一段炉转化管热带现象原因分析及处理

(沧州大化股份有限责任公司沃原分公司，河北 沧州 061000)

1 概 述

我公司合成氨装置始建于1974年，1977年4月投产，是我国首批引进13套大化肥装置之一；主要生产原料是天然气，采用美国凯洛格公司的技术，原设计年产300 kt，经1988年和2001年两次较大的节能改造后，生产能力达350 kt/a，吨氨综合能耗由原设计的40 GJ降至36 GJ，达到国内较为先进的水平。

合成氨装置一段炉(101-B)共有转化管378根，每排42根，共9排；每排各有1根上升管。2011年8月大修时，一段炉进行了薄壁管改造，将原φ117×21.6 mm转化管改造为φ114×14 mm的转化管，材料由HK-40改为HP-50；转化管总高度不变，延伸段缩短了265 mm。

2 存在的问题

2011年10月，改造后刚开车时，转化管壁温较改造前有大幅下降，满负荷状态下壁温固定点在840 ℃左右，最高温度880～890 ℃。2010年3月(改造前)监测转化管时发现，转化管第6、7排有热带(超温)现象各10多根；10月时大约有3排转化管有热带现象；12月10日负荷95%，发现转化管大量出现热带现象，共约6排，占转化管总数的一半以上，每排的转化管大部分都在距顶部2～3 m处明显比其他部分发红，测量选定转化管固定点温度平均在851 ℃、最高达883 ℃，选定转化管最高平均温度907 ℃、最高达932 ℃。

3 原因分析

转化管厚壁管HK-40与薄壁管HP-50的力学性能见表1。由表1可以看出，HP-50的各项力学性能指标相对于HK-40来说都有了提高，这为我们分析热带现象对转化管的影响和制定相应的控制措施起到了理论支持作用。

表1 HK-40和HP-50力学性能的对比

注：σs—屈服强度，MPa；σb—抗拉强度，MPa；δ—伸长率，%；表中所列数值均为最小值。

3.1 转化管传热效果增强

转化管改薄壁管后，转化管传热效果增强，见表2(厚壁管到更换催化剂之前壁温相对较低)。

表2 转化管最高壁温 ℃

3.2 催化剂活性降低

3.2.1热点温度的变化

2011年8月份大修时，催化剂随一段炉薄壁管改造予以更换，催化剂与之前的用量相同(型号均为Z112)，其规格等质量指标见表3。

表3 催化剂质量指标

在转化管热带现象较明显后，监测情况表明，在负荷较高(负荷85%以上)时，一段炉炉管超温情况较明显，且二段出口CH4含量超标明显，见表4。

表4 一段炉转化管出现热带现象时的监测数据(2012～2013年)

注：①当日16时；②当日9时；③当日10时；④当日8时。

3.2.2床层阻力的变化

改造后，2011年11月5日负荷95%，测量一段炉床层阻力为0.22 MPa；2012年7月12日负荷94%，阻力0.25 MPa；2013年5月23日负荷95%，阻力0.26 MPa；2013年8月8日负荷95%，阻力0.27 MPa。由这些数据可以看出，一段炉床层阻力是在逐渐增大的，表明催化剂活性在逐渐降低。

3.3 催化剂结炭现象

从一段炉床层阻力和出口甲烷含量及热带现象出现的位置来看，析炭的可能性是存在的。

4 应对措施

针对上述分析，我们采取以下措施来降低热带现象带来的危害。

4.1 操作优化

(1)在不影响系统操作要求的情况下，尽量降低一段炉操作温度，TIC0117≤790 ℃。

(2)在事故状况下，TIC0117≤810 ℃。

(3)及时调整(降低)转化管壁温超温的顶部烧嘴。

(4)保持一段炉温差≤15 ℃，开停车过程其温差≤50 ℃。

(5)H2O/C给定3.5(防止析炭)，返氢量(FI0106)控制在3 000 m3/h左右(对还原可能不彻底做补救工作)。

(6)开停车严格按操作方案执行，尤其是升降温速率；一段炉投蒸汽、投原料气时一定要稳定。

(7)正常生产时，加减量一定要平稳，防止压力、温度波动。

(8)加强对一段炉的监测，定期检查一段炉烧嘴的燃烧情况，及时对问题烧嘴进行维修，确保不过热、不偏烧。

(9)密切关注蒸汽电导率分析，防止不合格蒸汽进入一段炉(严格控制中压汽提蒸汽的质量，降低汽提蒸汽流量)。

之前，转化管壁温一直呈逐渐上涨的趋势；采取措施后，壁温不再上涨，基本稳定，处于可控状态(见表4之2013年3月28日后的数据)。

4.2 烧炭处理

在2013年2月9日的开车过程中，蒸汽升温结束阶段，恒温(TIC0117 760 ℃、TR0100 780 ℃，入一段炉蒸汽量FIC002 50 t/h左右)烧炭2 h。正常运行后，现场观察炉管较停车前相同负荷下的情况有明显地好转，表明之前转化管结炭对壁温已经有了影响(可参看表4之2012年12月31日和2013年2月14日的数据)。

2013年8月，对一段炉催化剂全部进行了更换，开车运行正常后，对转化管进行了专门的监测，转化管壁温比较理想，见表5。

表5 换完催化剂后一段炉热带现象监测记录

注：①时间均为当日10时；②均指热带现象最明显的转化管。

5 结束语

通过对一段炉转化管热带现象科学地分析和采取相应的处理措施，转化管热带现象是可以控制的，不是没有办法而只有停车换催化剂这一条路。我公司一段炉催化剂从炉管热带现象明显到大修更换又多用了8个月，保证了合成氨装置的长周期稳定运行，并实现了企业的节本增效。