消除竖琴式转化炉下集气管热变形的方法

王永锋，刘 磊，亓 峰

(北京石油化工工程有限公司西安分公司 陕西西安 710075)

消除竖琴式转化炉下集气管热变形的方法

王永锋，刘 磊，亓 峰

(北京石油化工工程有限公司西安分公司 陕西西安 710075)

针对竖琴式转化炉存在下集气管易热变形的问题，在转化炉辐射室底部的横梁与下集气管之间增设弹簧限位架，消除了下集气管热态过度变形，防止下集气管耐火衬里出现裂纹或脱落导致的高温高压富氢气体的泄漏。该方法应用于某制氢装置后已连续运行7年，下集气管耐火衬里从未出现裂纹或脱落、集气管外壁局部超温等问题，消除了装置的安全隐患，确保装置安全平稳运行，并节省了维修费用。

转化炉 下集气管 热态变形 弹簧限位架

烃类蒸汽转化炉是现有合成氨、甲醇、制氢等石油化工装置中最为重要的设备之一，炉型基本可分为顶烧炉、侧烧炉和阶梯炉，但从炉体结构、转化反应速率、炉管使用寿命、辐射热效率、燃料适用性及耗量等方面比较，顶烧炉具有明显优势，其已成为目前转化炉的主要选择形式[1]。转化炉管系是整个转化炉的关键部位，包括上分配管、上猪尾管、转化炉管、下集气管和下集气总管。转化炉管与下集气管的连接形式通常有竖琴式(直插式)和带下猪尾管式，2种方式各有利弊，在国内外均有多套装置采用，竖琴式因具有结构简单、投资省、能耗低等优点而越来越受到推崇。

1 下集气管的热态变形

国内现有采用竖琴式转化炉管系的装置，如泸天化400 kt/a甲醇装置、湖北化肥厂300 kt/a合成氨装置、上海高桥2套制氢装置、海南炼化制氢装置、大连西太平洋制氢装置等，操作状态下的转化炉下集气管均热态向上拱起，产生过度变形的现象，其主要原因是由下集气管顶部与底部所存在的温差造成的。从现场实测得知，下集气管顶部与底部之间的温差最大可达70 ℃，产生该温差的主要原因是下集气管内部衬里不均匀、转化炉底部热辐射、集气管顶部与底部存在热损差异等。下集气管内部衬里采用水平离心法浇筑，在衬里材料重力作用下，导致内部衬里上薄下厚；由于集气管顶部通风效果差，造成集气管顶部与底部的环境温度差异较大。以上问题在此类转化炉中是不可避免的。

在热态时，下集气管过度向上拱起，会导致下集气管内部衬里变形，进而出现裂纹或脱落现象。过度变形还会使转化管与下集气管相连接的开孔处应力陡然增大，使开孔呈现椭圆化。由于下集气管内的富氢气体温度为800～900 ℃、压力为2.65 MPa(表压)，富氢气体在衬里裂纹或脱落部位与下集气管外壁直接接触，造成管壁超温(下集气管材质通常为16Mn)，长期运行将导致管壁破裂，造成高温、高压富氢气体泄漏，甚至遇明火引发爆炸事故。在生产过程中出现以上问题后，就必须停车修复衬里，而此处的整改、修复难度很大，一般需耗时15～30 d，以30 000 m3/h(标态)制氢装置为例，在修复停工期间将给企业造成2 000～4 000万元的经济损失。

2 消除下集气管热态变形的方法

2.1 方法说明

针对转化炉下集气管顶部与底部存在温差导致下集气管向上拱起变形的问题，提出在转化炉辐射室底部的横梁与下集气管之间设置弹簧限位架(上压式)的解决方案。弹簧限位架的设置可以抵消竖琴式转化炉下集气管热态时所产生向上拱起的变形应力，从而解决下集气管的过度变形问题。弹簧限位架应根据下集气管变形的上拱力来选型，并均布于炉底横梁下部。

2.2 实施方式

图1 弹簧限位架结构

弹簧限位架结构如图1所示。弹簧安装在弹簧壳体中，弹簧限位架通过上固定板和环状底架来安装固定；上固定板固定在转化炉底部横梁下，通过2根支脚固定连接在壳体的上方；环状底架包括上半环和下半环，上半环和下半环通过螺栓固定连接后环箍在下集气管上；上半环的上方设有方便安装弹簧壳体的环状底架顶板，弹簧壳体的下方用螺栓固定在环状底架顶板上。

工作原理：在冷态时，将弹簧限位架安装于转化炉底部横梁与下集气管之间，弹簧处于压缩状态，其产生的外张弹力与下集气管热态时的变形应力相匹配；在热态时，弹簧的外张弹力阻止了下集气管向上拱起的变形，同时避免由下集气管变形引发的一系列问题。

2.3 技术应用实例

该方法于2008年在某30 000 m3/h(标态)制氢装置中获得成功应用，有效解决了竖琴式转化炉下集气管热态时发生向上拱起而过度变形的问题，至今已正常生产运行7年，下集气管内的衬里从未出现裂纹或脱落、集气管外壁局部超温等问题，转化炉操作运行安全、平稳。

3 应用前景

在转化炉辐射室底部的横梁与下集气管之间设置弹簧限位架(上压式)的方法可大量应用于国内外新建和改建的合成氨、甲醇、制氢等类似的炼油化工装置中，对于保证整套装置的安全平稳运行、消除安全隐患、减少维修费用、缩短维修时间、提高企业经济效益等方面均具有很高的实用价值，应用前景广泛。

[1] 姚稷天.炼油厂制氢转化炉的设计[J].炼油设计，2001(10)：13- 17.

Method of Eliminating Thermal Deformation of Manifold of Harp Reformer

WANG Yongfeng, LIU Lei, QI Feng

(Beijing Petrochemical Engineering Co., Ltd. Xi′an Branch Shaanxi Xi′an 710075)

In connection with the problem that thermal deformation of manifold of harp reformer is easy to occur, new elastic stop supports are added between the beam under reformer radiation chamber and the manifold, excessive thermal deformation of manifold is eliminated, leakage of high temperature and pressure hydrogen- rich gas caused by crack or fall off of refractory lining of manifold is prevented. Since applying this method with a certain hydrogen production unit, it has operated continuously for 7 years, manifold lining has no problems of crack, fall off and over temperature at any part of outer wall of the manifold, hidden perils in equipment safety are eliminated, safe and stable operation of the unit is guaranteed and maintenance cost are saved.

reformer manifold thermal deformation elastic stop support

王永锋，高级工程师，副总工程师，从事石油化工工程设计工作。

TE963

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1006- 7779(2016)06- 0049- 02

2015- 05- 20)