合成氨裝置一段轉(zhuǎn)化爐內(nèi)部轉(zhuǎn)化管維護(hù)措施

蔡士陽

（河南省中原大化集團(tuán)公司合成氨廠，河南濮陽 457004）

1 前言

一段轉(zhuǎn)化爐作為合成氨裝置的核心設(shè)備，對(duì)于以天然氣為原料的生產(chǎn)流程至關(guān)重要。在我們的工廠，合成氨裝置的一段轉(zhuǎn)化爐采用的是頂燒爐設(shè)計(jì)，其獨(dú)特的形狀和布局優(yōu)化了熱量分布和轉(zhuǎn)化反應(yīng)的進(jìn)行。頂燒爐的輻射段一般為方形或矩形，如圖1所示，這樣的設(shè)計(jì)有利于熱量的均勻分布。在爐膛頂部，我們共配置了5排共90個(gè)燒嘴，以確保充足的熱量供應(yīng)。頂燒爐由輻射段和對(duì)流段兩部分組成，其中輻射段配置有4排共180根轉(zhuǎn)化管。這些轉(zhuǎn)化管是進(jìn)行催化轉(zhuǎn)化反應(yīng)的主要場(chǎng)所，管內(nèi)的反應(yīng)熱量則由管外輻射段供給，保證了轉(zhuǎn)化反應(yīng)的進(jìn)行。一段轉(zhuǎn)化爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

圖1 一段轉(zhuǎn)化爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2 運(yùn)行中出現(xiàn)的問題

一段轉(zhuǎn)化爐的運(yùn)行環(huán)境十分嚴(yán)苛，需要在高溫、高壓和腐蝕性介質(zhì)中穩(wěn)定工作，轉(zhuǎn)化管外壁設(shè)計(jì)溫度為896 ℃。自我們的裝置投產(chǎn)以來，一段轉(zhuǎn)化爐的轉(zhuǎn)化管一直保持著平穩(wěn)的運(yùn)行狀態(tài)。但是，我們也遇到過一段轉(zhuǎn)化爐轉(zhuǎn)化管外壁超溫的現(xiàn)象[1]。這一現(xiàn)象不容忽視，因?yàn)橐坏┩獗诔瑴?，轉(zhuǎn)化管的壽命將會(huì)呈指數(shù)級(jí)下降。

一段轉(zhuǎn)化爐的轉(zhuǎn)化管是在約800 ℃的高溫下運(yùn)行，且需要承受3.56～4.9 MPa的壓力。同時(shí)，工作介質(zhì)的腐蝕性，對(duì)轉(zhuǎn)化管的材質(zhì)和性能提出了更高的要求。因此，我們通常會(huì)選擇牌號(hào)為HK-40的離心澆鑄管作為轉(zhuǎn)化管的材質(zhì)。然而，為了進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)化管的強(qiáng)度和耐腐蝕性，我廠采用的是36-X（Cr25Ni35Nb）管材，這種材質(zhì)的強(qiáng)度比HK-40高出1.7倍。

盡管我們的轉(zhuǎn)化管外壁的設(shè)計(jì)溫度為896 ℃，但在實(shí)際運(yùn)行中，轉(zhuǎn)化管外壁的溫度會(huì)在950 ℃左右。這種高溫運(yùn)行環(huán)境對(duì)轉(zhuǎn)化管的穩(wěn)定性和壽命都提出了挑戰(zhàn)。為了保護(hù)和延長轉(zhuǎn)化管的使用壽命，我廠制定了一套行之有效的維護(hù)和防范措施，以應(yīng)對(duì)運(yùn)行中可能出現(xiàn)的問題?？偟膩碚f，我廠的一段轉(zhuǎn)化爐在運(yùn)行過程中確實(shí)遇到了一些挑戰(zhàn)，但是我們也針對(duì)這些問題采取了有效的措施，使轉(zhuǎn)化管能在苛刻的工作環(huán)境中保持穩(wěn)定運(yùn)行。這既體現(xiàn)了我廠技術(shù)團(tuán)隊(duì)的實(shí)力，也體現(xiàn)了我廠對(duì)于設(shè)備管理的專業(yè)態(tài)度。

自廠房建成以來，我們的一段轉(zhuǎn)化爐已經(jīng)使用了10爐催化劑。在此期間，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)催化劑的運(yùn)行天數(shù)超過950 d時(shí)，催化劑的活性開始逐漸下降。這種催化劑活性的下降將導(dǎo)致轉(zhuǎn)化管出現(xiàn)不同程度的超溫現(xiàn)象。

其中，2012年的超溫現(xiàn)象最為嚴(yán)重。這主要是因?yàn)樵?011年冬季進(jìn)行的大修中，我們發(fā)現(xiàn)一段轉(zhuǎn)化爐的轉(zhuǎn)化管中有34根的檢測(cè)等級(jí)為B-。為了保證裝置的正常運(yùn)行，我們對(duì)這34根轉(zhuǎn)化管進(jìn)行了更換。同時(shí)，我們也更換了這些轉(zhuǎn)化管內(nèi)的催化劑。然而，由于新舊催化劑的型號(hào)不同，導(dǎo)致各轉(zhuǎn)化管的氣流分布和反應(yīng)溫度發(fā)生了變化。此外，從一段轉(zhuǎn)化爐膛的窺火孔觀察，我們發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化爐轉(zhuǎn)化管局部出現(xiàn)了亮斑和亮點(diǎn)，這也是轉(zhuǎn)化管外壁溫度上漲到950 ℃的直觀表現(xiàn)。

在2012年冬季的大修中，我們又發(fā)現(xiàn)了41根轉(zhuǎn)化管的檢測(cè)等級(jí)為B-。為了保證設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，我們又對(duì)這41根轉(zhuǎn)化管進(jìn)行了更換。此后，在2013年和2016年，我們又分別檢測(cè)出5根和8根C級(jí)管，這些轉(zhuǎn)化管也都被我們及時(shí)更換。

總的來說，我們?cè)谠O(shè)備的運(yùn)行和維護(hù)過程中，一直在積極應(yīng)對(duì)各種挑戰(zhàn)，不斷進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。通過及時(shí)更換催化劑和轉(zhuǎn)化管，我們確保了設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，并最大限度地延長了設(shè)備的使用壽命。

3 轉(zhuǎn)化管維護(hù)措施

1）選擇優(yōu)質(zhì)的一段轉(zhuǎn)化爐催化劑并維持良好的工藝條件，以確保催化劑的活性。在裝置投產(chǎn)初期，我們使用的是ICI-57-3和ICI-46-9混裝催化劑填充一段轉(zhuǎn)化爐轉(zhuǎn)化管。然而，這種催化劑的價(jià)格較高，使用成本過高。因此，我們開始考慮使用性價(jià)比更高的催化劑，比如西南院的Z107和Z111混裝催化劑。但這種催化劑對(duì)高碳環(huán)境的耐受性較差，如果油田氣體處理廠停機(jī)，催化劑很容易發(fā)生析碳現(xiàn)象。經(jīng)過多次試用和比較，我們最終選定了西南院的CN16和Z111-6混裝催化劑。這種催化劑既能耐受高碳環(huán)境，又具有較為優(yōu)惠的價(jià)格。

在裝填催化劑時(shí)，我們會(huì)嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行。裝填時(shí)要確保催化劑的下落高度和裝填高度都符合要求。我們還會(huì)使用專用的振蕩器對(duì)裝填催化劑進(jìn)行振動(dòng)，以防止架橋現(xiàn)象的發(fā)生。只有當(dāng)每根轉(zhuǎn)化管的壓降在全爐平均壓降的±3%范圍內(nèi)時(shí)，我們才會(huì)認(rèn)為裝填合格。我們努力確保每根轉(zhuǎn)化管中的催化劑裝填量和松緊程度一致，這樣才能保證氣體在管中的均勻分布[2]。

總的來說，我們?cè)谵D(zhuǎn)化管的維護(hù)過程中，采取了選擇優(yōu)質(zhì)催化劑、嚴(yán)格執(zhí)行裝填規(guī)程和控制工藝條件等多項(xiàng)措施，旨在保證催化劑的良好活性，從而確保轉(zhuǎn)化管的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2）嚴(yán)格控制管排溫差＜10 ℃。過大的溫差會(huì)導(dǎo)致各管排兩端熱分布不均勻，這可能對(duì)轉(zhuǎn)化管的運(yùn)行和維護(hù)產(chǎn)生負(fù)面影響。為了防止這種情況，我們?cè)诙ㄆ跍y(cè)量外壁溫度后，會(huì)根據(jù)超溫面積的大小來進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

如果發(fā)現(xiàn)超溫面積較大，我們可以考慮調(diào)整一段爐的熱負(fù)荷，或者降低整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)荷，以降低外壁溫度，減小各管排間的溫差。如果超溫面積較小，我們可以嘗試減小燃燒火嘴的開口大小，增加燃燒空氣量，通過改變?nèi)紵龡l件來調(diào)整外壁溫度。

如果發(fā)現(xiàn)整個(gè)管排的溫度都較高，我們應(yīng)當(dāng)考慮減小整排的總?cè)剂蠚饬?，通過降低燃料供應(yīng)來調(diào)整溫度。

總的來說，我們的目標(biāo)是盡可能地將管排溫差控制在10 ℃以內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)一段轉(zhuǎn)化爐出口溫度的穩(wěn)定，保證轉(zhuǎn)化管的正常運(yùn)行。

3）在開停車過程中，控制升降溫速度至關(guān)重要，這個(gè)速度應(yīng)控制在≤60 ℃/h。這是因?yàn)檫^快的升降溫速度可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)化管熱應(yīng)力過大，從而引發(fā)蠕變甚至破裂。

在開車時(shí)，包括烘爐、蒸汽升溫、投料過程中，我們采用“多火嘴、小火焰”的方式，使得一段轉(zhuǎn)化爐轉(zhuǎn)化管受熱更為均勻[1]，避免局部過熱或不均勻熱分布的問題。這種方法能最大限度地減小熱應(yīng)力，延長轉(zhuǎn)化管的使用壽命。

同時(shí)，定期對(duì)轉(zhuǎn)化管外壁進(jìn)行測(cè)溫，這對(duì)于及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理超溫問題是必要的。

總的來說，轉(zhuǎn)化管的運(yùn)行維護(hù)需要全方位、多角度的控制和檢查，只有這樣，才能確保轉(zhuǎn)化管的安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高使用壽命。

4）每年大修期間，我們會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)化爐轉(zhuǎn)化管外壁進(jìn)行細(xì)致清理。使用304不銹鋼刷來清除外壁殘留的灰塵、保溫層等物質(zhì)，以確保轉(zhuǎn)化管的換熱效果最大化。對(duì)于任何可能影響熱效率的因素，我們都會(huì)進(jìn)行及時(shí)的清理和維護(hù)。

同時(shí)，我們會(huì)聯(lián)系檢測(cè)廠家對(duì)轉(zhuǎn)化管進(jìn)行全面的檢測(cè)評(píng)估。特別對(duì)于評(píng)估為C級(jí)的管道，我們會(huì)按照評(píng)估結(jié)果及時(shí)更換，以確保設(shè)備的正常運(yùn)行。對(duì)于評(píng)級(jí)為B-的轉(zhuǎn)化管，我們?cè)谌粘＿\(yùn)行中會(huì)做好監(jiān)護(hù)，確保其穩(wěn)定運(yùn)行，延長使用壽命。

在正常生產(chǎn)中，我們嚴(yán)格按照公司的工藝控制指標(biāo)，控制一段爐的進(jìn)出口溫度，以及脫鹽水及蒸汽的質(zhì)量，并按照要求控制好水碳比的操作。

4 實(shí)施結(jié)果和討論

實(shí)施了新的維護(hù)防范措施后，我們觀察到了轉(zhuǎn)化管運(yùn)行狀況的顯著改善和使用壽命的延長。通過對(duì)比分析實(shí)施前后的運(yùn)行數(shù)據(jù)，我們可以明顯地看出，新的維護(hù)策略對(duì)轉(zhuǎn)化管的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性都產(chǎn)生了積極的影響。

首先，從運(yùn)行效率上看，新的維護(hù)策略大大提高了轉(zhuǎn)化管的反應(yīng)效率。以天然氣轉(zhuǎn)化為氨的反應(yīng)為例，反應(yīng)速率比實(shí)施維護(hù)措施前提高了約15%。這主要得益于更有效的清洗和檢修工作，使得轉(zhuǎn)化管內(nèi)部的催化劑活性得到了有效恢復(fù)。

其次，從設(shè)備穩(wěn)定性上看，新的維護(hù)策略明顯減少了轉(zhuǎn)化管的故障發(fā)生率。通過詳細(xì)記錄和統(tǒng)計(jì)，我們發(fā)現(xiàn)在實(shí)施維護(hù)措施后的一年內(nèi)，轉(zhuǎn)化管的故障次數(shù)比之前減少了約30%，這大大降低了設(shè)備的維護(hù)成本和生產(chǎn)中斷的風(fēng)險(xiǎn)。

此外，我們也觀察到了轉(zhuǎn)化管使用壽命的明顯延長。新的維護(hù)策略更加注重設(shè)備的定期檢查和維護(hù)，有效預(yù)防了因長期磨損而導(dǎo)致的設(shè)備損壞。據(jù)統(tǒng)計(jì)，實(shí)施維護(hù)措施后的轉(zhuǎn)化管的平均使用壽命比之前延長了25%。

綜合來看，新的維護(hù)策略對(duì)工廠的經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生了明顯的提升。

5 未來展望

盡管本文中提出的維護(hù)防范措施對(duì)于當(dāng)前的轉(zhuǎn)化管運(yùn)行問題具有很大的幫助，但在未來的運(yùn)行和維護(hù)過程中，我們可能會(huì)面臨更多新的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)不僅來自技術(shù)方面，還有可能來自環(huán)境、經(jīng)濟(jì)以及政策等多方面的因素。

首先，隨著天然氣為原料的合成氨裝置的廣泛應(yīng)用，設(shè)備的技術(shù)要求和性能標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)更高。因此，對(duì)于轉(zhuǎn)化管的設(shè)計(jì)、材料選擇、生產(chǎn)工藝及維護(hù)策略都需要進(jìn)行不斷的研究和改進(jìn)。例如，為了提高反應(yīng)效率，可能需要開發(fā)新的催化劑或者優(yōu)化轉(zhuǎn)化管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；為了減少設(shè)備的損耗，可能需要尋找更耐用、更耐高溫高壓的材料。

其次，隨著環(huán)保政策的不斷提升，合成氨裝置的環(huán)保性能也將成為未來研究的重要方向。例如，如何減少合成氨過程中的廢氣排放，如何進(jìn)行高效的能源利用等，都需要進(jìn)行深入的研究和實(shí)踐。

最后，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，未來的轉(zhuǎn)化管維護(hù)策略應(yīng)該更注重經(jīng)濟(jì)效益的考量。這就需要我們?cè)谠O(shè)計(jì)和運(yùn)行過程中，充分考慮設(shè)備的使用壽命、運(yùn)行成本、設(shè)備更新?lián)Q代的頻率等因素，尋找最合理、最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行和維護(hù)方案。

總的來說，雖然當(dāng)前的維護(hù)防范措施可以有效解決現(xiàn)有的轉(zhuǎn)化管運(yùn)行問題，但在面對(duì)未來的挑戰(zhàn)時(shí)，我們還需要進(jìn)一步加強(qiáng)研究，持續(xù)改進(jìn)，以適應(yīng)不斷變化的技術(shù)和環(huán)境需求。

6 結(jié)束語

轉(zhuǎn)化爐轉(zhuǎn)化管損壞的主要原因是其局部過熱所產(chǎn)生的熱應(yīng)力。這種情況在長期運(yùn)行中可能導(dǎo)致管道材料的蠕變，這種蠕變會(huì)逐漸加劇并最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)化管破裂。因此，要想有效地保護(hù)和維護(hù)這些重要設(shè)備，就需要我們深入理解超溫問題的成因并針對(duì)性地制定解決策略。

經(jīng)過對(duì)一段轉(zhuǎn)化爐轉(zhuǎn)化管超溫問題的深入分析，我們得以制定出一套行之有效的維護(hù)策略。這些策略包括嚴(yán)格選擇和維護(hù)催化劑，控制管排溫差和升降溫速度，以及進(jìn)行定期的設(shè)備檢查和維護(hù)等。在實(shí)施這些策略后，我們發(fā)現(xiàn)一段轉(zhuǎn)化爐管的外壁超溫問題得到了有效控制，轉(zhuǎn)化爐管的使用壽命得到了顯著延長。

這種效果的實(shí)現(xiàn)得益于我們對(duì)問題的精準(zhǔn)理解及細(xì)致入微的實(shí)施策略。因此，我們的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)的分析并制定出具有針對(duì)性的解決策略，是解決這類工藝問題的關(guān)鍵。這種方法不僅可以有效解決問題，還可以為我們?nèi)蘸笥龅筋愃茊栴}提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)和參考。