一段爐燃料天然氣消耗量增加原因分析及對策

張明良

(海洋石油富島有限公司， 海南東方 572600)

1 概述

海洋石油富島有限公司化肥一期(簡稱富島一期)合成氨裝置以天然氣為原料，采用英國ICI-AMV工藝，生產(chǎn)能力為1 000 t/d液氨[1]。一段爐為吸引風(fēng)箱式加熱爐，下部輻射段分為南、北對稱的兩個爐膛，上部對流段設(shè)有煙氣廢熱回收裝置[2]。截至2022年5月裝置檢修前，一段爐轉(zhuǎn)化爐管控制出口溫度在730 ℃左右，天然氣消耗量(正常生產(chǎn)時為6 400 m3/h以下)由6 298 m3/h持續(xù)增加至6 551 m3/h(表1),一段爐出現(xiàn)燒嘴回火、爐墻膨脹鼓包和轉(zhuǎn)化爐管出口甲烷含量超標等現(xiàn)象。

表1 一段爐出口溫度與天然氣消耗量數(shù)據(jù)統(tǒng)計

2 工藝原理及流程

一段爐南、北爐兩側(cè)爐膛墻壁上各裝有5層燒嘴，第一層和第五層各有9個燒嘴，其它各層分別有12個燒嘴，共計216個燒嘴。燒嘴使用雙噴頭系統(tǒng)，燃料天然氣(表2)和燃料廢氣(表3)在喉管通道混合進入燒嘴，利用燃料氣壓力吸入環(huán)境中的空氣進行燃燒，熱負荷為169 GJ/h。

表2 燃料天然氣主要組成 %

表3 燃料廢氣主要組成 %

一段爐對流段頂部設(shè)有引風(fēng)機，在爐膛內(nèi)部建立微負壓(-100 Pa)，煙氣由此排入大氣。一段爐輻射段轉(zhuǎn)化爐管表面溫度設(shè)計為873 ℃，壓力為4.31 MPa。其內(nèi)部108根轉(zhuǎn)化爐管裝有18.3 m3的Z111-6YQ型催化劑，活性組分為鎳。原料天然氣與工藝蒸汽混合后，經(jīng)一段爐對流段廢熱回收盤管2加熱到580 ℃，進入一段爐轉(zhuǎn)化爐管內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在催化劑的作用下生成H2和CO，生成的化學(xué)物料送往二段爐。一段爐工藝流程見圖1。

3 原因分析

3.1 生產(chǎn)系統(tǒng)負荷高

一段爐轉(zhuǎn)化爐管內(nèi)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，原料天然氣流量和工藝蒸汽流量任一數(shù)值偏高，均會引起生產(chǎn)系統(tǒng)負荷高，完成設(shè)定的生產(chǎn)要求就需要增加燃料天然氣，為一段爐內(nèi)化學(xué)反應(yīng)提供更多熱量。2021年1月至2022年4月合成裝置生產(chǎn)系統(tǒng)負荷數(shù)據(jù)見表4。

圖1 一段爐工藝流程圖

表4 合成裝置生產(chǎn)負荷

由表4可知：生產(chǎn)負荷下，天然氣體積流量基本維持在32 500 m3/h左右，工藝蒸汽質(zhì)量流量基本維持在65.00 t/h左右。

3.2 燃料天然氣熱值低

燃料天然氣由CH4、多碳烴類(CnH2n+2)、N2和CO組成[1]。一段爐熱量來源為燃料天然氣中的CH4燃燒。當燃料天然氣中的CH4含量降低時，需要更多的燃料天然氣，以保持一段爐化學(xué)反應(yīng)熱量平衡。2021年1月至2022年4月，燃料天然氣中CH4質(zhì)量分數(shù)見表5。

表5 燃料天然氣中CH4質(zhì)量分數(shù) %

由表5可知：燃料天然氣組分中的CH4質(zhì)量分數(shù)穩(wěn)定。

3.3 燃料廢氣流量低

燃料廢氣來自廢氣回收單元，輸送至一段爐進行輔助燃燒，為一段爐轉(zhuǎn)化爐管內(nèi)吸熱化學(xué)反應(yīng)提供熱量。當燃料廢氣流量不足時，需要增加燃料天然氣流量來維持一段爐出口溫度。2021年1月至2022年4月，燃料廢氣流量數(shù)據(jù)見表6。

表6 燃料廢氣體積流量

由表6可知，一段爐燃料廢氣流量在控制范圍內(nèi)，未出現(xiàn)流量降低的情況。

3.4 燒嘴二次風(fēng)門供應(yīng)冷量多

一段爐燒嘴固定盤周圍分布有4個直徑為3 cm的二次風(fēng)門圓孔。圓孔由圓形蓋板覆蓋，通過旋轉(zhuǎn)固定卡銷，打開蓋板來控制二次風(fēng)門開度。二次風(fēng)門打開多時，大量冷空氣進入燒嘴，會導(dǎo)致一段爐熱量上移，一段爐轉(zhuǎn)化爐管出口溫度降低。為了維持一段爐出口溫度在730 ℃左右，需要增加燃料天然氣消耗量。

通過查詢“一段爐轉(zhuǎn)化崗位交接班記錄本”，未發(fā)現(xiàn)有異常打開燒嘴二次風(fēng)門的操作記錄?，F(xiàn)場檢查二次風(fēng)門固定卡銷狀態(tài)，未發(fā)現(xiàn)有卡銷螺栓松動脫落導(dǎo)致蓋板打開的情況。

3.5 燃料天然氣溫度低

一段爐燃料天然氣經(jīng)過煙氣廢熱加熱盤管預(yù)熱到318 ℃，再進入一段爐輻射段燒嘴進行燃燒。當燃料天然氣溫度偏低時，進入燒嘴的燃料天然氣會吸收一段爐爐膛內(nèi)部的熱量，需要燃燒更多的燃料天然氣來補充被吸收的熱量。2021年1月至2022年4月，燃料天然氣溫度數(shù)據(jù)見表7。

由表7可知：燃料天然氣溫度穩(wěn)定，未出現(xiàn)溫度下降的情況。

3.6 爐墻保溫材料損壞

一段爐爐墻由爐磚、黏合材料和金屬外壁組成，爐墻內(nèi)部燒嘴處的保溫材料溫度為950 ℃，外墻金屬材料涂覆高溫變色油漆，外墻表面設(shè)計溫度為150 ℃。一段爐爐墻保溫材料損壞時，材料保溫效果變差，爐膛內(nèi)部大量熱量向外散發(fā)，爐墻外壁溫度若超過150 ℃，爐墻金屬外表熱敏油漆由灰色變?yōu)榘咨?。這一部分損失的熱量，需要增加燃料天然氣消耗量來補充。

表7 燃料天然氣溫度

3.7 燒嘴一次風(fēng)門設(shè)計無空氣過濾設(shè)施

一段爐燒嘴一次風(fēng)門原始設(shè)計中，進風(fēng)口未設(shè)置空氣濾網(wǎng)等過濾設(shè)施。在正常生產(chǎn)中，發(fā)現(xiàn)部分燒嘴燃燒火焰偏黃色，燒嘴磚周圍發(fā)黑，燒嘴磚的溫度比正常值低100 ℃。經(jīng)拆卸檢查發(fā)現(xiàn)，這些燒嘴的喉管通道、一次風(fēng)門擋板和噴頭微孔處均附著較多的粉塵結(jié)垢(圖2)。清理粉塵結(jié)垢后，燒嘴燃燒火焰顏色恢復(fù)至淡藍色，燒嘴磚溫度恢復(fù)至950 ℃左右。由此說明，空氣中的灰塵進入燒嘴噴頭內(nèi)部，造成燒嘴噴頭微孔結(jié)垢堵塞，燃料天然氣燃燒供氧不足，出現(xiàn)不完全燃燒，導(dǎo)致一段爐燃料天然氣消耗量增加。

結(jié)合上述原因分析，爐墻保溫材料損壞、燒嘴一次風(fēng)門設(shè)計無空氣過濾設(shè)施是導(dǎo)致一段爐燃料天然氣消耗量增加的主要因素。

從一段爐南、北爐的5層中，隨機抽取10處位置進行標記，對爐墻外壁溫度、燒嘴磚溫度、爐墻外壁顏色、燒嘴火焰顏色進行統(tǒng)計，數(shù)據(jù)見表8。

4 處理措施

4.1 更換爐墻損壞保溫材料

2022年5月，合成氨裝置停車進入檢修階段，進入一段爐爐膛內(nèi)部檢查，發(fā)現(xiàn)爐墻磚表面粉化開裂，燒嘴磚黏合劑脫落，出現(xiàn)較大裂縫，確認為爐墻保溫材料老化損壞。對損壞的爐墻保溫材料進行更換，達到檢修質(zhì)量驗收標準[3]。保溫材料檢修前后效果見圖3。

圖2 燒嘴噴頭微孔及喉管通道結(jié)垢

圖3 保溫材料檢修前后對比圖

表8 一段爐主要指標

4.2 增加燒嘴一次風(fēng)門空氣過濾網(wǎng)

檢修期間，清理段爐所有燒嘴的喉管通道、一次風(fēng)門擋板和噴頭微孔，依據(jù)燒嘴噴頭微孔和一次風(fēng)門進風(fēng)口的尺寸，選擇孔徑為2.5 mm、長為80 mm、寬為20 mm的不銹鋼金屬過濾網(wǎng)，在燒嘴進風(fēng)口外壁用鐵絲捆綁固定(圖4)。

日常生產(chǎn)中，工藝人員依據(jù)燒嘴一次風(fēng)門空氣濾網(wǎng)的結(jié)垢情況，不定期清理濾網(wǎng)，確保燒嘴一次風(fēng)門空氣的流通量和潔凈度，維持燒嘴燃燒火焰顏色為淡藍色。

5 實施效果

2022年6月，生產(chǎn)裝置開車運行，一段爐各項工藝指標參數(shù)保持正常(表9)，轉(zhuǎn)化爐管出口溫度控制在730 ℃，一爐墻外壁溫度平均值為85 ℃，燃料天然氣消耗量由6 551 m3/h下降至6 272 m3/h，燒嘴燃燒正常且火焰無泛黃現(xiàn)象[4]。

圖4 燒嘴一次風(fēng)門空氣濾網(wǎng)改造對比圖

表9 檢修后一段爐主要指標

6 結(jié)語

通過分析調(diào)查影響一段爐燃料天然氣消耗量增加的所有因素，利用裝置停車檢修的寶貴機會，采取有效措施，降低了生產(chǎn)裝置能源消耗，為設(shè)備安全穩(wěn)定運行保駕護航。