一段爐燒嘴回火分析及對(duì)策

曾曉波，符 君，吳桂波

（海洋石油富島有限公司，海南 東方 572600）

海洋石油富島有限公司（簡(jiǎn)稱富島公司）化肥一期1000t/d合成氨裝置，采用ICI-AMV工藝，以南海海底天然氣為原料，自1996年10月投產(chǎn)以來(lái)，總體運(yùn)行穩(wěn)定，自動(dòng)化程度高，能耗低。其中，轉(zhuǎn)化系統(tǒng)一段爐采用托普索側(cè)壁燒嘴爐（側(cè)燒爐），有2個(gè)平行的輻射段爐膛，分別為南爐和北爐，每個(gè)輻射段兩側(cè)各有108個(gè)自吸輻射無(wú)焰式燒嘴，為一段爐天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化提供反應(yīng)所需的熱量；每個(gè)燒嘴有兩股燃料氣，分別為燃料天然氣和氨合成回路弛放氣回收氨與氫氣后的尾氣（簡(jiǎn)稱尾氣），燒嘴工況的好壞直接影響著一段爐的穩(wěn)定運(yùn)行和合成氨裝置的能耗。

1 一段爐燒嘴簡(jiǎn)介

一段爐燒嘴為自吸無(wú)焰式燒嘴：消音器濾網(wǎng)口為燃燒一次空氣，其內(nèi)有一擋板控制空氣量，稱為一次風(fēng)門；燒嘴安裝板上有對(duì)稱的4個(gè)小孔，稱為二次風(fēng)門，其主要作用是調(diào)整爐膛內(nèi)剩余氧含量和點(diǎn)燒嘴；附帶水平軟管（帶壓力表）為燃料天然氣管，豎直軟管為尾氣管，生產(chǎn)中這兩股氣體在彎頭處減壓混合，產(chǎn)生的噴射作用形成文丘里效應(yīng)，將一次空氣帶入燒嘴。

1.1 燃燒方式：預(yù)混合燃燒

一段爐燒嘴燃燒方式屬混合燃燒，燃料氣與空氣（助燃?xì)猓┰谌紵俺浞只旌?，燃料氣濃度在爆炸極限范圍內(nèi)，遇到火焰或達(dá)到自燃溫度后即會(huì)燃燒。

1.2 燃燒空氣供給方式：自吸式

一段爐燒嘴不需要借助外力配風(fēng)，自身文丘里式結(jié)構(gòu)吸入外界空氣，功率較小。吸入空氣量與燃料天然氣壓力和尾氣壓力有關(guān)，背壓大，文丘里效應(yīng)產(chǎn)生的負(fù)壓大，吸入空氣多；本合成氨裝置一段爐燒嘴燃料氣主要是燃料天然氣，其壓力高，能提供更大的噴射動(dòng)力產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)，不能單獨(dú)投用尾氣，同時(shí)爐膛負(fù)壓控制也影響煙氣剩余氧量。正常工況下，一段爐燒嘴由一次風(fēng)門提供燃燒所需的空氣，若煙氣剩余氧不足，可通過(guò)二次風(fēng)門調(diào)整助燃空氣量。

1.3 熱量傳播方式：輻射傳熱

一段爐燒嘴燃燒產(chǎn)生的熱量被轉(zhuǎn)化管吸收，熱量傳遞方式為輻射傳熱，輻射傳熱依靠電磁波輻射實(shí)現(xiàn)冷熱物體間熱量的傳遞，是一種非接觸式傳熱，在真空中也能進(jìn)行。

1.4 背壓產(chǎn)生方式：文丘里效應(yīng)

一段爐燒嘴背壓是燃料天然氣壓力調(diào)節(jié)閥至噴射中心孔的壓力，開(kāi)大壓力調(diào)節(jié)閥，燃料天然氣壓力高，文丘里效應(yīng)產(chǎn)生的負(fù)壓高；噴射中心共5個(gè)孔，中心孔為大孔，流通燃料天然氣，周圍4個(gè)小孔流通尾氣，尾氣熱值低、壓力低，壓力波動(dòng)大，不穩(wěn)定，未設(shè)置壓力表。是否產(chǎn)生文丘里效應(yīng)，由尾氣流通速度和混合燃料氣離開(kāi)燒嘴火孔的速度決定，若尾氣壓力較高，也會(huì)產(chǎn)生文丘里效應(yīng)。

1.5 火焰形狀：無(wú)焰式

一段爐燒嘴無(wú)焰式燃燒并非沒(méi)有火焰，而是由于燃燒速度很快，火焰短而透明，無(wú)明顯輪廓，故稱為無(wú)焰燃燒。無(wú)焰燃燒一般出現(xiàn)在混合燃燒時(shí)，而有焰燃燒發(fā)生在擴(kuò)散燃燒的方式中。

2 燒嘴燃燒機(jī)理

2.1 火焰?zhèn)鞑ニ俣?/h3>

火焰?zhèn)鞑ニ俣仁侵富鹧媲颁h沿其法線方向相對(duì)于未燃可燃混合氣的推進(jìn)速度，火焰?zhèn)鞑シ较蚺c燃料氣流動(dòng)方向相反，火焰?zhèn)鞑ニ俣缺碚髁巳紵^(guò)程的火焰前鋒在空間內(nèi)的移動(dòng)速度，其高低取決于可燃混合氣自身的性質(zhì)、壓力、溫度、過(guò)量空氣系數(shù)、流動(dòng)狀況（層流或湍流）以及周圍散熱條件等?？傊?，影響火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊蛩赜羞^(guò)量空氣系數(shù)、燃料化學(xué)結(jié)構(gòu)、添加劑、混合可燃物初始溫度、火焰溫度、壓力、惰性物質(zhì)含量、熱擴(kuò)散系數(shù)、介質(zhì)比熱等。

2.2 混合燃料氣流通速度

一段爐燒嘴混合燃料氣流通速度指單位時(shí)間內(nèi)離開(kāi)文丘里管而從燒嘴火孔噴出的燃料量，這個(gè)量與燃料氣量（背壓）、尾氣量（背壓）、助燃空氣量、爐膛負(fù)壓有關(guān)。同時(shí)，助燃空氣量與燃料氣背壓有關(guān)，尾氣量與合成回路弛放氣量及弛放氣中氫氣回收冷箱工況有關(guān)。混合燃料氣流通速度越快，表明這三股混合氣量相對(duì)越大。

2.3 混合燃料氣燃燒過(guò)程

一段爐燒嘴混合燃料氣燃燒分為三個(gè)過(guò)程：燃?xì)夂臀矚夥謩e加熱；燃?xì)狻⑽矚?、助燃空氣的混合；混合可燃?xì)庠跓炜滋幹?、燃燒。穩(wěn)定燃燒時(shí)，燃?xì)夂涂諝獾幕旌纤俣扰c火焰的傳播速度相等且穩(wěn)定，此時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c混合燃料氣流通速度大小相等、方向相反。

2.4 燒嘴回火與脫火

當(dāng)火焰?zhèn)鞑ニ俣却笥诨旌先剂蠚饬魍ㄋ俣葧r(shí)，火焰前沿就會(huì)竄入燒嘴內(nèi)部，這種現(xiàn)象稱為“回火”；當(dāng)火焰?zhèn)鞑ニ俣刃∮诨旌先剂蠚饬魍ㄋ俣葧r(shí)，火焰前沿就會(huì)向燒嘴外移動(dòng)，并被吹熄滅，這種現(xiàn)象稱為“脫火”。

3 一段爐燒嘴回火原因分析

富島公司1000t/d合成氨裝置于2020年6月10日停車大修，更換了使用24a的氨合成催化劑，開(kāi)車階段氨合成催化劑還原期間，一段爐多次發(fā)生燒嘴回火現(xiàn)象，并出現(xiàn)燒嘴磚縫隙變大、一段爐外壁超溫現(xiàn)象。經(jīng)分析與梳理，一段爐燒嘴回火原因具體如下。

3.1 系統(tǒng)負(fù)荷過(guò)低

一般正常開(kāi)車過(guò)程中，一段爐化工投料結(jié)束時(shí)生產(chǎn)負(fù)荷可達(dá)40%，后續(xù)開(kāi)車過(guò)程中逐漸加負(fù)荷，在合成氣壓縮機(jī)開(kāi)車前，系統(tǒng)負(fù)荷會(huì)提到70%，到氨合成塔升溫時(shí)，由于考慮到系統(tǒng)多產(chǎn)蒸汽利于尿素裝置開(kāi)車（轉(zhuǎn)化廢鍋、變換廢鍋、合成廢鍋副產(chǎn)的蒸汽均補(bǔ)入蒸汽管網(wǎng)，供尿素裝置開(kāi)車用），負(fù)荷會(huì)相應(yīng)再提升一點(diǎn)。而本次合成氨裝置大修，更換了使用24a的氨合成催化劑，其后氨合成催化劑還原持續(xù)時(shí)間約248h（中途因前系統(tǒng)跳車中斷了35h），為控制氨合成催化劑的還原速率，合成回路采用低循環(huán)量，系統(tǒng)負(fù)荷（FC03013）只有22km3/h左右（以工藝天然氣流量計(jì)，滿負(fù)荷為33.5km3/h），由于負(fù)荷過(guò)低，一段爐所需燃料天然氣少，燃料天然氣背壓低，只有50～78kPa（指標(biāo)為100～200kPa，據(jù)燃料天然氣總碳、爐管外壁溫度、生產(chǎn)負(fù)荷等進(jìn)行調(diào)整），即氨合成催化劑還原期間系統(tǒng)負(fù)荷長(zhǎng)時(shí)間過(guò)低，混合燃料氣流通速度相對(duì)較低，在火焰?zhèn)鞑ニ俣纫欢ǖ那闆r下燒嘴就容易出現(xiàn)回火現(xiàn)象。

3.2 混合燃料氣組分變化

本次氨合成催化劑還原時(shí)間長(zhǎng)，氨合成回路弛放氣氫回收單元（冷箱深冷分離）一直未開(kāi)車，未回收氫氣的弛放氣作為尾氣直接送至一段爐燒嘴與燃料天然氣混合，混合燃料氣中氫含量相較于正常生產(chǎn)時(shí)長(zhǎng)時(shí)間偏高，而氫氣相較于甲烷更易燃燒——甲烷的最小點(diǎn)火能為0.28MJ、氫氣的最小點(diǎn)火能為0.017MJ，由于氫氣燃燒速度快，相對(duì)就提升了火焰?zhèn)鞑ニ俣?，在混合燃料氣流通速度相?duì)較低的情況下，燒嘴變得更易回火（合成氨裝置正常開(kāi)停車階段氫回收單元未開(kāi)車的情況下，一段爐燒嘴也易出現(xiàn)回火）。

3.3 爐膛負(fù)壓控制不理想

筆者查閱了氨合成催化劑還原期間一段爐負(fù)壓的控制情況，隨著氨合成催化劑還原的進(jìn)行，合成回路壓力逐漸提升，弛放氣量逐漸增大但不穩(wěn)定，系統(tǒng)負(fù)荷偏低，主控（人員）對(duì)爐膛負(fù)壓控制不是很到位，有時(shí)長(zhǎng)時(shí)間在-70Pa左右（設(shè)計(jì)值為-100Pa），爐膛負(fù)壓控制不理想，降低了燒嘴火孔處混合燃料氣的流通速度，加快了火焰?zhèn)鞑ニ俣?，燒嘴變得更易回火?/p>

3.4 燒嘴磚縫隙大

2018年富島公司1000t/d合成氨裝置大修期間，一段爐整體更換爐墻，燒嘴磚是4塊組合安裝的，與爐墻燒嘴磚支撐大小并不匹配，燒嘴磚臨時(shí)進(jìn)行了改小切割，此種燒嘴磚安裝方式加之爐墻外鋼板變形，導(dǎo)致燒嘴磚縫隙過(guò)大——建廠技術(shù)資料中，要求燒嘴磚各塊間隙在1～2mm，而目前燒嘴磚間隙普遍在3～8mm；燒嘴磚外爐墻設(shè)計(jì)溫度110℃，因高溫?zé)煔庠诳p隙里竄流，目前爐墻外鋼板溫度大多超過(guò)150℃，此處過(guò)高的溫度間接加熱了文丘里后燒嘴部位，即間接提升了混合燃料氣的溫度，使得混合燃料氣溫度更接近燃點(diǎn)，更易燃燒，由此提升了火焰?zhèn)鞑ニ俣?，燒嘴變得更易回火?/p>

3.5 混合燃料氣溫度超過(guò)設(shè)計(jì)值

氨合成催化劑還原后，一段爐燒嘴也發(fā)生了回火現(xiàn)象。在目前的工況下，燃料天然氣盤管加熱出口長(zhǎng)期在319℃左右（設(shè)計(jì)值為300℃），尾氣經(jīng)中壓蒸汽預(yù)熱后溫度在268℃左右（設(shè)計(jì)值為260℃），混合燃料氣溫度高，更利于燃燒、有助于節(jié)能，但混合燃料氣溫度不是越高越好，超設(shè)計(jì)溫度后，混合燃料氣溫度更接近燃點(diǎn)，火焰?zhèn)鞑ニ俣却蟠蠹涌?，燒嘴變得更易回火?/p>

3.6 燒嘴頭伸出燒嘴磚長(zhǎng)度不夠

一段爐燒嘴耐高溫頭伸出燒嘴磚立面長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為（47±3）mm，而實(shí)際上由于燒嘴磚凸出面不平、爐墻外鋼板變形、爐墻熱脹冷縮、燒嘴消音器重力（燒嘴頭輕腳重）、檢修后燒嘴回裝質(zhì)量不高等原因，導(dǎo)致燒嘴投用后耐高溫頭伸出燒嘴磚長(zhǎng)度不足，而燒嘴火孔是弧面布局的，最外的燒嘴火孔會(huì)出現(xiàn)回火，加熱了混合燃料氣，導(dǎo)致混合燃料氣變得更易燃燒，由此提升了火焰?zhèn)鞑ニ俣?，燒嘴變得容易回火?/p>

3.7 一次風(fēng)門擋板固定卡銷松動(dòng)

2020年6月富島公司1000t/d合成氨裝置大修時(shí)，一段爐一次風(fēng)門擋板由于通道結(jié)垢和金屬的熱脹冷縮，基本無(wú)法開(kāi)關(guān)，為了松動(dòng)一次風(fēng)門擋板，維修單位將風(fēng)門固定卡銷放置在很松的位置；回裝燒嘴開(kāi)車時(shí)，崗位人員點(diǎn)燒嘴后也沒(méi)有及時(shí)將卡銷旋緊以固定一次風(fēng)門擋板，擋板松動(dòng)，影響燒嘴的文丘里效應(yīng)，燒嘴燃燒狀態(tài)不穩(wěn)定（一次風(fēng)門擋板全開(kāi)時(shí)，理論上此時(shí)有最佳的燃空比；擋板全關(guān)時(shí)，燒嘴變成了擴(kuò)散燃燒），易造成火焰回閃。

4 燒嘴回火后的處理措施

4.1 燒嘴回火發(fā)生的時(shí)間

合成氨裝置開(kāi)車階段，轉(zhuǎn)化系統(tǒng)氮?dú)馍郎睾笃冢欢螤t爐膛溫度達(dá)到甲烷的自燃溫度，約550℃，此時(shí)無(wú)需點(diǎn)火器即可點(diǎn)燃燒嘴，由于達(dá)到了自燃點(diǎn)，火焰?zhèn)鞑ニ俣却蟠蠹涌?，不存在燒嘴脫火了。而回火發(fā)生的高概率期是氨合成回路開(kāi)車中后期，一段爐燒嘴投用未經(jīng)回收氫氣的弛放氣尾氣，直到弛放氣氫回收冷箱工況正常——弛放氣中氫被回收至氨合成回路，尾氣中氫含量降至許可范圍，這個(gè)階段一段爐必須加強(qiáng)巡檢。

發(fā)現(xiàn)回火容易，難的是避免回火。開(kāi)車階段，為盡早發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)回火的燒嘴，可測(cè)量燒嘴靠近固定盤位置的溫度，溫度高的，發(fā)生回火的概率高。

4.2 燒嘴回火后的處理

燒嘴發(fā)生回火時(shí)有非常大的“噗噗”聲，且燒嘴文丘里管段有燒紅現(xiàn)象，此時(shí)應(yīng)立即對(duì)稱切除回火燒嘴，關(guān)閉燃料天然氣和尾氣閥門，分析燒嘴回火的原因，待燒嘴自然冷卻后，確認(rèn)回火的影響，如果回火沒(méi)有造成燒嘴燒壞（因回火輕微受損的燒嘴可繼續(xù)使用）和燒嘴磚異常（燒嘴磚為耐高溫材料制作且經(jīng)過(guò)除水處理，燒嘴回火會(huì)造成燒嘴磚縫隙變大，本一段爐未曾有燒嘴磚燒壞的情況發(fā)生），應(yīng)擇機(jī)重新投用燒嘴，投用的原則是，提高混合燃料氣流通速度，降低火焰?zhèn)鞑ニ俣龋彝队煤蠹訌?qiáng)巡檢；當(dāng)然，如果回火造成燒嘴嚴(yán)重?zé)龎模柙诰€切除交由保運(yùn)部門更換備用燒嘴。

為避免燒嘴出現(xiàn)回火，可提升混合燃料氣的流通速度，其方法為全開(kāi)一次風(fēng)門，提高燒嘴背壓；可降低火焰的傳播速度，方法是控制爐膛負(fù)壓在設(shè)計(jì)指標(biāo)和適當(dāng)開(kāi)大二次風(fēng)門，但此舉不利于節(jié)能；此外，為避免燒嘴出現(xiàn)回火，還需綜合分析混合燃料氣組分方面的影響，確認(rèn)燃料天然氣組分是否有變化以及尾氣組分的變化情況。

若開(kāi)車階段燒嘴發(fā)生回火，此時(shí)尾氣熱值較高，會(huì)提升火焰的傳播速度，而投用尾氣也利于混合燃料氣流通速度的提升，故此時(shí)投用尾氣有利有弊，需找到一個(gè)更利于提升混合燃料氣流通速度的尾氣量。此階段燒嘴投用務(wù)必小心，投用后最好觀察半小時(shí)，無(wú)異常現(xiàn)場(chǎng)人員再離開(kāi)。

5 燒嘴回火防范措施

基于一段爐燒嘴回火原因分析，富島公司對(duì)存在的問(wèn)題進(jìn)行了整改，不能整改的則加強(qiáng)監(jiān)控。燒嘴回火防范措施主要如下。

（1）日常生產(chǎn)中，目測(cè)燒嘴頭伸出燒嘴磚的長(zhǎng)度，長(zhǎng)度不夠的聯(lián)系保運(yùn)部門在線拆除并調(diào)整，盡量往控制高限調(diào)整，確保燒嘴頭伸出燒嘴磚的長(zhǎng)度在許可范圍內(nèi)；轉(zhuǎn)化崗位（人員）巡檢時(shí)測(cè)量安裝板處文丘里管的溫度，溫度高的，開(kāi)一個(gè)二次風(fēng)門使其降溫至正常溫度，防止可能發(fā)生的回火；主控精細(xì)化操作一段爐，根據(jù)環(huán)境溫度（氣溫）、燃料氣熱值、風(fēng)向等及時(shí)調(diào)整一段爐工況，一方面可減少或避免燒嘴發(fā)生回火，另一方面利于節(jié)能降耗；強(qiáng)化轉(zhuǎn)化崗位理解回火的概念、原因及后果，科學(xué)掌握回火的處理原則和方法，以確保一段爐工況的穩(wěn)定。

（2）開(kāi)車階段，在一段爐氮?dú)馍郎爻跗冢刂茽t膛負(fù)壓在-50Pa，防止燒嘴脫火熄滅；當(dāng)爐膛溫度達(dá)到天然氣自燃溫度600℃而無(wú)需點(diǎn)火槍點(diǎn)燒嘴時(shí)，即可逐步將爐膛負(fù)壓控制在正常設(shè)計(jì)指標(biāo)-100Pa，一段爐化工投料所需熱量多，此時(shí)必須以正常爐膛負(fù)壓控制。此外，開(kāi)車階段需加強(qiáng)一段爐燒嘴燃燒狀況巡檢，尤其是初投尾氣環(huán)節(jié)，確保每半小時(shí)巡檢一次。

（3）停車階段，首先關(guān)閉一次空氣風(fēng)門，然后馬上關(guān)閉燃料天然氣/尾氣切斷閥，如此可避免火焰熄滅時(shí)產(chǎn)生短暫回火。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)本次一段爐燒嘴多次發(fā)生回火現(xiàn)象的原因分析及處理實(shí)踐，我們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到一段爐檢修質(zhì)量把控和精心操作的重要性。針對(duì)一段爐燒嘴回火問(wèn)題，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)，首先，可借鑒原始的安裝及維修說(shuō)明，摸透其中的關(guān)鍵指標(biāo)及其內(nèi)涵；其次，對(duì)比分析回火時(shí)與之前正常生產(chǎn)時(shí)工況的差別，以利及時(shí)找出原因，對(duì)癥下藥；最后，應(yīng)做好員工的培訓(xùn)工作，規(guī)范化操作一段爐。

現(xiàn)階段，富島公司1000t/d合成氨裝置一段爐燒嘴回火問(wèn)題得到有效控制，但一段爐仍存在一些暫時(shí)無(wú)法解決的隱患，包括燒嘴磚縫隙變大、一段爐外壁超溫等，我們將繼續(xù)摸索與總結(jié)，力保一段爐的安全、穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)運(yùn)行，為企業(yè)提質(zhì)增效貢獻(xiàn)一份力量。