一段转化炉下集气管局部超温原因分析、监控及预防措施

李敬珂

(河南能源化工集团中原大化公司　河南濮阳　457004)

河南能源化工集团中原大化公司(以下简称中原大化公司)1 000 t/d合成氨装置以天然气为原料，采用ICI- AMV工艺。该套合成氨装置生产运行20多年来，创造了良好的经济效益和社会效益，但近年来该装置的一段转化炉下集气管经常出现局部超温现象，尽管在年度大修时进行了更换，但效果不理想，局部超温现象依然存在。因此，对一段转化炉下集气管局部超温原因进行分析，探讨其监控及预防措施。

1　天然气转化工艺流程

来自界区的天然气(压力225 kPa，温度30 ℃，含总硫质量分数50×10-6)经分离器分离所携带的油、水后进入原料气压缩机，经四段压缩至压力5 250 kPa、温度114 ℃后与来自合成气压缩机的少量合成气汇合，并控制混合气中φ(H2)在2%～5%，作为预脱硫钴-钼加氢转化之用，将有机硫转化为无机硫，然后在氧化锌脱硫槽中脱硫，控制原料气含硫质量分数低于0.1×10-6。脱硫后的原料气与来自中压蒸汽管网的蒸汽按比例混合并控制水碳比为2.75、温度为372 ℃，然后进入一段转化炉对流段盘管加热至580 ℃后从顶部进入转化炉管，在镍催化剂作用下进行转化反应。出一段转化炉的转化气(压力4 350 kPa，温度804 ℃，含CH4体积分数16.3%)从底部进入二段转化炉继续进行转化反应。

2　一段转化炉的结构和特点

一段转化炉由辐射段、过渡段和对流段组成。辐射段采用顶烧炉，方箱形，配置4排共180根转化管，管间距300 mm，排间距1 900 mm，管内转化反应所需热量由管外加热室供给。烟气带走的热量由对流段回收，并用于预热原料气、燃料气、进入二段转化炉的空气、锅炉给水、蒸汽等工艺介质。出一段转化炉的转化气先分别汇集于4根下集气管，再汇集于转化气总管后去二段转化炉。在炉顶部的4排转化炉管的管排间均布5排烧嘴，每排18只，共计90只顶部烧嘴。此布置方式可使燃料气经烧嘴燃烧后产生的烟气自上而下流动，与工艺气流向完全一致，燃料气燃烧放出的热量正好满足转化反应所需。

炉底砌有4条烟道，每条烟道出口处设有1只烧嘴(平衡烧嘴)，作为入对流段烟气温度的调节手段。炉体由炉墙、炉顶及炉表组成，炉墙外壁设计温度为炉顶和炉底低于100 ℃、侧炉墙低于85 ℃。炉体下方设置的集气管、集气总管均由承压壳体、耐热衬里、耐热合金内衬等组成。

3　一段转化炉下集气管局部超温原因分析

一段转化炉4根下集气管和集气总管均出现过局部不同程度的超温现象，发现后及时采取接工厂风、用轴流风机加强空气对流等措施进行物理降温。在年度设备大检修时把4根下集气管和集气总管全部进行了更换，但开车正常后不久又出现了局部不同程度的超温现象，给设备管理和安全稳定生产带来了不利影响。

3.1　施工质量

一段转化炉辐射段主要由原料气分配管系、弹簧吊挂系统、集气管、燃烧系统、炉体组成。完成一段蒸汽转化反应的竖琴管系由4排竖琴管组成，每排45根转化管均焊在炉体下方同一个起支撑作用的集气管对焊管座上。炉体下方设置的集气管、集气总管均由承压壳体、耐热衬里、耐热合金内衬等组成，最外层的承压壳体材质为SA387- GrP11，设计温度(最大)为300 ℃，中间的耐热衬里浇注料为LIP- PR，里层的耐热合金内衬材质为Incoloy800H。

耐热合金内衬在焊接时若焊接质量不高，氩气保护焊接时焊接电流过大导致内衬小范围烧穿、局部损坏，就不能有效保护浇注料耐热衬里，工艺气窜入浇注料耐热衬里后就会引起局部超温。若承压壳体原来存在微小裂纹或分散、单个的蚀坑，在打磨、补焊时打磨的深度不足或焊接质量不佳，也会引起局部超温。耐热衬里浇注料在浇注前的准备工作、浇注实施及干燥过程中存在问题，导致耐热衬里浇注料内部存在空气柱、疏松、粉化、裂缝窜气，保温效果就不理想，同样会造成局部超温。

3.2　烘炉质量

由于更换了4根下集气管和集气总管，在大修后的开车过程中，首先要对一段转化炉进行烘炉，如果未严格按照烘炉曲线进行烘炉、提升温度过快，就会出现浇注料内水分过量、膨胀不均匀的现象，导致出现膨胀缝和间隙。

3.3　操作因素

集气管、总集气管内的工艺介质温度、压力、CH4含量等不符合工艺设计指标要求，导致集气管及集气总管外壁超温。一段转化炉在开停车过程中升降温和升降压速率过快，加减负荷时燃料气、蒸汽、原料天然气的加减顺序出错或幅度太大，导致转化气和管道温度骤冷骤热、压力波动大，引起集气管和集气总管材质出现超温蠕变，从而影响保温效果和设备使用寿命。停车后降温速率过快会出现蒸汽凝结，导致冷激耐热合金内衬及浇注料衬里而产生裂纹，从而影响其保温效果及使用寿命。

4　可采取的措施

一段转化炉的4根下集气管和集气总管出现局部超温不仅影响设备使用寿命，而且超温严重时可能出现设备损坏、爆炸、着火等事故，因此必须采取相应的措施以降低超温部位的温度，情况严重时应停车检修处理。

(1) 超温部位用胶管或金属管道接工厂风进行降温，超温严重时采用轴流风机加强空气对流，尽快将超温部位温度控制在300 ℃以下。在集气管和集气总管上温度较高的部位增设表面热电偶，并将监测信号传送至DCS系统。

(2) 严格控制系统负荷在28 500 m3/h以下、一段转化炉出口温度<770 ℃、管排温差<10 ℃、一段转化炉压力≤3 850 kPa，确保一段转化气中各气体组分在设计范围内，避免负荷、压力和炉膛温度大幅度波动。

(3) 加强巡检和现场检测监护，并记录一段转化炉下部集气管和集气总管温度数据，以便于掌握温度变化趋势，发现异常及时采取相应措施。

(4) 清除一段转化炉下部及周围易燃和可燃物品，防止火灾事故的发生或扩大。

(5) 制订紧急情况下的处理预案：温度超过350 ℃时，应立即向上级报告并采取降温措施，采取措施后若仍然超温，则立即停车作进一步的处理。加强巡检，注意观察下集气管和集气总管外壁是否有鼓包现象，如果出现鼓包现象应立即按TRIPB联锁按钮作停车处理。如果集气管和集气总管超温部位出现扩大趋势，应降低系统负荷，使一段转化炉出口温度降至700 ℃，然后等待进一步确认处理。如果超温部位出现裂纹泄漏着火，应立即按TRIPB联锁按钮作停车处理，通知调度、消防队等，并在发生泄漏的部位附近全面警戒以防出现人员中毒；联锁停车后，继续通蒸汽降温，系统放空阀保持全开；关闭配气站入口大阀并卸压，然后通氮气置换天然气配气站至一段转化炉燃料管线中的天然气。

5　预防下集气管局部超温的方法

(1) 下集气管和集气总管的选材应符合原始设计的要求，制作和施工过程应严格按照技术标准实施，注重细节的处理。浇注耐火衬里前，承压壳体内表面应进行除锈，并用干燥的压缩空气吹扫清除干净。在内管外表面包裹聚苯乙烯，在集气管及测量点处的所有接触面涂上一薄层耐火水泥并凝固固定好。按下集气管分4段、集气总管分3段分别浇注，浇注料凝固后须立即拆除模板。单独的管段必须连续浇注，单管段中间有斜缝接口的分2段浇注。浇注时，每增高400 mm就必须用振动机振实1次，振动机潜入深度不超过350 mm，振动棒外径为Φ25 mm，振动完毕后应缓慢拖出振动棒以避免空气阻塞。

(2) 浇注的耐火衬里经检查合格后，先自然干燥几天，再用热风烘干。热风烘干时，先升温至300 ℃后恒温6 h，再升温至400 ℃后恒温2 h。

(3) 检修后的烘炉应严格按照烘炉工艺进行，控制升温速率和恒温时间。

(4) 严格执行操作规程，加强开停车过程的工艺指标控制，避免温度和压力的大幅波动。