1 h 可能下降150 ℃，溫度的急劇變化可能導致加劇襯里的開裂、 裂紋增大和襯里脫落風險。因此，烘爐過程必須做好應急預案，確保水源、電源的穩(wěn)定供應。

（4）水夾套內(nèi)部承壓殼體表面建議設(shè)置表面熱電偶，一是可以在烘爐過程監(jiān)控殼體溫度變化，觀察壁溫是否達到烘爐要求，同時在運行階段也便于對承壓殼體溫度的監(jiān)控，判斷內(nèi)部襯里是否完好。

6 結(jié)語

二段轉(zhuǎn)化爐作為合成氨關(guān)鍵設(shè)備之一，要求襯里必須滿足長周期穩(wěn)定運行的要求。二段爐烘爐之前必須根據(jù)耐火材料廠家提出烘爐指導方案和實際條件制定詳細的實施方案，包括烘爐布置、 烘爐曲線、溫度及液位控制要求，并由專業(yè)的烘爐廠家負責實施，在烘爐完成后應進行詳細的質(zhì)量檢查，不符合要求應予返修，以保證最終襯里質(zhì)量。本文最后對烘爐過程提出的改進建議，希望為今后類似項目的烘爐提供一些參考和借鑒。