二段炉分布器的故障分析和改进措施

刘巧玲 杜鹏翔

（华电榆林天然气化工有限责任公司)

0 概述

二段炉是甲醇生产中的重要设备。华电榆天化公司共有4台二段炉，其中2台是2003年的1#、2#两套甲醇装置技改时增加的，另2台分别是2004年和2007年20万t/a甲醇项目 （3#装置）及15万t/a醋酸项目 （4#装置）建设时增加的。在二段炉投入使用的最初两年，装置多次因其部件氧气分布器或耐火层烧坏故障而被迫停车检修，严重影响了公司装置的长周期安全稳定运行。

1 二段炉的结构

国内现在使用的二段炉，由于工艺特点有所不同，其装置结构也不同，但就二段转化炉整体外形来讲是大体相同的，不同之处仅仅是工艺气介质和工艺空气 （氧气）的入口位置、混合气分布器的结构以及炉体内部所用的耐火衬里不尽一致而已。按国内引进装置的情况看，二段炉形式主要有凯洛格炉型、托普索炉型、伍德 （UHDE）炉型、布朗炉型等几种。在结构上各种炉型既有相同之处，也有不同的设计特点。

该公司的二段炉与凯洛格、日本东洋工程公司的T.E.C型二段炉结构基本相同，尺寸大小略有变化，其结构如图1所示。该二段炉形状为立式带锥底的圆筒形容器，在其内之顶部装有氧气-蒸汽混合气分布器 （简称分布器），容器内壁衬有耐热混凝土，下锥体设有耐火砖球拱，最上部的耐热混凝土内侧还设有耐热不锈钢衬套，球拱砖上面放氧化铝球，触媒最上层平放六角钢玉砖，筒体外侧有水夹套，夹套壳体上装有监视其运行的温度计。氧气、蒸汽混合气从大盖顶部进入分布器，分布器为圆形截面的圆管，圆管的底部有众多小孔 （其结构如图2所示），混合气以大约53 m/s（设计值）的速度从小孔喷出。

图1 二段炉结构

图2 分布器

2 故障现象

1#装置和2#装置的二段炉从2003年配氧投入使用以来，分别在2004年和2005年出现过分布器严重烧坏的故障。烧坏的分布器仅剩下部圆环(见图3)，直管全部烧掉，成片状脱落 (见图 4)，燃烧室内衬也有一定的毁坏。后来，经过几年的使用，在操作及管理上有了较成熟的经验，损坏情况才有所减轻 （见图5）。

图3 分布器烧坏后仅剩的下部圆环

图4 分布器上部直管烧毁后状况

图5 分布器轻微损坏情况

3 二段炉分布器故障分析

通过对分布器损坏情况的分析，结合二段炉的工艺，可以明确二段炉分布器的损坏主要有以下几个原因。

（1）混合气的流速偏小。混合气在正常稳定运行状况下以53 m/s(设计值)左右的速度从分布器上的小孔中喷出，小孔直径为6 mm和8 mm两种，其中分布器外圆上的孔直径为8 mm，内锥上的孔直径为6 mm。流速大了，火焰距离分布器就较远，流速小了，则距离分布器就较近。流速太小可能造成回火或者直接在分布器上燃烧，这样在很短的时间内就可烧坏分布器。所以流速偏小是分布器烧坏的最重要原因。

（2）频繁的负荷变化以及多次开停车的影响。频繁的负荷变化以及多次开停车对混合气分布器的影响其实也在气体流速上，火焰一会儿长，一会儿短，或者回火，就有可能烧坏分布器。 另一方面，负荷变化和开停车均可能造成混合气分布器振动，损坏分布器。

（3）压缩机组跳车或者喘振的影响。压缩机倒机、操作不平稳或者跳车也会给混合气的流速带来变化，尤其是气流脉动会引起混合气分布器振动。混合气分布器在1250～1300℃的高温下运行，所用材料为Incoloy 800H或类似于该材质的25-20Ni，壁厚较薄 （3 mm），经受不起振动，一旦有振动或振动频繁，就可能造成分布器损坏。

（4）分布器本身焊缝质量有问题。分布器本身焊缝质量以及吊拉筋的焊接质量有问题，则分布器易断裂烧坏。

（5）分布器的结构设计及制作质量有问题。

4 二段炉分布器的故障处理

对烧坏严重的分布器进行更换处理，并对损坏的内衬进行重新浇注，对损坏不严重的分布器进行修补处理 （见图6）。处理方法如下：根据情况补焊缺陷。大的孔洞用与分布器同壁厚同材质或高级别材质进行补拼焊接。小的孔洞直接焊接堵孔，打磨光滑后再开孔。用Inconel 82焊丝，在电流≤70 A时采用手工氩弧焊。开孔时，钻头与所在曲面保持垂直，持钻平稳。钻孔修复后，应保证每个孔的内壁平整光滑，以确保气流畅通无阻。

图6 修补处理后的分布器

5 对分布器的改进措施

5.1 结构改进

（1）进气位置改进

原设计2#装置的转化气混合后是从二段炉上部的一侧进入的。经过与设计院沟通、交流，并为设计院提供了现场第一手资料，在建3#、4#装置时就对进气位置进行了改进。一段转化气混合后对称地从二段炉上部两侧进入，这样气流更容易混合均匀，火焰偏烧的可能性就更小。

（2）测温点改进

由1#、2#装置的二段炉运行情况可知，二段炉内的触媒温度可间接提供分布器运行好坏的信息。1#、2#装置的二段炉均只有2处测温点。在3#、4#装置建设时，二段炉在触媒处设了6处测温点，分别对触媒的上部、中部、下部对称设点，可测量同平面触媒温差，通过温差数值可判断分布器气流情况。这样，在日常操作中对二段炉的运行情况就有了科学直观的了解。

（3）分布器结构改进

2006年，发现二段转化炉的分布器圆盘频频出现孔烧大的现象并出现径向裂纹，分析其原因是圆盘式分布器在冷弯时产生了弯曲应力，再加之壁厚较薄。因此设计院在设计时将圆盘结构改为正六边形结构，并增加了壁厚。此外，在制造时也避免了弯制。4#装置二段炉就采用了这样的结构，目前未发现有孔烧大的现象。

（4）耐火衬里的改进

3#装置燃烧室耐火衬里由150 mm厚的重质浇注料和150 mm厚的高纯刚玉砖组成，因高纯刚玉砖不易修补，所以将其改造为全部用重质浇注料。重质浇注料耐冲刷、易修补，比刚玉砖热延伸性好，不易产生脆性剥落。

5.2 修复二段炉分布器

二段炉刚投入使用时，1#装置、2#装置曾三次停车，打开二段炉检查分布器时发现气流喷孔被烧大，因此不得不对分布器进行更换。鉴于二段转化炉的分布器成本太高 (每件约90万元)且损坏频率较高，该公司组织对分布器烧大的孔进行修补处理，修补后的分布器形貌如图6所示。自2006年11月起，公司已先后修复了3套装置上的5台分布器，且使用效果较好，至今未更换过新的。此外，还将原来更换下的2台废旧分布器也进行了修复，以供备用 （见图7）。

图7 修补备用的分布器

5.3 加强日常维护管理

因二段炉分布器的问题，公司制定了 《二段炉特护方案》，对日常的巡检内容及操作中需注意的问题作了详细的规定。设备状态一旦出现小的波动或异常，能够马上在公司层面由各专业人员进行分析调整，以确保二段炉稳定运行。

在日常操作中，规定操作工必须每小时对二段炉封头、上下大法兰、颈部锥体、夹套外壁等几十个监测点进行温度监测，形成记录报表，并对同一点的温度进行动态的比对分析。若外壁温度升高，同平面触媒温度忽大忽小，则可能是分布器被烧坏，耐火衬里也可能损坏；若外壁温度一边偏高，同平面触媒温度一边高一边低，则可能是分布器的孔烧大造成偏流，耐火衬里也可能被烧坏。无论出现哪一种故障，均应立即着手进行检修的准备工作，包括修补分布器的准备、耐火浇注料的准备等。停车后，就可进行更换或修复分布器，对烧坏的耐火层进行重新浇注。在管理上，将二段炉纳入每月设备管理考核范围，每月月底根据考核情况进行适当的奖惩，从制度上保障数据的真实性。

5.4 加强检查

每遇装置停车，若时间允许，均对二段炉分布器及炉内衬浇注料进行检查，并对分布器进行适当的补焊修复。若浇注料局部烧掉，要进行局部修复，以确保故障不超过可控的范围。

6 结语

本文对二段炉分布器的故障进行了分析，并采取了一系列整改措施。对分布器的使用经验进行了总结，以利于减少或避免分布器故障的发生。