一段炉燃料天然气消耗量增加原因分析及对策

张明良

(海洋石油富岛有限公司， 海南东方 572600)

1 概述

海洋石油富岛有限公司化肥一期(简称富岛一期)合成氨装置以天然气为原料，采用英国ICI-AMV工艺，生产能力为1 000 t/d液氨[1]。一段炉为吸引风箱式加热炉，下部辐射段分为南、北对称的两个炉膛，上部对流段设有烟气废热回收装置[2]。截至2022年5月装置检修前，一段炉转化炉管控制出口温度在730 ℃左右，天然气消耗量(正常生产时为6 400 m3/h以下)由6 298 m3/h持续增加至6 551 m3/h(表1),一段炉出现烧嘴回火、炉墙膨胀鼓包和转化炉管出口甲烷含量超标等现象。

表1 一段炉出口温度与天然气消耗量数据统计

2 工艺原理及流程

一段炉南、北炉两侧炉膛墙壁上各装有5层烧嘴，第一层和第五层各有9个烧嘴，其它各层分别有12个烧嘴，共计216个烧嘴。烧嘴使用双喷头系统，燃料天然气(表2)和燃料废气(表3)在喉管通道混合进入烧嘴，利用燃料气压力吸入环境中的空气进行燃烧，热负荷为169 GJ/h。

表2 燃料天然气主要组成 %

表3 燃料废气主要组成 %

一段炉对流段顶部设有引风机，在炉膛内部建立微负压(-100 Pa)，烟气由此排入大气。一段炉辐射段转化炉管表面温度设计为873 ℃，压力为4.31 MPa。其内部108根转化炉管装有18.3 m3的Z111-6YQ型催化剂，活性组分为镍。原料天然气与工艺蒸汽混合后，经一段炉对流段废热回收盘管2加热到580 ℃，进入一段炉转化炉管内发生化学反应，在催化剂的作用下生成H2和CO，生成的化学物料送往二段炉。一段炉工艺流程见图1。

3 原因分析

3.1 生产系统负荷高

一段炉转化炉管内发生的化学反应为吸热反应，原料天然气流量和工艺蒸汽流量任一数值偏高，均会引起生产系统负荷高，完成设定的生产要求就需要增加燃料天然气，为一段炉内化学反应提供更多热量。2021年1月至2022年4月合成装置生产系统负荷数据见表4。

图1 一段炉工艺流程图

表4 合成装置生产负荷

由表4可知：生产负荷下，天然气体积流量基本维持在32 500 m3/h左右，工艺蒸汽质量流量基本维持在65.00 t/h左右。

3.2 燃料天然气热值低

燃料天然气由CH4、多碳烃类(CnH2n+2)、N2和CO组成[1]。一段炉热量来源为燃料天然气中的CH4燃烧。当燃料天然气中的CH4含量降低时，需要更多的燃料天然气，以保持一段炉化学反应热量平衡。2021年1月至2022年4月，燃料天然气中CH4质量分数见表5。

表5 燃料天然气中CH4质量分数 %

由表5可知：燃料天然气组分中的CH4质量分数稳定。

3.3 燃料废气流量低

燃料废气来自废气回收单元，输送至一段炉进行辅助燃烧，为一段炉转化炉管内吸热化学反应提供热量。当燃料废气流量不足时，需要增加燃料天然气流量来维持一段炉出口温度。2021年1月至2022年4月，燃料废气流量数据见表6。

表6 燃料废气体积流量

由表6可知，一段炉燃料废气流量在控制范围内，未出现流量降低的情况。

3.4 烧嘴二次风门供应冷量多

一段炉烧嘴固定盘周围分布有4个直径为3 cm的二次风门圆孔。圆孔由圆形盖板覆盖，通过旋转固定卡销，打开盖板来控制二次风门开度。二次风门打开多时，大量冷空气进入烧嘴，会导致一段炉热量上移，一段炉转化炉管出口温度降低。为了维持一段炉出口温度在730 ℃左右，需要增加燃料天然气消耗量。

通过查询“一段炉转化岗位交接班记录本”，未发现有异常打开烧嘴二次风门的操作记录。现场检查二次风门固定卡销状态，未发现有卡销螺栓松动脱落导致盖板打开的情况。

3.5 燃料天然气温度低

一段炉燃料天然气经过烟气废热加热盘管预热到318 ℃，再进入一段炉辐射段烧嘴进行燃烧。当燃料天然气温度偏低时，进入烧嘴的燃料天然气会吸收一段炉炉膛内部的热量，需要燃烧更多的燃料天然气来补充被吸收的热量。2021年1月至2022年4月，燃料天然气温度数据见表7。

由表7可知：燃料天然气温度稳定，未出现温度下降的情况。

3.6 炉墙保温材料损坏

一段炉炉墙由炉砖、黏合材料和金属外壁组成，炉墙内部烧嘴处的保温材料温度为950 ℃，外墙金属材料涂覆高温变色油漆，外墙表面设计温度为150 ℃。一段炉炉墙保温材料损坏时，材料保温效果变差，炉膛内部大量热量向外散发，炉墙外壁温度若超过150 ℃，炉墙金属外表热敏油漆由灰色变为白色。这一部分损失的热量，需要增加燃料天然气消耗量来补充。

表7 燃料天然气温度

3.7 烧嘴一次风门设计无空气过滤设施

一段炉烧嘴一次风门原始设计中，进风口未设置空气滤网等过滤设施。在正常生产中，发现部分烧嘴燃烧火焰偏黄色，烧嘴砖周围发黑，烧嘴砖的温度比正常值低100 ℃。经拆卸检查发现，这些烧嘴的喉管通道、一次风门挡板和喷头微孔处均附着较多的粉尘结垢(图2)。清理粉尘结垢后，烧嘴燃烧火焰颜色恢复至淡蓝色，烧嘴砖温度恢复至950 ℃左右。由此说明，空气中的灰尘进入烧嘴喷头内部，造成烧嘴喷头微孔结垢堵塞，燃料天然气燃烧供氧不足，出现不完全燃烧，导致一段炉燃料天然气消耗量增加。

结合上述原因分析，炉墙保温材料损坏、烧嘴一次风门设计无空气过滤设施是导致一段炉燃料天然气消耗量增加的主要因素。

从一段炉南、北炉的5层中，随机抽取10处位置进行标记，对炉墙外壁温度、烧嘴砖温度、炉墙外壁颜色、烧嘴火焰颜色进行统计，数据见表8。

4 处理措施

4.1 更换炉墙损坏保温材料

2022年5月，合成氨装置停车进入检修阶段，进入一段炉炉膛内部检查，发现炉墙砖表面粉化开裂，烧嘴砖黏合剂脱落，出现较大裂缝，确认为炉墙保温材料老化损坏。对损坏的炉墙保温材料进行更换，达到检修质量验收标准[3]。保温材料检修前后效果见图3。

图2 烧嘴喷头微孔及喉管通道结垢

图3 保温材料检修前后对比图

表8 一段炉主要指标

4.2 增加烧嘴一次风门空气过滤网

检修期间，清理段炉所有烧嘴的喉管通道、一次风门挡板和喷头微孔，依据烧嘴喷头微孔和一次风门进风口的尺寸，选择孔径为2.5 mm、长为80 mm、宽为20 mm的不锈钢金属过滤网，在烧嘴进风口外壁用铁丝捆绑固定(图4)。

日常生产中，工艺人员依据烧嘴一次风门空气滤网的结垢情况，不定期清理滤网，确保烧嘴一次风门空气的流通量和洁净度，维持烧嘴燃烧火焰颜色为淡蓝色。

5 实施效果

2022年6月，生产装置开车运行，一段炉各项工艺指标参数保持正常(表9)，转化炉管出口温度控制在730 ℃，一炉墙外壁温度平均值为85 ℃，燃料天然气消耗量由6 551 m3/h下降至6 272 m3/h，烧嘴燃烧正常且火焰无泛黄现象[4]。

图4 烧嘴一次风门空气滤网改造对比图

表9 检修后一段炉主要指标

6 结语

通过分析调查影响一段炉燃料天然气消耗量增加的所有因素，利用装置停车检修的宝贵机会，采取有效措施，降低了生产装置能源消耗，为设备安全稳定运行保驾护航。